噴射成形過程模擬及其材料研究.pdf

1、摘 要噴 射成形技術(shù)不 僅具有快 速凝固 工藝的 優(yōu)點， 而且克 服了 快 速凝固 一 粉末冶 金工藝 成本 高、 工 序復(fù) 雜 等 缺點 ， 有 望 在 冶 金 工 業(yè) 用 軋 輥 和 汽 車 用 高 硅 鋁 合 金 等 工 業(yè) 應(yīng) 用 方 面 發(fā) 揮其作用。 本文的 研究 工 作圍 繞 這一實 際 應(yīng) 用 及其 相關(guān)的 理論問 題展開， 結(jié) 合 偉 J 備常 用軋 輥材 料C r l 2 M o V鋼的 噴 射 成 形 實 驗， 對

2、噴 射 成 形過 程的 各 個階 段 進 行了 模 擬 和 研 究 ， 并 且對噴 射成形 C r l 2 M o V鋼的 組 織 及 性柑趁 行了 詳細 分析。同 時 本論 文 還 針對噴 射成 形 工藝制 備的A l - 2 0 S i - 4 N i - 1 C u - 1 M g 合 金 進 行了 探 索。目 前 較為成熟的 有限 元 數(shù)值分析手段計算了 沉積坯的 三維 瞬態(tài)溫 度場。 在采用熱 分析計 算 其 溫 度場時， 采

3、 用了 生死單 元法進 行處 理， 該 方法可以 用 來 模擬 沉積 坯 不 斷 長 大的 過 程。 計 算結(jié) 果 表 明， 在 沉 積的 最 初 階 段， 沉 積 坯 中 各 個 位置 的 冷 卻 速 度可以 達到 I O Z K s - ' 數(shù) 最級， 隨 后 各個 位置的 冷 卻 速 度迅 速下降 至1 0 ' -1 0 0 K s “ ' 數(shù)量級。在 計 算噴 射 成形 過 程中 沉積坯的 應(yīng)力 場時，

4、對現(xiàn)有的 二維 模型 進行了 改 進， 建立了 三維 應(yīng)力 場模型， 計算結(jié) 果 表明 ， 制備得到的 C r l 2 M o V鋼 沉積坯的中 心區(qū) 域存在拉應(yīng)力場， 拉應(yīng)力最大可達3 6 6 M P a 。 邊緣區(qū) 域為壓 應(yīng)力場， 壓應(yīng)力最大可達4 5 8 M P a a沉 積坯中的 最大等效應(yīng)力出 現(xiàn)于 邊緣區(qū) 域中， 其值為 4 3 0 M P a 。 在本文采用的噴 射成形工藝條件下， 制備的 沉積坯的 最大等效應(yīng)力沒

5、有超過材料的抗拉強度， 因此， 在沉積坯中 不會產(chǎn)生 裂紋， 實驗結(jié)果也證明了 這一點。 測皿 沉積坯的 殘余 應(yīng)力時， 將 沉積 坯沿軸 對 稱面 進行了 切 割， 此時 殘余 應(yīng) 力 場發(fā)生了 改 變，由 于 本文 對 應(yīng)力 場的 計 算采 用了 三維 模型， 可以 對這一 情 況 進行 模 擬。 計算結(jié) 果 表明 ， 應(yīng)力 測量時 對 沉 積坯 進 行切 害 」 對 其殘余應(yīng)力 場的 分 布 產(chǎn)生了 很 大的 影響。 將應(yīng)力 測t

6、結(jié) 果 和計 算結(jié) 果進 行 對比 ， 兩者 有 很好的一 致 性。卜 沐結(jié) 果 表明 ， 模 擬 時 所 采 取的 簡 化 和 假設(shè) 在 我 們 的 工 藝 條 件 下 是 允 許 的 ， 建 立的 三維 模型是合 理的。本 項 研究 采 用 噴 射 成 形 技 術(shù) 制 備 了 致 密 的C r l 2 M o V 鋼 沉 積坯 ， 其 密 度 達7 . 7 5 &r n ' a顯 微 組 織 研 究 結(jié) 果 表 明

7、 ， 噴 射 態(tài) 合 金 由 大 且 奧氏 體 、 少 f 馬 氏 體 和C r 7 “ 3 組 成， 噴 射 成 形 過 程 明 顯 地 抑 制 了 馬 氏 體 的 形 成 ， 形 成 了 大 f 亞 穩(wěn) 定 的 奧 氏 體 。 噴 射 態(tài) 組 織 由5 - 5 0 d a m的 等 軸晶 組成， 這一實 驗 現(xiàn) 象與 預(yù)測 得 到的 噴 射成 形材料晶 粒尺寸 一 致. 沉積坯中 位于 基底附 近區(qū) 域的 顯 微組織不 規(guī)則， 呈

8、 層 狀結(jié) 構(gòu)， 這 種組 織的 形 成 可以 根 據(jù) 其晶 粒形 核 及凝固過程得到解釋。Ab s t r a c tT h e r e e x i s t c e r t a i n a d v a n t a g e s a s s o c i a t e d w i t h t h e r a p i d s o l i d i f i c a t i o n p r o c e s s i n s p r

9、 a yf o r m i n g . S p r a y f o r m i n g o v e r c o m e s s o m e d i s a d v a n t a g e s o f r a p i d s o l i d i f i c a t i o n - p o w d e r m e t a l u r g yt e c h n o l o g y , s u c h a s h i

10、g h c o s t a n d c o m p l i c a t e d p r o c e s s . S p r a y f o r m i n g o f e r s p o t e n t i a l e c o n o m i cb e n e f i t s i n t h e m a n u f a c t u r e o f r o l e r s u s e d i n m e

11、t a l u r g i c a l i n d u s t r y a n d h i g h s i l i c o n a l u m i n i u ma l o y i n a u t o m o b i l e i n d u s t r y . I n t h i s p a p e r , t h e r e s e a r c h w o r k i s c o n c e r n e

12、 d i n b o t h o f t h e t h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a l p r o b l e m s . B a s e d o n t h e s p r a y f o r m i n g e x p e r i m e n t s o f C r 1 2 M o V s t e e l , v a r i o u s s t

13、a g e so f s p r a y f o r m i n g p r o c e s s h a v e b e e n s i m u l a t e d a n d a n a l y z e d . T h e m i c r o s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s o ft h e s p r a y f o r m e d C r l

14、2 M o V s t e e l h a v e b e e n e x a m i n e d a n d e v a l u a t e d i n d e t a i l s . A n o t h e r s p r a yf o r m e d a l l o y A l - 2 0 S i - 4 N i - 1 C u - 1 M g h a s a l s o b e e n i n v

15、 e s t i g a t e d . i n s o m e a s p e c t s .T h e t h r e e - d i m e n s i o n a l t r a n s i e n t t e m p e r a t u r e f i e l d o f t h e s p r a y f o r m e d p r e f o r m h a s b e e nc a l c u

16、 l a t e d u s i n g t h e w e l - e s t a b l i s h e d f i n i t e e l e m e n t m e t h o d . F o r s i m u l a t i n g t h e g r o w t h o f p r e f o r m ,t h e m e t h o d o f k i l l i n g a n d a

17、 c t i v a t i n g t h e e l e m e n t s h a s b e e n u s e d i n t r a n s i e n t n o n l i n e a r t h e r m a la n a l y s i s . A t t h e b e g i n n i n g o f d e p o s i t i o n , t h e c o o l i

18、n g r a t e a t d i f e r e n t p o s i t i o n s c a n r e a c h 1 0 2 K s “ ' .T h e n t h e c o o l i n g r a t e d e c r e a s e s t o 1 0 ' -l 0 ' K s 7 ' .T h e t w o - d i m e n s i

19、 o n a l m o d e l o f s i m u l a t i n g t h e s t r e s s f i e l d o f p r e f o r m h a s b e e n m o d i f i e d a n d an e w t h r e e - d i me n s i o n a l mo d e l i s e s t a b l i s h e d .

20、T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e n s i l e s t r e s s f l e l r l c e x i s t i nt h e c e n t r a l r e g i o n , t h e m a x i m u m t e n s i l e s t r e s s i s 3 6 6 M P a T h e c o

21、 m p r e s s i v e s t r e s s f i e l d s e x i s t i nt h e e d g e r e g i o n , t h e m a x i m u m c o m p r e s s i v e s t r e s s i s 4 5 8 M P a T h e m a x i m u m V o n M i s e se q u i v a l

22、e n t s t r e s s v a l u e d 4 3 0 M P a e x i s t s i n t h e e d g e r e g i o n s . U n d e r o u r p r o c e s s i n g c o n d i t i o n ,t h e m a x i m u m e q u i v a l e n t s t r e s s i s l e

23、 s s t h a n t h e t e n s i o n s t r e n g t h o f t h e m a t e r i a l . T h e o r e t i c a l l y ,c r a c k s h o u l d n ' t e x i s t i n t h e s p r a y f o r m e d p r e f o r m . A c t u a

24、l l y , t h e y w e r e n o t f o u n d i n t h ep r e f o r m . T h e p r e f o r m w a s s e c t i o n e d t h r o u g h i t s a x i s y m m e t r i c p l a n e f o r m e a s u r i n g t h e s t r e s

25、 s e so n t h e p l a n e . A f t e r t h a t , t h e r e s i d u a l s t r e s s f i e l d o f p r e f o r m c h a n g e d . C o m p a r i n g t h e m e a s u r e dr e s u l t s w i t h t h e c a l c u

26、l a t e d r e s u l t s , i t s h o w s t h a t t h e y a r e i n a g o o d a g r e e m e n t . I t c a n b ed e d u c e d t h a t t h e s i m p l i f i c a t i o n a n d a s s u m p t i o n a r e p e

27、 r m i t e d a n d t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e li s r e a s o n a b l e w h e n s i m u l a t i n g t h e s t r e s s f i e l d o f p e r f o r m u n d e r o u r p r o c e s s i n g c

28、o n d i t i o n .T h e s p r a y f o r m i n g p r o c e s s c a n b e u s e d t o p r o d u c e h i g h c o m p a c t p r e f o r m s o f C r 1 2 M o V s t e e l . H i g h d e n s i t y ( 7 . 7 5 g / c

29、m ) i s a c h i e v e d i n t h e a s - s p r a y e d a l o y . T h e a s - s p r a y e d a l o y c o n s i s t sp r e d o m i n a t e l y o f a u s t e n i t e , b u t w i t h a s m a l a m o u n t o f

30、 m a r t e n s i t e a n d C r 7 C , . S p r a y f o r m i n gp r o d u c e s s u p e r s a t u r a t e d m e t a s t a b l e a u s t e n i t e w h i l e s u p p r e s s i n g t h e f o r m a t i o n o f m