简介概要

装粉方式对钛粉压制成形影响的数值模拟

来源期刊：中国有色金属学报2004年第8期

论文作者：欧阳鸿武何世文韦嘉刘咏

文章页码：1318 - 1323

关键词：钛粉; 粉末压制; 数值模拟; 装粉方式

Key words：titanium powder; powder compaction; numerical simulation; way of powder loading

摘要：用MSC.Marc软件模拟了3种不同装粉方式下钛粉压制成形过程中粉末的流动情况及压坯的密度分布规律。结果表明：粉末装粉方式对粉末压制过程及压坯密度有较大的影响，与平式装粉方式相比，采用凸式装粉, 试样的烧结坯密度提高了6%，孔隙分布的均匀性也得到相应的改善。

Abstract: With the aid of MSC.Marc Software, the numerical simulation of compaction on titanium powder loading in three different kinds of ways was carried out. The results show that the loading ways of powder greatly affect the density and porosity distribution, the sintered density of samples by the way of convex powder loading increases by 6% than that of flat way. The uniformity of porosity distribution has also been improved.

中国有色金属学报 2004,(08),1318-1323 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.08.011

装粉方式对钛粉压制成形影响的数值模拟

欧阳鸿武何世文韦嘉刘咏

中南大学粉末冶金国家重点实验室,中南大学粉末冶金国家重点实验室,中南大学粉末冶金国家重点实验室,中南大学粉末冶金国家重点实验室长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083

摘要：

用MSC.Marc软件模拟了3种不同装粉方式下钛粉压制成形过程中粉末的流动情况及压坯的密度分布规律。结果表明:粉末装粉方式对粉末压制过程及压坯密度有较大的影响,与平式装粉方式相比,采用凸式装粉,试样的烧结坯密度提高了6%,孔隙分布的均匀性也得到相应的改善。

关键词：

钛粉;粉末压制;数值模拟;装粉方式;

中图分类号： TF124

作者简介：欧阳鸿武(1964),男,教授,博士.:欧阳鸿武,电话:07318836264;E mail:hsw0530@sina.com;

收稿日期：2003-12-05

基金：国家高技术研究发展计划资助项目(2001AA332010);

Numerical simulation on influence of loading ways of powder on titanium powder compaction

Abstract：

With the aid of MSC.Marc Software, the numerical simulation of compaction on titanium powder loading in three different kinds of ways was carried out. The results show that the loading ways of powder greatly affect the density and porosity distribution, the sintered density of samples by the way of convex powder loading increases by 6% than that of flat way. The uniformity of porosity distribution has also been improved.

Keyword：

titanium powder; powder compaction; numerical simulation; way of powder loading;

Received： 2003-12-05

粉末冶金材料性能与其最终密度密切相关, 影响粉末冶金材料密度及均匀性的因素为压制和烧结过程的参数, 同时还受粉末充模状况及粉末迁移过程的影响。许多科研人员研究了粉末的压制和烧结过程 ^{[1,2,3,4,5,6]} , 但对装粉方式的研究较少。

装粉工艺直到目前才受到重视 ^[7] , 欧洲Modnet工程的研究已经证明它对最终的零件密度有复杂的影响。文献 [ 8] 对装粉时模腔内的粉末流动进行了系统研究, 并揭示了流动的复杂性以及颗粒运动与空气位移间的相互作用, 还提出了一些力学方面的基本见解, 用以改进装粉过程中的粉末流动。文献 [ 9] 通过空气动力学, 开发一个模腔内液态化基床来实现粉末流动。实践表明, 改进装粉均匀性显著提高了产品的最终压制质量。

数值模拟方法是公认的未来研究粉末压制行为最先进有效的手段, 已成为粉末冶金全行业研究的热点 ^[10,11] 。 MSC.Marc是著名的高级非线性有限元通用软件之一, 体现了30年来有限元分析的理论方法和软件实践的完美结合 ^[12] 。

本文作者使用MSC.Marc 2001软件对钛粉的单向压制过程进行数值模拟研究。其目的是探索装粉方式对压制过程的影响, 希望找到一种较理想的装粉方式, 促进压制过程中粉末的各向流动性, 获得更合理的密度分布, 进而制备出更高品质的钛制品。

1钛粉压制成形数值模拟过程

1.13种不同装粉方式对压制过程的数值模拟

利用Marc强大的功能, 选取的材料模型为Shima, 参量选择值如下: 模腔直径为10 mm, 填粉高度为15 mm, 填粉的初始相对密度为0.60, 摩擦因子为0.2, 压制终了高度为10 mm, 对钛粉(粒径小于75 μm)压制成形进行数值模拟。取圆柱体其中一个径向截面作为研究对象, 将问题简化为平面应力问题。设定平式装粉算例的几何模型和网格划分, 装粉高度为15.00 mm(图1(a)); 凸式装粉锥顶高度为16.25 mm, 锥底高度为13.75 mm(图1(b)); 凹式装粉锥顶高度为13.75 mm, 锥式高度为16.25 mm(图1(c))。

根据参量的设置, 将这次模拟设计为可以压制到接近全致密, 先不考虑压制压力, 这样我们就可以观察到钛粉由松装粉末到致密金属的全过程, 从而认识压制的全过程。图2～4所示为增量粉末第75、 175、 250步的径向流动、轴向流动及密度分布图, 每一步长为0.02 mm, 记录这些时刻的粉末流动状况和密度分布。在图片的左上方显示增量步数和工作时间, 它的下面是对照刻度尺, 底行列出了结果的名称。

Displacement x表示粉末径向流动, Displacement y表示粉末轴向流动, Relative density表示相对密度。因粉末径向流动是向x轴的两边, 为此刻度尺设定±符号, 表示粉末流动方向相反, 在图2(a)、 3(a)和4(a)中用不同灰度区分。

从图2(a)中粉末径向流动状况可以看出, 粉末表面呈凸式时粉末的径向流动量比粉末呈平式的径

向流动量大2～3个数量级, 如在中心轴附近, 平式的粉末流动数量级为e^-4, 而凸式的粉末流动数量级为e^-1, 且增大了粉末由中心向四周的流动。这样降低了粉末呈平式压制过程中靠近上模冲的粉末流动由四周向中心方向的趋势, 并减少密度差。从图2(b)可以看出, 模型的上部分粉末轴向流动存在差别, 即呈凸式的粉末流动相当大部分的数量级为e⁰, 而呈平式的粉末流动数量级为e^-1。从图2(c)可以看出, 呈凸式的模型密度在相当大部分数量级为6.533 e^-1, 而采用平式的下部分密度数量级为5.677 e^-1。其它计算步粉末的流动状况和密度分布也有类似的结果, 见图3和4。

1.23种不同程度凸式装粉方式压制过程的数值模拟

分析以上模拟结果可以发现, 凸式装粉模型的粉末流动尤其引人注目。无论轴向和径向, 粉末都发生了比平式装粉更显著的运动, 打破了平式装粉压坯粉末移动困难的局面。这种显著的粉末流动, 使压坯密度沿轴向均匀分布。以第175步增量(图3)为例, 粉末压坯的中心部分在相当的范围内保持了均匀的高密度, 其他部分的密度沿模具侧壁和底面呈梯度变化。

对凸式装粉展开进一步的数值模拟研究。改变锥顶的高度, 观察不同凸装程度对压制行为的影响, 以帮助找出具体何种程度的凸装方式可以得到更好的结果。图5左边模型编号为(a), 锥顶高度为15.1 mm, 高度差不明显; 中间模型编号(b), 锥顶高度为16.25 mm; 右边模型编号(c), 锥顶高度为17.5 mm。由于编号(c)的锥顶高度是一个假想值, 粉末的安息角也不一定能达到45°, 且这样的堆积状态也很不稳定, 因此, 本文作者将它当作一个极值进行参考。

将粉末增量第175和225步作为取样点, 并记录这些时刻粉末的流动状况和密度分布, 如图6和7所示。分析采用如图2～4的所示方法, 当锥顶高度为16.25 mm时, 粉末流动状况和密度分布比锥顶高度为15.1和17.5 cm的效果都好。

2 实验

为了进一步考察压制过程中粉末的流动状况, 对数值模拟的结果进行验证, 根据数值模拟的条件进行了平式和凸式两种装粉方式的压制实验。所用的两种粉末分别为钛粉(深色)和铝粉(浅色), 钛粉与铝粉分层错开装入直径为14 mm的圆柱型模具中。另外, 使用玻璃漏斗装入模具, 使之形成锥式堆积, 以实现凸式装粉, 压制力均为150 MPa。实验结果如图8所示。

图8所示为试样径向截面示意图。从图中可以看出, 与平装方式相比, 采用凸装粉方式时, 压坯的横截面弯曲变形更明显, 说明压制过程中, 粉末的轴向和径向运动强度明显高于平装方式。对比图3和图4中粉末的轴向和径向流动模拟结果, 发现实验结果与数值模拟的两种装粉方式下的压制结果

相一致。

图9所示为钛粉(粒径小于75 μm)采用平式装粉、凸式装粉经500 MPa压力压制、 1 250 ℃真空烧结3 h后, 试样的孔隙分布图。孔隙分布图试样取为径向截面。

从图可看出, 凸式装粉试样的孔隙度比平式装

粉的孔隙度小, 孔隙分布相对均匀; 而平式装粉孔隙形状不规则, 孔隙大且不均匀。试样的生坯密度分别为3.40 g/cm³和3.57 g/cm³, 采用凸式装粉试样的生坯密度比平式装粉试样的生坯密度增加5%。经排水法测定烧结坯密度分别为4.20 g/cm³ 和4.45 g/cm³, 采用凸式装粉试样密度比平装装粉试样密度增加6%。

3 结果与讨论

3.1 3种不同装粉方式的对比模拟

从计算过程中选择具有代表意义的取样点以说明装粉方式对压制过程的影响。从图2～4可观察到, 装粉方式对钛粉压制过程有明显的影响, 其主要差别在于压制过程中粉末的运动状况和强度不同。

3.1.1 粉末径向流动

由图2(a)、 3(a)和4(a)可见, 平式装粉模型中粉末只发生了细微的径向流动。靠近上模冲粉末的流动方向由四周向中心, 远离模冲粉末部分的流动方向由中心向四周, 都是从高密度区域到低密度区域流动。如果把密度差看作粉末流动的驱动力之一, 根据粉末成形力学理论分析, 这个驱动力不能形成较大粉末流动 ^[13,14] 。

从图2(a)、 3(a)和4(a)可以看出, 凸式模型的一大块区域自始至终发生了较大的径向流动, 方向是由中心向四周, 也是从高密度区域到低密度区域流动。凸式模型的几何结构改变了载荷的作用方式, 使载荷力对粉末径向移动起作用。与平式模型对比, 显然不同装粉方式的贡献值远大于密度差的贡献。环状体的中心部分即压坯的中心部分以及环状体外的部分径向流动较少。中心部分受力最大, 径向受力比轴向受力要小得多。环外部分则是由于受力较小且受阴模模壁阻力的缘故不能发生显著流动。

由于凸式逐渐被压平, 受力结构改变后, 粉末有重新向平式发展的趋势, 凸式模型径向位移的大小随着压制的进行, 先增加而后减少。

3.1.2 粉末轴向流动

如果没有模壁摩擦的影响, 平式粉末的轴向流动几乎是平行的。在模壁摩擦的影响下, 轴向流动的梯度边界成为从上到下逐渐平直的弧线。

由于受载荷作用方式的影响, 凸式模型发生了剧烈的轴向流动。图2(b)、 3(b)和4(b)表明, 凸式模型的轴向流动是由一点→锥顶→向外放射的, 梯

度边界就是一个个近圆形。从开始时, 这些圆的直径逐渐增大, 圆心又接着产生新的圆。直径增大的圆遇到模壁的阻力而停止增大, 且形状逐渐改变为沿模壁的近矩形。凸式轴向粉末流动发展也是先扬后抑式的。在压制后期, 流动形态向平式靠拢。此时, 平式的流动梯度也可以看作当梯度边界圆的直径增加到足够大时所形成的。

3.1.3 密度分布

平式模型的密度基本成平行底面的阶梯状, 为经典的密度分布图, 上下两个底面以及压坯内外有较大的密度差。这样分布的密度梯度造成沿轴向的力学性能不均匀, 对材料也是致命的。

凸式装粉压坯的中心部分在相当的范围内保持均匀的高密度, 其他部分的密度梯度边界沿模具侧壁和底面分布, 第175步增量粉末的分布最为显著, 如图3(c)所示。此时, 它的径向密度梯度也较小, 分布比平式装粉更均匀。

无论轴向和径向, 凸式模型的粉末都发生了比平式装粉更为显著的运动, 打破了平式装粉压坯粉末移动困难的局面。粉末材料在压制过程中, 小的横向流动是粉末成形的主要变形特征之一。这种显著的粉末流动, 最终导致了沿轴向均匀分布的压坯密度。

3.2 不同程度凸式装粉的对比模拟

在图6、 7中, 3个算例的凸起程度有所不同: (a) 最小, (b) 次之, (c) 最大。改变锥顶的高度, 观察不同凸装程度对压制行为的影响, 以找出具体何种程度的凸装方式可以得到更好的结果。

取采样点交第175步(图6)和225步(图7)的对比发现: (a) 模型凸起太小, 过早完成由凸式模型向平式模型发展的过程, 对粉末流动的贡献较小, 没有太大作用; (c) 模型凸起程度大, 对粉末流动的贡献也很大, 但是由凸式模型向平式模型发展的过程是压坯成“形”的必须过程, 且模型的发展过程又太慢了。共300步增量的计算过程运行到75%, 平均相对密度达到91%时还没成“形”, 因此, (c) 模型显然也是不合适的; (b)与(a)和(c)模型相比, (a)和(c) 模型的计算机都要好, 因为它更好的解决了成形性与粉末流动贡献的矛盾, 而(b)模型的凸起程度介于(a)和(c)模型之间, 避免了(a)和(c)模型的不足, 且综合了两者的优点, 获得了较好的压制密度。因此, 模型凸起的高低要恰当才能充分发挥凸式装粉的作用。