专利名称：一种块体粉末纳米晶材料快速致密化方法
技术领域：
本发明涉及粉末冶金技术，具体地说是一种块体粉末纳米晶材料快速致密化方法。
纳米材料在力学、光学、电学以及磁学等方面所表现出的独特性质，为世人瞩目。但块体粉末纳米材料的制备一直是个难题，制约了纳米材料的研究和应用。块体粉末纳米材料致密化手段包括热等静压、热压爆炸成型和烧结+变形加工等。综合纳米材料结晶学特性以及复杂形状块体粉末材料成型工艺性，目前对块体纳米材料致密化主要集中在前两者的研究上。热等静压是一种较为理想的致密化手段，它利用惰性气体作为压力介质，在加热条件下对粉体施压，粉体通过烧结，界面扩散反应等机制实现致密化。由于其加热加压机制的限制，尤其是因设备条件局限而不能设置实时测控装置，对于致密化过程不能实现有效控制，易使纳米晶急剧长大。例如在1999年第五届国际热等静压会议上，P.Weimer(P.Weimar andW.Krass，Densification of Nanosized Alumina Powders by Hot IsostaticPressing and Compaction in a High Pressure Belt Apparatus，Hot IsostaticPressing，Conference Preccedings，282-286，International，AcademicPublishes，(1999)Beijing)报道的实验结果颗粒度为60nm的Al2O3粉末，经过300MPa热等静压以后，虽然实现了全致密化，但晶粒度已经长大为1000nm。热压法也是一种粉末致密化的主要手段，在专用模具中粉体材料在加热的同时，受到机械压力作用，粉体通过烧结、界面扩散反应、以及粘性和塑性流动等多种机制实现致密化。日本H.Araki等(H.Araki，etal.，Consolidation of Mechanically Alloyed Al-10.7 at％ Ti Powder at LowTemperature and High Pressure of 2Gpa，Materials Trans.，JIM，36(1995)465-468)采用超高压热压技术，在1200吨压机上制备了直径为4mm的Al-Ti系纳米块体材料，热压压力达到2000-3000MPa，得到的块体材料晶粒度为12nm。可见热压法的特殊致密化机制可以抑制纳米晶的长大，但过高的压力要求是难以实际应用的。所述两种方法均存在不能有效控制致密化过程，造成晶粒粗大或对设备要求过高等工艺缺陷。
本发明的目的在于提供一种在适当温度下和尽可能低的压力下，实现在塑性和粘性流动机制下的快速致密化，抑制纳米晶长大的块体粉末纳米晶材料快速致密化方法。
为了实现上述目的，提出本发明的技术方案在热压过程中，加压的同时为粉体加热，控制其致密化过程以塑性和粘性流动为主导机制，实现快速致密化，抑制纳米晶长大；具体为设材料固相线温度为Ts，则加热温度T设为0.5～0.8Ts(绝对温度)，有效应力控制为实时测控到的屈服应力的1～2倍，当相对密度达到全致密要求后快速降温，当温度小于0.5Ts时自动卸压，取出样品，获得大块粉末纳米晶块体材料；所述加热温度、有效应力的控制是通过在真空热压装置中安装温度、功率、应力和应变传感器，并将信号经模数转换器接入计算机；由计算机热压测控程序，通过连接于热压装置和计算机之间的功率控制器和压力控制器，进行实时测控；所述热压测控程序具体流程为首先设定热压温度T设和终止热压应变速率u设；开始加热，读取实际热压温度值T，判断实际热压温度T是否大于等于设定热压温度T设，如果结果为大于等于值，则进行恒温操作，否则继续加热；在恒温控制的同时加压，读取实际应力值，再根据公式进行有效应变计算和应变测试，然后判断是否是屈服点，结果为肯定值时，则进行恒压控制，保持有效应力为实时测控到的屈服应力的1～2倍，否则继续增加压力；读取实际应变数据，进行应变速率计算，再判断应变速率u是否小于等于设定值u设，若是肯定结果，则停止加热，否则保持恒温恒压；停止加热后再判断加热温度是否小于等于0.5 Ts，若为小于等于的情况，则自动卸压，否则继续恒压降温状态，卸压之后测控程序结束，可以取出热压样品；所述全致密为通过控制应变速率在1×10-3/min.以下时样品的相对密度。
本发明的工作原理是研究发现，粉末体材料在应力和温度作用下存在屈服现象，即在一定应力条件下尽管应力不变，但应变显著增加并导致粉末体致密化的现象，控制在此条件下热压，将实现以塑性和粘性流动为主导机制的致密化行为，一方面加快了致密化过程，在时间因素上抑制晶粒长大，一方面通过变形、破碎乃至再结晶进一步抑制晶粒长大，并可能细化晶粒。本发明应用了计算机实时测控技术，实时分析粉末材料的屈服点，并且控制在屈服条件下，以塑性和粘性流动为致密化过程的主导机制，实现快速致密化和抑制纳米晶长大。本发明在屈服条件下要求的致密化应力较小，所以降低了对设备的要求。
本发明具有如下优点1.本发明在纳米粉末致密化过程中，在适当温度下以尽可能低的压力，以塑性和粘性流动为主导机制，有效地控制纳米晶长大，实现快速致密化。
2.本发明应用计算机实时测控热压技术，可以准确分析致密化行为，有效控制致密化过程。
3.在常规设备和工艺条件下，实现纳米粉末材料的致密化，工艺简单实用，对设备要求不高。
图1为本发明热压测控程序流程图。
图2为本发明实施例1粉末纳米晶Ag-Ni的屈服曲线。
图3为本发明实施例1粉末纳米晶Ag-Ni的致密化曲线。
图4为本发明实施例1块体粉末纳米晶Ag-Ni的纳米晶粒度。
下面结合附图和实施例详述本发明。
实施例1块体粉末纳米晶Ag-Ni合金的制备应用真空热压和计算机测控技术制备致密的块体Ag-Ni合金，本实施例Ag-Ni粉末的晶粒度为6nm，热压过程显示的参数为压力为50～65MPa(相当于有效应力为屈服应力的1.0倍)，温度500℃(相当于0.6Ts)，保温时间10分钟，得到直径为20mm全致密的块体材料；所述全致密为通过控制应变速率在1×10-3/min.以下时样品的相对致密度。
所述热压测控程序具体流程为首先设定热压温度T设和终止热压应变速率u设，设终止热压应变速率u设为5×10-4/min；开始加热，读取实际热压温度值T，判断实际热压温度T是否大于等于设定热压温度T设，如果结果为大于等于值，则进行恒温操作，否则继续加热；在恒温控制的同时加压，读取实际应力值，再根据公式进行有效应变计算和应变测试，然后判断是否是屈服点，结果为肯定值时，则进行恒压控制，保持有效应力为实时测控到的屈服应力的1～2倍，否则继续增加压力；读取实际应变数据，进行应变速率计算，再判断应变速率u是否小于等于终止热压应变速率设定值u设，若是肯定结果，则停止加热，否则保持恒温恒压；停止加热后再判断加热温度是否小于等于0.5Ts，若为小于等于的情况，则自动卸压，否则继续恒压降温状态。卸压之后测控程序结束，可以取出热压样品。
在热压过程中，信号传感器将温度，加热功率，应力应变等信息传输给模数转换器，模数转换器将获得的模拟量转换为相应数字量给计算机，根据材料的固相线温度预先选择热压温度T设，并经热压测控程序进行设定，当实际加热温度达到设定温度时，给出触发信号并经功率控制器调整加热功率控制温度，保持恒温；并且计算机根据应力应变数据计算屈服点，经压力控制器调整压力，进行恒压控制，使有效应力保持在屈服应力的1～2倍范围内；同时根据获得的应变数据，计算应变速率，当应变速率小于或等于5×10-4/min时，停止加热，自动降温；当加热温度小于0.5Ts时自动卸压。
如图2所示，为本发明实施例1粉末纳米晶Ag-Ni的屈服曲线。以麦克朗(McClelld)、克贝尔(Coble)、瓦西洛斯(Vasilos)三种模型测试屈服曲线，所述曲线说明当该材料有效应力小于30MPa时，随应力增加粉体致密度的增加主要以颗粒重排机制为主，只能达到50～70％相对密度，所以出现平台；当应力大于50MPa时，粉体出现屈服现象，致密度急剧增加。在此时由程序控制实施热压，将实现以塑性和粘性流动为主导机制的快速致密化。
如图3所示，为本发明实施例1粉末纳米晶Ag-Ni的致密化曲线。表明在短短2分钟内就接近达到全致密化。
如图4所示，块体粉末纳米晶Ag-Ni的晶粒度采用X光和透射电镜分析，采用不同展宽计算方法、不同晶面测试，根据物理宽化曲线算出晶粒尺寸L，晶粒度为40～60nm。
实施例2块体粉末纳米晶Cu-Cr合金的制备应用真空热压和计算机测控技术制备致密的块体粉末纳米晶Cu-Cr合金，Cu-Cr合金粉末晶粒度为10nm，热压压力为55～75MPa(相当于有效应力为屈服应力的1.7倍)，温度为800℃(相当于0.8Ts)，保温时间10分钟，所述全致密为通过控制应变速率在1×10-3/min.以下时样品的相对致密度，得到直径为20mm全致密的块体材料，晶粒度为100nm。
在热压装置中安装温度、功率、应力和应变传感器，并将信号经模数转换器接入计算机；由计算机热压测控程序，通过连接于热压装置和计算机之间的功率控制器和应力控制器进行实时测控，在加压的同时为粉体加热，有效控制其致密化过程以塑性和粘性流动为主导机制，实现快速致密化，有效抑制纳米晶长大；设材料固相线温度为Ts，则加热温度为0.8Ts(绝对温度)，有效应力控制为实时测控到的屈服应力的1.7倍，当相对密度达到全致密要求后快速降温，当温度小于0.5Ts时自动卸压，取出样品，获得大块粉末纳米晶块体材料；所述热压测控程序具体流程为首先设定热压温度T设和终止热压应变速率u设，设终止热压应变速率u设为5×10-3/min；开始加热，读取实际热压温度值T，判断实际热压温度T是否大于等于设定热压温度T设，如果结果为大于等于值，则进行恒温操作，否则继续加热；在恒温控制的同时加压，读取实际应力值，再根据公式进行有效应变计算和应变测试，然后判断是否是屈服点，结果为肯定值时，则进行恒压控制，保持有效应力为实时测控到的屈服应力的1～2倍，否则继续增加压力；读取实际应变数据，进行应变速率计算，再判断应变速率u是否小于等于终止热压应变速率设定值u设，若是肯定结果，则停止加热，否则保持恒温恒压；停止加热后再判断加热温度是否小于等于0.5 Ts，若为小于等于的情况，则自动卸压，否则继续恒压降温状态。卸压之后测控程序结束，可以取出热压样品。
本发明涉及电路部分为现有技术。
权利要求
1.一种块体粉末纳米晶材料快速致密化方法，其特征在于在热压过程中，加压的同时为粉体加热，控制其致密化过程以塑性和粘性流动为主导机制，实现快速致密化，抑制纳米晶长大；具体为设材料固相线温度为Ts，则加热温度T设为0.5～0.8Ts(绝对温度)，有效应力控制为实时测控到的屈服应力的1～2倍，当相对致密度达到全致密要求后快速降温，当温度小于0.5Ts时自动卸压，取出样品，获得大块粉末纳米晶块体材料。
2.按照权利要求1所述块体粉末纳米晶材料快速致密化方法，其特征在于所述加热温度、有效应力的控制是通过在真空热压装置中安装温度、功率、应力和应变传感器，并将信号经模数转换器接入计算机；由计算机热压测控程序，通过连接于热压装置和计算机之间的功率控制器和压力控制器，进行实时测控；所述热压测控程序具体流程为首先设定热压温度T设和终止热压应变速率u设；开始加热，读取实际热压温度值T，判断实际热压温度T是否大于等于设定热压温度T设，如果结果为大于等于值，则进行恒温操作，否则继续加热；在恒温控制的同时加压，读取实际应力值，再根据公式进行有效应变计算和应变测试，然后判断是否是屈服点，结果为肯定值时，则进行恒压控制，保持有效应力为实时测控到的屈服应力的1～2倍，否则继续增加压力；读取实际应变数据，进行应变速率计算，再判断应变速率u是否小于等于设定值，若是肯定结果，则停止加热，否则保持恒温恒压；停止加热后再判断加热温度是否小于等于0.5Ts，若为小于等于的情况，则自动卸压，否则继续恒压降温状态，卸压之后测控程序结束，可以取出热压样品。
3.按照权利要求1所述块体粉末纳米晶材料快速致密化方法，其特征在于所述全致密为通过控制应变速率在1×10-3/min.以下时样品的相对致密度。
全文摘要
一种块体粉末纳米晶材料快速致密化方法，在热压过程中，加压的同时为粉体加热，控制其致密化过程以塑性和粘性流动为主导机制，实现快速致密化，抑制纳米晶长大；具体为设材料固相线温度为T
文档编号B22F3/14GK1392275SQ0111407
公开日2003年1月22日 申请日期2001年6月15日 优先权日2001年6月15日
发明者王崇琳, 赵越, 姜文彬, 郑启, 孙晓峰, 吴维, 管恒荣 申请人:中国科学院金属研究所