高压扭转制备多孔钛基复合材料的研究

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超细晶材料(Ultrafine-grained materials,UFG),具有很多优势,强度高,塑性好,力学性能和加工性能都优异,已经引起众多学者的广泛关注。块体超细晶材料可通过大塑性变形(Severe plastic deformation,SPD)方法制备,目前三种SPD方法应用较为广泛,分别为等径角挤压工艺、累积叠轧工艺以及高压扭转工艺,高压扭转(High Pressure Torsion,HPT)工艺操作简单,原理简单,被人们广泛应用。塑性变形的程度的大小对材料的性能影响至关重要,高压扭转中的摩擦系数,扭转角度和压力都会影响变形程度。由于大批量实验研究耗时耗力,且随着计算机发展,我们可以进行有限元仿真模拟研究部分替代实验分析,找出优化工艺,减少实验次数。钛及钛合金因为具有众多优势已经被人们广泛应用,为研究钛镁合金大塑性变形后应变规律以及变形后的应用,本文根据高压扭转三个影响参数设置不同的数值,通过DEFORM进行有限元模拟,分析等效应变的分布规律,坯料的厚度以及坯料的直径尺寸。经研究发现,高压扭转后,钛镁合金表层和中心层应变变化规律基本呈现英文字母“M”型走势,但是表层的“M”呈尖角分布,中间层的相对柔和,这也说明了,表层上相同应变分布在距离圆心的一圆周上,中间层上则集中在距离圆心的一环形带上。也进一步说明了表层和中间层的变形传递效果不均匀。在随着三个参数的数值不断变大,坯料应变也在增大,厚度不断减小,直径尺寸不断扩大。为了改善表层和中间层变形均匀性和传递效果,本文在传统HPT工艺基础上开发了三种不同HPT工艺:反复HPT(下模反复扭转)、同向异步HPT(上下模进行相同方向的扭转,扭转角速度不同)和异向同步HPT(上下模都进行扭转,但扭转方向不同)工艺。采用控制变量法,保证压力和扭转绝对角度相同,分析结果,总结规律,三种HPT工艺产生的应变基本规律与单向HPT相同,呈字母“M”型分布。反复HPT和同向异步HPT产生的应变较小低于单向HPT,异向同步HPT会产生高于单向HPT的应变,且传递效果好。为了验证模拟准确,在现有条件下,对单向高压扭转展开实验研究,分析变形后的坯料厚度,直径尺寸和硬度验证模拟所得规律。经过高压扭转后的试样晶粒尺寸会有明显改变,组织也会有所变化,在此基础上对高压扭转后的材料进行化学试剂腐蚀。近些年,多孔钛的兴起,使钛基复合材料在众多领域又有了新的发展,在本文中所述的钛基复合材料,由于钛基复合材料中有镁元素,对高压扭转后的钛基复合材料进行酸腐蚀,其中的镁会跟盐酸发生反应,材料中的镁被腐蚀掉,这样钛基复合材料就变成多孔钛基复合材料。多孔钛基复合材料在各个方面应用比较广泛,而且后续可以通过分析孔隙率研究其在医学领域的作用,多孔结构还有利于促进人体骨骼对营养物质的吸收。
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