粉末冶金钛基结构材料 -中南大学出版社

粉末冶金钛基结构材料

【作者】：刘咏
【出版时间】：2012-05
【字数】：496（千字）
【定价】：￥115.00（元）
【出版社】：中南大学出版社
【ISBN】：978-7-5487-0513-0
【页码】：（页）
【开本】：16开

该书主要针对粉末冶金方法制备的钛合金和钛铝金属间化合物, 结合作者所在团队多年来在国家重大科研项目资助下积累的研究成果, 详细阐述了各种钛基结构材料的制备方法、显微组织演化和力学性能研究中的物理冶金学原理, 运用数值模拟和物理模拟方法着重介绍了材料的热变形行为及机理; 同时结合工程应用, 介绍了汽车用粉末冶金钛基复合材料连杆和发动机气门的研发过程; 在钛铝合金的应用方面, 则主要介绍了大尺寸热锻坯的制备, 同时也介绍了钛铝合金板材制备工艺。该著作适合于高年级材料学科本科生、研究生以及工程技术研究人员作为参考资料。

第1章钛基结构材料简介 1

1.1 钛合金概述 1

1.1.1 钛的冶炼 1

1.1.2 钛合金的熔炼技术 7

1.1.3 钛合金的分类及合金化 9

1.1.4 钛合金的应用 13

1.1.5 低成本钛合金 20

1.2 钛基复合材料 23

1.2.1 概况 23

1.2.2 原位生成颗粒增强钛基复合材料 24

1.2.3 钛基复合材料的应用 32

1.3 钛铝基金属间化合物 33

1.3.1 相与相变 34

1.3.2 显微组织 35

1.3.3 TiAl基合金的制备工艺 36

1.3.4 力学性能 38

参考文献 43

第2章钛的粉末冶金制备工艺 45

2.1 钛粉末制备方法 45

2.1.1 氢化脱氢技术 46

2.1.2 等离子旋转电极雾化技术 47

2.1.3 气雾化技术 50

2.2 粉末冶金钛合金致密化技术 57

2.2.1 粉末钛合金的强化烧结 57

2.2.2 粉末钛合金快速成形技术 59

参考文献 82

第3章粉末冶金钛合金 83

3.1 合金成分设计 83

3.1.1 合金元素Al 83

3.1.2 合金元素Fe 85

3.1.3 合金元素Mo 92

3.1.4 Mo对粉末钛合金显微组织和力学性能的影响 95

3.1.5 合金元素Fe、 Mo、 Al的综合作用 96

3.2 稀土元素的作用 97

3.2.1 稀土Nd的作用 98

3.2.2 稀土La的作用 115

3.2.3 稀土Y的作用 128

参考文献 144

第4章粉末冶金钛基复合材料 145

4.1 添加TiB₂制备钛基复合材料 145

4.2 添加B₄C制备钛基复合材料 146

4.3 添加Cr₂C₃制备钛基复合材料 148

4.4 添加VC和Mo₂C制备钛基复合材料 153

4.4.1 反应机理 153

4.4.2 变形组织 161

4.4.3 力学性能 164

4.4.4 抗氧化性能 171

4.4.5 摩擦磨损行为 181

参考文献 189

第5章粉末冶金钛合金及钛基复合材料热变形行为 190

5.1 热加工原理 190

5.1.1 金属材料热加工的研究概述 190

5.1.2 热塑性加工过程的力学行为分析 190

5.1.3 热变形机制 191

5.1.4 热变形模型 194

5.2 粉末冶金钛合金的热变形 199

5.2.1 高温压缩试验 199

5.2.2 变形行为 201

5.2.3 热加工图及变形机理 204

5.2.4 变形机理 207

5.3 粉末冶金钛基复合材料的热变形行为 210

5.3.1 热变形行为 211

5.3.2 加工图的建立 213

参考文献 220

第6章粉末冶金钛合金及钛基复合材料零部件成形 221

6.1 数值模拟技术 221

6.2 粉末冶金钛合金连杆的成形 222

6.2.1 塑性变形的本构方程 222

6.2.2 有限元模型建立 225

6.2.3 模拟结果 226

6.2.4 锻造工艺优化 229

6.2.5 连杆的锻造试验 240

6.3 粉末冶金钛基复合材料气门 246

6.4 粉末冶金钛合金发动机气门座 250

第7章粉末冶金钛铝基合金变形行为 253

7.1 合金成分设计 253

7.1.1 显微组织 254

7.1.2 变形行为 263

7.1.3 组织演化 270

7.1.4 热加工图 277

7.2 Ti-45Al-7Nb-0.4W合金变形行为 281

7.2.1 元素粉末方法制备TiAl合金的变形行为 281

7.2.2 变形行为 286

7.2.3 铸态Ti-45Al-7Nb-0.4W-0.15B合金的变形行为 289

7.2.4 热变形激活能与工艺的关系 296

7.3 准等静压工艺制备钛铝基合金变形行为 300

7.4 热等静压制备Ti-47Al-2Cr合金变形行为 308

7.4.1 粉末冶金Ti-47Al-2Cr-0.2Mo合金 308

7.4.2 铸态Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.3W 315

7.5 粉末冶金钛铝基合金的包套锻造变形行为 322

7.5.1 数学模型 322

7.5.2 模拟前处理 324

7.5.3 锻造参数的选择 326

7.5.4 包套锻造模拟结果 328

7.5.5 包覆锻造模拟 332

7.5.6 包覆锻造试验 333

7.5.7 现场试验 346

7.5.8 锻后热处理 353

7.6 粉末冶金钛铝基合金的力学性能 356

7.7 粉末冶金钛铝基合金板材的轧制 369

7.7.1 高温较高速率热压缩模拟 369

7.7.2 高温压缩数值模拟 377

7.7.3 热轧制行为 381

参考文献 389

钛及钛合金作为一种优质轻型金属结构材料和重要的功能材料, 因其密度小, 比强度、比刚度高, 抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能好等特点, 近年来, 在航空航天领域、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛, 在汽车、医疗、化工和能源等行业也有着巨大的应用潜力, 因此, 也被称为“正在崛起的第三金属”和“21世纪金属”。

粉末冶金法是利用金属粉末作为原料, 通过压制成形和烧结的方法, 制备具有一定强度的致密或多孔金属块体的方法。该方法能够低成本生产近净成形零部件, 而且材料的化学和组织均匀性好, 力学性能优良。因此, 粉末冶金方法在钛合金材料及零部件制备方面得到了广泛的应用。

本书主要结合钛合金、钛基复合材料以及钛铝金属间化合物, 重点介绍采用粉末冶金方法制备的工艺过程, 显微组织演化、力学性能研究中的物理冶金原理; 同时通过数值模拟和物理模拟相结合的方法, 研究材料的热变形行为以及在汽车用连杆、发动机气门、大尺寸的热锻坯和板材方面的应用。

第1章概述了钛合金、钛基复合材料以及钛铝金属间化合物的发展、成分、组织、基本性能和主要应用; 第2章介绍了钛合金的粉末冶金工艺, 包括粉末的制备、各种致密化工艺, 如激光快速成型、电子束快速成型等; 第3章介绍了著者在粉末冶金钛合金方面的研究工作, 包括成分的设计和添加稀土组元提高力学性能; 第4章介绍了著者在粉末冶金钛基复合材料方面的工作, 主要是添加不同的颗粒原位形成TiC相, 同时对基体进行合金化; 第5章根据热加工图的原理, 系统研究粉末冶金钛基复合材料的热变形行为和组织演化规律; 第6章则是在前述工作基础上详细介绍了粉末冶金钛基复合材料连杆和汽车发动机气门的制备及工程化应用; 第7章主要是介绍各种方法制备的多种成分钛铝金属间化合物的组织演化和热变形行为, 最后还详细介绍了钛铝合金大热锻坯和板材的制备工艺过程。

本书的撰写得到了诸多同事和学生大力支持, 袁铁锤教授撰写了钛冶炼一节, 刘海彦参与了氢化脱氢钛粉及钛合金致密化章节, 黄瑜参与了球形钛粉制备及激光成形部分, 杨鑫参与了电子束成形部分章节, 韦伟峰、陈丽芳、刘彦斌、丘敬文、王斌、王玉林参与了粉末钛合金及钛基复合材料研究及内容撰写, 李慧中、刘彬、张伟、王辉、王丽、杨广宇、王岩参与了钛铝合金制备、热加工研究及相关内容撰写。刘彬博士对全书进行了通读和校阅。在此表示衷心的感谢。研究和撰写过程中, 还得到许多其他同行和同学的帮助, 也深表感谢。

该著作所涉及的研究工作多年来得到了国家重大科学研究计划(973)、国家高技术新材料计划(863)、国家科技部支撑计划等重大课题的资助, 在此谨表谢忱。

著者

2010年10月

作者简介

刘咏, 1973年4月出生, 博士, 教授, 博士研究生导师。现为中南大学粉末冶金研究院副院长。2002—2004年在中南大学-自贡硬质合金公司联合企业博士后流动站工作, 从事梯度结构硬质合金的研发; 2005—2006年在美国橡树岭国家实验室和田纳西大学访问研究; 2009年获得德国“洪堡”奖学金, 在亚琛工业大学进行访问研究; 2004年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。

长期从事与粉末冶金相关的新材料、新技术和基础理论研究, 在复合材料、金属间化合物、金属陶瓷材料、粉末冶金技术等方面做了大量工作, 先后承担和参加了10余项国家级科研项目。目前已在国内外发表学术论文70余篇, 获得省部级科技进步奖3项。

汤慧萍, 博士, 西北有色金属研究院教授、博士研究生导师, 国务院特殊津贴专家。主要从事稀有金属粉末冶金及金属多孔材料方面的研究与开发。主持或参加国家级科研项目20余项, 获省部级以上科技奖12项, 授权发明专利11项, 发表学术论文122篇。将部分成果进行转化, 成功应用于我国洁净煤、核能、航天等领域, 促进了相关行业的技术进步。

中国有色金属学会粉末冶金与金属陶瓷学术委员会副主任委员, 中国机械工程学会粉末冶金专业委员会副主任委员, 中国钢铁协会粉末冶金分会副理事长, 中国材料研究学会青年委员会常务理事。《中国钼业》、《粉末冶金技术》杂志编委。

当今有色金属已成为决定一个国家经济、科学技术、国防建设等发展的重要物质基础, 是提升国家综合实力和保障国家安全的关键性战略资源。作为有色金属生产第一大国, 我国在有色金属研究领域, 特别是在复杂低品位有色金属资源的开发与利用上取得了长足进展。

我国有色金属工业近30年来发展迅速, 产量连年来居世界首位, 有色金属科技在国民经济建设和现代化国防建设中发挥着越来越重要的作用。与此同时, 有色金属资源短缺与国民经济发展需求之间的矛盾也日益突出, 对国外资源的依赖程度逐年增加, 严重影响我国国民经济的健康发展。

随着经济的发展, 已探明的优质矿产资源接近枯竭, 不仅使我国面临有色金属材料总量供应严重短缺的危机, 而且因为“难探、难采、难选、难冶”的复杂低品位矿石资源或二次资源逐步成为主体原料后, 对传统的地质、采矿、选矿、冶金、材料、加工、环境等科学技术提出了巨大挑战。资源的低质化将会使我国有色金属工业及相关产业面临生存竞争的危机。我国有色金属工业的发展迫切需要适应我国资源特点的新理论、新技术。系统完整、水平领先和相互融合的有色金属科技图书的出版, 对于提高我国有色金属工业的自主创新能力, 促进高效、低耗、无污染、综合利用有色金属资源的新理论与新技术的应用, 确保我国有色金属产业的可持续发展, 具有重大的推动作用。

作为国家出版基金资助的国家重大出版项目, 《有色金属理论与技术前沿丛书》计划出版100种图书, 涵盖材料、冶金、矿业、地学和机电等学科。丛书的作者荟萃了有色金属研究领域的院士、国家重大科研计划项目的首席科学家、长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、全国优秀博士论文奖获得者、国家重大人才计划入选者、有色金属大型研究院所及骨干企业的顶尖专家。

国家出版基金由国家设立, 用于鼓励和支持优秀公益性出版项目, 代表我国学术出版的最高水平。《有色金属理论与技术前沿丛书》瞄准有色金属研究发展前沿, 把握国内外有色金属学科的最新动态, 全面、及时、准确地反映有色金属科学与工程技术方面的新理论、新技术和新应用, 发掘与采集极富价值的研究成果, 具有很高的学术价值。

中南大学出版社长期倾力服务有色金属的图书出版, 在《有色金属理论与技术前沿丛书》的策划与出版过程中做了大量极富成效的工作, 大力推动了我国有色金属行业优秀科技著作的出版, 对高等院校、研究院所及大中型企业的有色金属学科人才培养具有直接而重大的促进作用。

王淀佐

2010年12月