陶瓷和金属微波烧结在线实验及微观机理分析

为研究陶瓷和金属微波烧结时的微观演化机理,从而为优化不同材料的烧结过程提供依据,本文采用同步辐射技术对陶瓷(SiC)和金属(Al)的微波烧结微结构演化过程进行实时、无损的观测,并结合有限元模拟分析两者的微结构演化特征及微观机理。通过滤波反投影等数字图像处理技术得到烧结过程中样品内部的二维、三维重建图像,清晰地观察到SiC和Al在颗粒表面和界面演化上存在差异。定量地统计了陶瓷和金属烧结颈相对尺寸与时间的双对数关系,并与陶瓷和金属双球模型的微波烧结模拟结果进行了对比。运用模拟分别对实验中的烧结颈和微观形貌演化进行分析,得出结论:陶瓷和金属微波烧结时的加热机制不同,分别为整体介质损耗加热和表面涡流损耗加热。陶瓷的整体加热将会在材料内部特别是界面产生较高的温度,而金属的表面加热使颗粒表面温度高于界面。由相应的加热机制产生的温度分布差异,将会对材料的物质扩散过程产生不同程度的影响,进而产生不同的微结构。     

陶瓷粉末烧结演化的同步辐射CT观测

利用SR—CT技术观测了Al2O3（MgO）粉末的整个烧结过程，温度范围～1550℃，重建得到了粉体在不同温度下的微观形貌图像，计算得到了对应温度下的孔隙率，结合烧结理论对Al2O3（MgO）粉末烧结进行了分析。实验结果表明：1300℃时颗粒间开始形成烧结颈，1400℃至1500℃的过程中，气孔重新分布形成连续网络且发生球化，烧结颈长大，为烧结致密化最显著阶段，1500℃至1550℃为烧结后期，变化趋缓。     

基于相场模型的金属微波烧结演化机制分析及同步辐射断层扫描实验验证

为了探索不同种类金属材料的微波烧结机制,本文针对钛和铝两种具有不同电磁学特性的金属材料,分析了微波与金属微粒的相互作用。依据经典的麦克斯韦方程,金属表面产生电子涡流和趋肤效应。由P.Mishra和K.I.Rybakov等提出的金属在微波中的加热效率理论,推导出钛金属表面的热效应明显高于铝。因为电子涡流在磁场中产生指向颗粒内部的洛伦兹力这一微波非热效应,阻碍了内部物质向外的扩散,且铝的感应涡流大于钛,故其向心力更大。由于微波的热效应和非热效应导致物质扩散的驱动力不同,得出"钛的微波烧结速率明显大于铝"这一区别于常规烧结的结论。将获得的分析结果引入相场数值模拟,改变相场模型中控制演化过程中的表面和体扩散变量,获得不同的模拟结果,定量分析了烧结颈等微观结构参数随模拟时间的演化曲线。结合同步辐射断层扫描(SR-CT)技术获得的金属在微波烧结过程中的实验参数,与理论分析和模拟结果相吻合,从而验证了分析和模拟的正确性和可行性。上述结果可为研究金属在微波烧结过程中的演化机制提供支持。     

多孔泡沫铝压缩过程中微结构演化

本文采用SXR-CT技术研究金属多孔泡沫铝材料在压缩过程中内部微结构的演化。获得了泡沫铝试件的各个断层图像,以及各断层图像组装得到的三维结构图像,由此计算得到不同断层的孔隙率和压缩时各断层的位移量。并给出一系列相同位置、不同压缩量状态下垂直截面图像,通过这些图像可以直接地观察压缩过程中泡沫铝内部微结构的演化。这些研究结果将为泡沫铝制备工艺的改进和材料与结构的优化设计提供有益的参考,并为泡沫铝压缩破坏机理的构建提供科学依据。其中SXR-CT技术重建图像的分辨率约为10.9μm。     

金属铝微波烧结微结构演化的在线观测与相场模拟

材料内部微结构及其演化与材料宏观力学性能密切相关,而孔隙是微结构的一种重要形态。在金属粉末微波烧结过程中,由于烧结机理复杂,且受限于传统实验观测手段,目前对金属微波烧结孔隙演化机理的认识尚不清晰。本文采用SR-CT(Synchrotron Radiation Computed Tomography),同步辐射计算机断层扫描技术,对金属铝粉末微波烧结过程中的孔隙演化进行了在线观测,观测到呈条状的孔隙沿短轴闭合这一独特现象,与常规烧结中孔隙圆滑化和球化过程截然不同。基于这一现象,针对金属颗粒在微波电磁场作用下进行了受力分析,认为在微波电磁场中金属颗粒表面产生电子涡流,颗粒受到沿表面法线方向并指向孔隙内部的安培驱动力作用,促进了孔隙沿短轴方向的闭合,据此提出了条状孔隙演化的安培力驱动模型。将这一模型引入相场模拟,基于实验图像模拟孔隙的演化过程,得到了与实验一致的模拟结果,从而验证了安培力驱动模型的正确性。     

金属异质界面对微波烧结扩散影响的在线实验和相场模拟联合分析

合金材料具有优异的力学性能和广泛的应用范围,与传统方法相比,利用微波制备合金具有明显的优势。为了探索合金材料的微波烧结机制,本文采用合金领域关注度较高的Ti和Al混合金属样品,利用在线实验方式获得了样品在微波烧结时的微观结构演化结果。和单质Ti和单质Al对比发现,混合Ti-Al样品的烧结温度明显降低,烧结速率显著增加。由上述现象分析认为,Ti和Al之间形成了金属间化合物,由于该化合物和单质金属电导率不同,导致界面极化现象的产生。极化损耗导致界面处温度升高,提高了界面物质的扩散速度。同时,由于界面处物质扩散加剧,大量原子向烧结颈聚集,造成空位向晶界扩散。过饱和的空位被晶界上的位错歼灭,在该处生成牵引力,促使相邻颗粒之间产生对心刚体运动。利用理论分析的结果,在相场数值模拟中同时引入多种扩散机制和刚体运动项,修正密度场控制方程,并拟合烧结颈等微观结构参数随模拟时间的演化曲线。曲线和实验结果基本一致,进一步验证了混合金属与微波产生了特殊作用,即驱动物质扩散的热效应和促使颗粒间向心运动的作用力。上述结果可为研究合金体系在微波烧结过程中的演化机制提供支持。     

粉末注射成形中偏析效应及其影响的数值模拟

在金属或陶瓷粉末注射成形中,由于粉末与粘结剂的密度差异,二者在高速充模的过程中会产生局部比例变化,即偏析现象.针对偏析现象,采用两相流注射模型,将注射喂料视为由粉末相和粘结剂相组成的混合流体,预测注射成形坯件中粉末相和粘结剂相的分布.将结果引入到后续的烧结模拟中,宏观烧结模型采用基于热弹粘塑性的本构关系.据此模拟产品在烧结过程中发生的收缩和变形以及预测产品在烧结过程中现场强度(In-situ strength).模拟结果说明注射坯件的非匀质性导致产品的烧结过程中产生非均匀收缩和内部应力的大幅度上升,影响产品的精度和性能.这种从注射到烧结的模拟体系可用于优化粉末注射成形工艺的喂料设计、模具设计以及注射和烧结工艺参数的选取.     

多孔隙流固耦合砂岩的冲击损伤效应

采用分离式霍普金森压杆冲击实验系统,对流固耦合的多孔隙红砂岩试样进行了不同冲击速率下 的损伤效应对比实验,得到反复冲击作用下多孔隙砂岩试件的损伤演化本构关系曲线。通过检测不同冲击速 率作用前后流固耦合砂岩试样的声波速度变化和冲击损伤破坏结果,探讨多孔隙流固耦合砂岩的冲击损伤 演化的主要影响因素,得出冲击损伤强度随声波速度和孔隙率的变化曲线;提出不同耦合介质和孔隙率对多 孔隙砂岩冲击损伤效应的影响关系。     

炸药Pop关系和反应Hugoniot曲线的确定、对单一曲线增长讨论

本文利用锰铜压力计和楔形炸药样品,同时测定了不同初始冲击波幅值下。冲击波在炸药内的发展过程及炸药内的压力场。得到炸药内延迟引爆距离(或延迟引爆时间)的对数与初始冲击波压力的对数成线性关系(即称为炸药的Pop图),利用初始冲击波幅值确定的炸药冲击波数据可求得未反应炸药的Hugoniot关系,而利用冲击波在炸药内增长过程中测得的参数所确定的是反应炸药的Hugoniot关系。本文用楔形炸药样品测得冲击波在炸药内的x-t关系以及不同Lagrangian压力剖面说明:冲击波在炸药内的增长并不完全满足单一曲线增长的假设。     

纳米-Al2O3陶瓷粉末的预热爆炸压实实验研究

对纳米-Al2O3陶瓷粉末在预热温度为0.5Tm的条件下,以不同的爆炸压实压力实施了烧结实验。通过X射线衍射分析了烧结体的晶型,并用高分辨率扫描电子显微镜进行了微观组织观察。实验结果表明,纳米-Al2O3陶瓷粉末在爆炸压力为13.1 GPa时可得到晶粒间结合致密且晶粒度在100 nm左右的-Al2O3烧结体;而在爆炸冲击压力为9.35 GPa以下时,烧结体的晶型没有发生转变,仍然是-Al2O3晶型。     

双管-中心杆爆炸烧结对改进烧结体质量的实验研究

为了改进单管爆炸烧结装置所得成品诸多缺陷,本实验对烧结装置进行双管设计且添加轴芯的方法,以消除聚心滑移爆轰驱动单管压实过程中常伴随的裂纹及马赫孔现象;同时,由于外管在间隙中飞行所实现的聚能效果使碰撞压力较高,且应力波在双管及轴芯之间的传播、反射使其较之于单管情形而言,烧结体更致密、均匀.最后通过对钨、铜、镍、钴混合金属粉末的烧结体进行分析,其相对密度达98.3%;宏观硬度测试结果表明块体沿径向洛氏硬度非常接近,因而可以推知其强度、密度沿径向分布较为均匀.     

纳米尺度下切削过程的准连续介质力学模拟

采用准连续介质力学方法模拟了镍单晶体刀具在单晶铜工件上的切削过程,深入分析了切削过程中的能量演化?应力场变化和原子位移情况等因素.结合切削过程中位错滑移等塑性行为和原子径向分布理论,揭示了切屑产生的机理,证实了切削过程中已加工表面和体相晶体结构的非晶态变化是切屑产生的主要原因.通过对纳米切削过程不同阶段的模拟表明:刀具的耕犁作用下剪切带的形成和扩展是切屑形成的初始阶段;变质层的产生是纳米切削的中间阶段并构成了加工表面组织;储存在变形晶格中的变形能超过一定值时,晶格被打破,形成非晶态结构是切屑形成的最终阶段.     

A multi-scale constitutive model for the sintering of an air-plasma-sprayed thermal barrier coating, and its response under hot isostatic pressing

A micromechanical model is developed for the sintering of an air-plasma-sprayed, thermal barrier coating, and is used to make predictions of microstructure evolution under free sintering and under hot isostatic pressing. It is assumed that the splats of the coating are separated by penny-shaped cracks; the faces of these cracks progressively sinter together at contacting asperities, initially by the mechanism of plastic yield and subsequently by interfacial diffusion. Diffusion is driven by the reduction in interfacial energy at the developing contacts of the cracks and also by the local contact stress at asperities. The contact stress arises from the remote applied stress and from mechanical wedging of the rough crack surfaces. Sintering of the cracks leads to an elevation in both the macroscopic Young's modulus and thermal conductivity of the coating, and thereby leads to a degradation in thermal performance and durability. An assessment is made of the relative roles of surface energy, applied stress and crack face roughness upon the sintering response and upon the evolution of the pertinent mechanical and physical properties. The evolution in microstructure is predicted for free sintering and for hot isostatic pressing in order to provide guidance for experimental validation of the micromechanical model.     

Q345R钢蠕变过程声发射特性实验研究

声发射测试技术由于实时、连续、在线监测的特点,被越来越多地应用于材料性能的研究,但由于蠕变实验温度过高,超过传感器使用温度限制,因此在金属材料蠕变损伤领域还尚属空白。本文以Q345R钢为例,设计蠕变声发射监测专用的夹具导波机构,进行Q345R钢蠕变声发射监测实验。监测结果表明,蠕变损伤过程的声发射活动表现出与蠕变曲线相类似的阶段性特征。蠕变初期撞击数较多,声发射较为活跃;随着损伤的演进,试件进入稳态蠕变阶段,声发射活动渐趋平稳,日平均撞击数趋于稳定值;蠕变后期,能量快速释放,声发射活动加剧,试件发生蠕变断裂。     

含孔复合材料层合板静拉伸损伤演化的实验和表征方法

为了深入探究复合材料层合板结构的损伤机理和损伤演化,应用声发射技术和图像相关技术同步实时监测含孔碳纤维复合材料层合板试样在静拉伸过程中的损伤演化。实验结果表明,试样表面应变场呈现局部化特征。对应变集中带在加载方向的应变值进行了统计分析,获得了应变场的特征统计量(标准差)随加载的演化模型。层合板损伤时产生声发射信号的峰值频率大小能够有效区分复合材料的损伤模式,由此,建立了基于损伤模式累积声发射数的损伤演化模型。通过对应变场演化模型和声发射损伤演化模型的分析,可以将复合材料的损伤演化分为损伤初始阶段、损伤平稳扩展期、损伤严重阶段三个部分。统计分析结果表明:在损伤严重阶段,基于声发射事件数的各种损伤的损伤变量和局部应变场标准差快速增长,因此局部应变场统计标准差可以作为后期局部损伤严重程度的识别指标。     

Instability of sintering of porous bodies

Sintering models are discussed and used to analyze flow instabilities that may arise during preliminary compaction of powders. These instabilities can be at the origin of heterogeneities in the densification. The material is modeled as a viscoplastic thermal sensitive porous material. The modeling includes the limit case of a linear viscous material. The effects of sintering conditions (temperature and pressure in the case of pressure sintering) and the effects of material characteristics such as porosity, heat capacity, theoretical density, surface tension, particle size and creep parameters on stability of sintering are investigated. The heat release associated with the plastic flow is shown to sometimes have an important role. Stability criteria are derived and applied to the analysis of sintering and hot isostatic pressing, using various sintering models. These stability criteria can be used to optimize the densification process; one can control, for example, temperature so as to avoid any instability. Stability maps enabling an optimization of temperature–pressure regime in hot isostatic pressing are built for sample metal (nickel) powder.     

Computational modeling of heat transfer and sintering behavior during direct metal laser sintering of AlSi10Mg alloy powder

Direct Metal Laser Sintering (DMLS) is one of the leading additive manufacturing processes, which produces complex metallic parts directly from the powder. One of the major problems of this rapid manufacturing process is an inhomogeneous temperature distribution, which leads to residual stress in the build part. Thus, temperature analyses must be performed, to better understand the temperature distribution and sintering behavior of the powder bed with a different laser recipe. In this study, a comprehensive three-dimensional numerical model was developed to understand the temperature distribution during direct metal laser sintering of AlSi10Mg alloy powder. The computer simulation was carried out in ANSYS 17.0 platform. Further, the effect of process parameters such as laser power and scan speed on the temperature distribution and sintering behavior were studied. From the simulation results, it was found that, when the laser power increased from 70 W to 190 W, the maximum temperature of the molten pool increased from 731?°C to 2672?°C, and the molten pool length changed from 0.286 mm to 2.167 mm. A reverse phenomenon was observed with an increase in scan speed. The sintering depth of the powder layer increases significantly from 0.061 mm to 0.872 mm with increasing the applied laser power, but decreased from 0.973 mm to 0.209 mm as a higher scan speed was applied. The developed model helps to optimize the powder layer thickness and minimize the wastage of excess powders during the sintering process.     

Modeling of gravity-induced shape distortions during sintering of cylindrical specimens

A finite element approach for modeling the gravity-affected sintering process is presented. The constitutive equations are based on the continuum theory of sintering in the framework of a linear viscous material behavior. The model describes the gravity influence on porosity evolution and shrinkage inhomogeneity. Simulations of densification, shape distortion, and porosity gradients are presented. The results are compared with a previously developed analytical model of sintering under the influence of gravity. First time a direct assessment of the impact of the densification inhomogeneity on the gravity-induced shape distortion during sintering is provided in a generic form similar to the master sintering curve approach.