Теоретические основы горячего компактирования порошков
В связи с процессами горячей деформации грубодисперсных порошков, и в частности распыленных порошков жаропрочных сплавов, возникает ряд общих вопросов, имеющих практическое значение. К их числу относятся устранение пористости, предсказание конечной формы компактного изделия (что особенно важно при ГИП), использование горячей деформации для осуществления термомеханической обработки материала.
Существующие модели механизмов деформации позволяют с достаточной точностью предсказывать конечную форму изделия и его пористость.
Основы теории горячего изостатического прессования. ГИП — это сложный процесс, в ходе которого совокупность отдельных слабо связанных между собой частиц порошка превращается в компактное твердое тело. Исходя из микроструктуры материала, процесс можно разделить на несколько стадий: перегруппировку частиц, сопровождаемую локальными разрушениями и пластической деформацией; превращение сети открытых поровых каналов в совокупность изолированных пор; сфероидизацию изолированных пор; закрытие сферических пор.
Движущими силами процесса на всех его стадиях служат поверхностное натяжение и приложенное внешнее давление (последнее обычно значительно превосходит силы поверхностного натяжения). При разных значениях давления и T в материале действуют различные механизмы уплотнения.
Наиболее просто процесс горячего прессования описывается с помощью модели, состоящей из двух сферических частиц, соединенных контактной зоной. Внешнее давление р передается от одной частицы к другой через контактное сечение, в котором при этом возникает некоторое эффективное напряжение. Зная величину эффективного напряжения, можно с достаточной точностью определить деформацию вблизи контактного сечения и скорость течения материала из зоны контакта на поверхность поры, приводящего к уплотнению. Модель двух сфер может быть использована для описания процесса уплотнения совокупности сферических частиц при условии, что характер упаковки частиц на всем протяжении процесса не меняется. На этом подходе основана модель горячего прессования, построенная Коблом для механизмов уплотнения, контролируемых диффузией. Для более высоких давлений, при которых уплотнение происходит за счет пластической деформации и высокотемпературной ползучести, Кассентис предложил закон компактирования, учитывающий упругую, пластическую и криповую компоненты деформации. Эта модель приводит к двум разным решениям — для начальной стадии компактирования порошка и заключительной стадии закрытия пор. Для устранения этого несоответствия было предложено промежуточное решение, с помощью которого осуществляют интерполяцию между двумя ветвями кривой уплотнения.
Стремясь преодолеть трудности, связанные с учетом геометрии упаковки частиц и изменения числа контактов на одну частицу, Гилман определял величину эффективного сечения и эффективное напряжение экспериментальным путем. Он установил простую зависимость между площадью контактного сечения и отношением пределов текучести материала в пористом и компактном состоянии. В процессе уплотнения площадь контактного сечения увеличивается и эффективное напряжение уменьшается. Определенная экспериментально кривая зависимости Аeff/А0 от D (где Aeff — площадь контактного сечения; A0 — площадь номинального поперечного сечения компактного образца, D — относительная плотность) автоматически учитывает перегруппировку частиц и образование новых контактов (рис. 3.18). Определив значения эффективного напряжения для порошков сплава Ti6A14V, Гилман и Гессингер получили законы изменения скорости деформации, которые должны быть применимы также и для порошков жаропрочных сплавов.
Фишмайстер усложнил модель, экспериментально определяя изменение числа контактов в расчете на одну частицу Z как функцию плотности D. Для диапазона значений плотности 0,64