Gasar多孔铜（合金）的气孔结构及其力学性能研究

【摘要】Gasar,也被称为金属-气体共晶定向凝固,是一种基于气体在金属固／液两相中的溶解度差而发展起来的制备多孔金属的新工艺。相比于烧结,发泡等传统方法制备的多孔金属,Gasar多孔金属由于其内部气孔呈圆柱形且沿凝固方向定向排列,使其除具有传统多孔金属小比重、高刚度、减震性能好等特点外,还具有自己特殊的综合性能优势,如优异的力学性能、热交换性能,因而其具有重要的潜在应用价值。结构参数是影响Gasar多孔金属性能的重要因素。为达到对多孔金属气孔结构的定量控制,以满足其在不同领域的应用背景,前期研究者开展了其各自的研究工作。但在现有的文献报道中,并未深入分析气泡生长的动力学(形核和长大)对Gasar气孔结构的影响机制；也未从金属-气体共晶定向凝固热力学基础理论分析的角度,建立起一个相对简易的气孔结构预测模型；同时缺少合金化对Gasar气孔结构影响的深入研究；此外,对多气孔结构参数复合作用下的Gasar多孔金属力学行为特征等方面的研究也较少。本文从Gasar多孔金属的制备方法出发,针对以上四个方面内容逐一展开研究。依托课题组自行开发研制的Gasar定向凝固装置,利用简单模铸法制备了不同结构参数的Gasar多孔Cu试样。根据(溶质)质量守恒定律,推导得出能准确预测多孔Cu气孔率的公式。此外,通过对气泡形核和长大过程的深入分析,明晰了气体压力及过热度等工艺参数对Gasar气孔结构的影响机制。在简单模铸法实验研究结果的基础上,为实现对Gasar多孔金属气孔结构的定量控制,通过连续铸造法制备得到不同拉速及气压下的多孔Cu试样。通过对金属-氢共晶定向凝固过程的热力学分析,建立了一个用来描述Gasar工艺中工艺参数对气孔直径及气孔间距影响的理论模型；并用该模型与连铸实验数据进行比较。结果表明,理论计算结果与相应实验结果总体吻合良好；低下拉速率下,气孔结构与模型假设理想结构的偏离,以及固/液界面附近的熔体对流,是造成理论计算值与实验值存在一定的偏差的主要原因。采用连续铸造法,拉制出横截面分别为Φ15mm和80×12mm的Gasar多孔Cu、Cu-Zn及Cu-Ni合金试样,并研究了合金元素含量对多孔Cu气孔结构和形貌的影响。结果表明：随Zn、Ni含量增加,固／液界面前沿“糊状区”宽度的增加,以及固／液界面凝固模式的改变(平面—胞状—柱状枝晶—等轴枝晶),是造成Gasar多孔合金气孔结构规则性和均匀性逐渐恶化的主要原因。在多气孔结构参数的复合作用下,研究了Gasar多孔Cu室温下的力学行为及各向异性性能。结果表明,气孔率及加载方向等结构参数是影响多孔金属力学性能的主要因素。
【作者】李再久；
【导师】周荣；
【作者基本信息】昆明理工大学，材料加工工程，2014，博士
【关键词】Gasar多孔Cu；简单模铸法；连续铸造法；气孔结构；糊状区；力学性能；

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