多场耦合作用下的粉末成形技术及装备研究

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1、22009全国粉末冶金学术会议论文集多场耦合作用下的粉末成形技术及装备研究①李元元李小强(华南s'r-大学机械与汽车工程学院)摘要为了探索高致密、高性能、短流程、节能和低成本粉末成形方法，对电、磁、热、力多个不同外场耦合作用下的粉末成形技术及相应装备进行了研究。建立了电、磁、热、力多场祸合作用下的粉末成形模型．揭示了场间的复杂交互作用机理，研铺出了一套电、磁、热、力多个场耦合粉末成形设备；确立了铁基、碳化钨基、铜基、钛基等粉末的电、熟、力三场耦合成形工艺；提出并证实在电、热、力三场基础上耦合轴向交变磁场可改善径向成形温度场和促进烧结，进而探索性地研究了电、磁、热、力四场耦合作用下的铁基粉末成

2、形技术。关键词粉末；多场耦合；成形1前言目前，随着制造业向大制造、全过程和多学科方向的发展，粉末冶金技术正在向高密度、高性能、短流程和低能耗等方向发展的趋势。20世纪90年代以来，在传统粉末成形技术的基础上发展了一些在外加物理场耦合作用下的高效粉末成形新方法。如1994年由美国首次公布的粉末冶金热、力两场耦合温压成形技术，这是一项在特定的温度(150℃左右)和应力场共同作用下，对粉末进行压制成形获得近终型、较高致密度和较高性能零件的先进制造方法¨。4]。在此基础上，又发展了一种流动温压成形方法，提高了粉末的充型能力，可实现复杂形状零件成形∞J。近来，国外还发展了一种以放电等离子烧结为代表的电

3、、热、力三场耦合成形方法。该成形方法具有成形与烧结一体化、材料更致密和性能更高、节能、环保等一系列优点№。9J。然而，电、热、力三场耦合的粉末成形方法的研究和应用尚处于起步阶段，很多基础理论和技术问题尚有待深入探索。尽管根据理论可推测，在电、热、力三场耦合基础上，进一步耦合磁场将有望改善粉末成形时温度场的均匀性、甚至诱发材料组织取向，从而可为高性能和特定功能材料和零件的制备提供新途径。不过，迄今关于电、磁、热、力四场耦合下的粉末成形方法的研究尚鲜见报道。作者所在的课题组，为了揭示多场耦合作用下粉末的成形机制，开辟粉末冶金材料及其零件制备的新技术和新途径，推动多场耦合成形技术在我国的应用以及我

4、国粉末冶金行业的快速、可持续发展，近年来在金属粉末多场耦合成形领域开展了一系列极具挑战性和探索性的研究工作。本文将主要报道作者所在课题组在该领域取鼐的研究颏进展。2多场耦合成形研究2。l多场耦合成形设备电、热、力三场耦合成形装备不仅是研究相应成形机理、技术及材料配方试验的必要手段，也是该成形技术走向产业化必不可少的装备。目前，采用电、热、力三场耦合成形金属粉末的技术已呈现①基金项目；国家杰出青年科学基金资勘项目《50325516)，国家蓬点基础研究许翅“973”专项课露(2007CB616905)，国家高技术研究发展计划“863”硬目(2007AA032112)，广东省自然科学基金项目(x2

5、jqB6080210)作者简介：李元元(1948一)，男。教授，博士生导师，主要从事先进金属制备与成形的研究。E—mail：Lixq@aeut．edu．恤一、综述3出一定优势，特别是在制备细晶和超细晶块体材料以及高熔点材料方面，但其设备较为昂贵而且需从日本等国家进口。在电、热、力三场耦合成形领域由于缺乏我国具有自主知识产权的装备，已严重阻碍了我国在该领域的研究工作开展和将来的工业化应用。另外，磁场在高性能和功能材料制备中也展现出了一定优点，将其与电、热、力三场相耦合有望开辟出一条新的高性能或特殊功能材料和零件的制备途径。不过，将电、磁、热、力四场相耦合用于成形粉末的研究鲜见他人报道。为了开展

6、电、磁、热、力等多个外加物理场耦合作用下的粉末成形理论及其技术研究，作者借鉴国外放电等离子烧结设备的原理，并结合磁场在高性能和功能材料制备中所显示出的独特优势，自行研制出了一台由大功率逆变电源、磁场发生装置、液压系统、模具和控制系统等构成的多场耦合粉末成形固结设备，图l为其原理图。图1电、磁、热、力多场耦合成形设备原理图该设备可提供方波脉冲和恒流电流，最大输出电流、电压分别达4000A和52V；成形压力在0—100MPa无级可调，压力精度为-4-1．0MPa；可提供脉冲、交变和直流三种类型的磁场，且磁感应强度分别在0—4．24MA／m、0～0．024MA／m和0～0．016MA／m范围内无级

7、可调。为了实现对磁感应强度的精确控制和调节，还建立了脉冲磁感应强度与充电电压对应的数据库以及交、直流磁感应强度与充电电流对应的数据库，在实际操作时可通过计算机调控所需的磁感应强度。对于脉冲磁场，脉冲个数也可直接在计算机上进行设定。该装置功能多样，既可作为电、热、力三场耦合成形设备又可作为电、磁、热、力四场耦合成形设备，操作简便，造价低廉，约为进口的SIS设备的1／5，其成功研制为多场耦合成形理和技术研究以及装