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Sialon/Si₂N₂O纳米陶瓷SPS烧结和超塑性成形热-电-力耦合分析

作　者: 江磊
导　师: 骆俊廷
学　校: 燕山大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 放电等离子烧结 Sialon/Si2N2O纳米陶瓷热-电-力耦合有限元模拟超塑性锻造
分类号: TF124.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着放电等离子烧结工艺及装备制造技术的不断发展，关于放电等离子烧结机理的研究已经成为粉末冶金领域的重要基础理论课题之一。本文通过放电等离子烧结试验制备了Sialon/Si₂N₂O纳米陶瓷，并采用放电超塑性成形工艺锻造出了Sialon/Si₂N₂O纳米陶瓷齿轮，得到了试验过程的温度、电流、电压、位移等的变化曲线，以此为依据，采用MARC软件对Sialon/Si₂N₂O纳米陶瓷的SPS烧结过程和齿轮SPS超塑性锻造过程进行了有限元模拟，得到了烧结过程中坯料的温度、相对密度、等效应力等的分布规律。采用放电等离子烧结工艺，分别在1150℃保温7min、1240℃保温7min和1300℃保温3min的条件下烧结制备了Sialon/Si₂N₂O纳米陶瓷圆柱试样。依据试验得到的数据，在确定当量辐射系数变化曲线的基础上，采用MARC软件对烧结过程进行了模拟，得到了保温初始阶段和保温结束阶段粉末的温度、相对密度、等效应力等的分布规律。在保温初始阶段温度到达烧结所需温度时，此时温度分布差较大，粉末相对密度较小。在保温结束时，由于经过一段时间的保温，粉末温度分布均匀，温度差较小，粉末接近致密；烧结材料心部温度最高且最致密；SPS烧结升温速度越快，烧结电流越大，粉末的温度、相对密度、应力分布越不均匀；Sialon/Si₂N₂O纳米陶瓷烧结时等效应力小于10MPa。依据在1200℃条件下Sialon/Si₂N₂O纳米陶瓷齿轮超塑性锻造成形试验所得数据，对这一过程进行了仿真模拟。由于Sialon/Si₂N₂O纳米陶瓷材料的超低温超塑性，所以变形流动性好，整个齿顶表面的径向流动速度差距较小；齿轮温度分布规律与圆柱形试样烧结一致；齿轮中心部分相对密度较大，轮齿表面相对密度最小；最大的等效应力发生在齿根圆与齿形的交汇位置，该位置是材料变形过程中材料流入轮齿型腔的初始位置，轮齿的上下表面以及齿侧与模腔接触区域的等效应力也较大。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-24
  1.1 引言  10-11
  1.2 放电等离子烧结机理及应用  11-12
  1.3 放电等离子烧结模拟的研究现状  12-15
  1.4 纳米陶瓷超塑性  15-22
    1.4.1 纳米陶瓷超塑性技术  15-16
    1.4.2 陶瓷超塑性成形研究进展  16-20
    1.4.3 陶瓷超塑性成形模拟研究概况  20-22
  1.5 本课题的意义及主要研究内容  22-24
    1.5.1 课题研究的意义  22
    1.5.2 主要研究内容  22-24
第2章 Sialon/Si_2N_2O 陶瓷 SPS 烧结试验  24-31
  2.1 引言  24
  2.2 Sialon/Si_2N_2O 陶瓷烧结试验  24-30
    2.2.1 试验材料及烧结设备  24-26
    2.2.2 Sialon/Si_2N_2O 陶瓷烧结工艺  26-27
    2.2.3 烧结试验结果数据  27-30
  2.3 本章小结  30-31
第3章 Sialon/Si_2N_2O 陶瓷 SPS 烧结模拟  31-67
  3.1 引言  31
  3.2 MARC 有限元软件在粉末成形中的应用  31-32
  3.3 模拟温度分布结果  32-37
    3.3.1 建立有限元模型  32-33
    3.3.2 边界条件的加载  33-35
    3.3.3 确立辐射系数  35-37
  3.4 模拟温度分布结果  37-50
    3.4.1 模拟与试验温度比较  37-39
    3.4.2 保温初始时温度分布  39-45
    3.4.3 保温结束时温度分布  45-50
  3.5 粉末相对密度分布  50-57
    3.5.1 保温初始时粉末相对密度分布规律  50-53
    3.5.2 保温结束时粉末相对密度分布规律  53-57
  3.6 粉末等效应力分布规律  57-66
    3.6.1 烧结过程中粉末等效应力变化  57-59
    3.6.2 保温初始阶段粉末等效应力分布规律  59-62
    3.6.3 保温结束阶段粉末等效应力分布规律  62-66
  3.7 本章小结  66-67
第4章陶瓷齿轮 SPS 超塑性锻造热-电-力耦合分析  67-79
  4.1 引言  67
  4.2 Sialon-Si_2N_2O 陶瓷齿轮超塑性锻造试验  67-68
  4.3 Sialon-Si_2N_2O 陶瓷齿轮挤压成形数值模拟  68-77
    4.3.1 建立有限元模型  68-69
    4.3.2 边界条件的加载  69-71
    4.3.3 齿轮的成形过程  71-72
    4.3.4 Sialon/Si_2N_2O 陶瓷齿轮挤压成形时的温度分布  72-74
    4.3.5 Sialon/Si_2N_2O 陶瓷齿轮相对密度分布  74-76
    4.3.6 Sialon/Si_2N_2O 陶瓷齿轮等效应力分布  76-77
  4.4 本章小结  77-79
结论  79-81
参考文献  81-85
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  85-86
致谢  86-87
作者简介  87

Sialon/Si2N2O纳米陶瓷SPS烧结和超塑性成形热-电-力耦合分析

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