柯肯达尔效应和锰升华协同制备高锰铝多孔钢的机理及其压缩性能研究

The porousness of the high strength steels with both high manganese (Mn) and aluminum (Al) concentration takes combined advantages of the excellent performance of the porous structure and the high strength steels，which is an essential way to obtain lightweight materials for automobile. To date, developing pore-forming techniques with combined low cost, high efficiency and compatible pore-forming materials to the steel matrix, is the direction and difficulty in preparing porous steels for automobile. Thus, an ‘in-situ two-step pore-forming process in vacuum sintering (ITPVS)’ technique in this project is proposed to produce porous steels with both high Mn and Al content. The ITPVS technique utilizes together the open pores formed due to Kirkendall effect caused by the diffusion among the intrinsic components in the steel matrix and the subsequent sublimation of Mn in the open pores, to obtain porous steels with high Mn and Al content. The formation mechanism of the open pores at low-temperature stage is studied by investigating the diffusion among different components and the evolution of the phase, microstructure and pore structure in the powder compacts. The mechanism of the pore formation caused by Mn sublimation is revealed by probing both the atomic migration mechanism on the gas-solid interface of the open pore walls due to the sublimation of Mn, and the effect of the existing state of Mn in the compacts on the sublimation of Mn during sintering. The plastic deformation mechanism of the sintered porous steels is revealed by investigating the microstructure and pore structure dependence of the compressive performance of the porous steels under different heat treatments. Consequently, porous steels of high Mn and Al content combined with high strength and excellent energy absorption capacity will be prepared.

推动高锰铝高强钢的多孔化能够协同发挥多孔结构和高强钢各自的性能优势,是实现汽车轻量化的重要措施。发展兼有高效、低成本及造孔材料与钢基体兼容的造孔技术是车用多孔钢制备的方向和难点。为此，本项目提出真空烧结原位两步造孔的方法，以高锰铝铁基粉末体系的固有组元为造孔材料，利用柯肯达尔效应产生的开孔隙和锰在开孔隙中的升华效应协同高效造孔，实现了高锰铝多孔钢的制备。通过研究异种组元之间在低温烧结阶段的互扩散行为、物相结构、显微组织以及孔结构的演变，揭示低温烧结阶段开孔隙的形成机制；研究锰升华作用下的开孔隙固-气界面固体侧原子的迁移机制以及开孔隙率和锰组元的存在状态对锰升华速率的影响，揭示锰的升华造孔机制；研究不同热处理工艺时高锰铝多孔钢的显微组织和孔结构对其压缩性能的影响，揭示高锰铝多孔钢的塑性变形机制，制备出兼有高强度和优良能量吸收能力的结构功能一体化高锰铝多孔钢。

本项目创新性地设计了一种不添加外加造孔剂的高效造孔方法，即利用钢基体的固有元素造孔，通过低温阶段（铝的熔点附近温度）元素粉末间的扩散/反应产生的开孔隙以及高温阶段（800℃~1300℃）锰在开孔隙中的升华效应高效协同造孔，获得了兼有孔隙分布均匀和高孔隙率的高锰铝多孔钢。为了优化真空烧结原位造孔方法，本项目重点围绕低温预烧结阶段的开孔隙形成机制以及高温最终烧结阶段锰升华造孔机制进行攻关。通过分析其物相结构、显微组织以及孔结构的演变，发现低温阶段的开孔隙生成主要是以铝为主导，依靠铝与铁、锰等元素的扩散/反应来实现，随着扩散/反应的不断进行，铝组元不断被消耗，在原来铝颗粒占据的位置不断形成新孔洞。此外，我们通过对高温烧结阶段微结构演化的系统分析，发现锰的升华与其在不同温度下的饱和蒸气压密切相关，随着温度的升高，锰饱和蒸气压不断升高，导致开孔隙固-气界面固体侧的锰含量的减少，在开孔隙界面产生大量的空位，有效促进了锰的升华。烧结坯存在锰的升华区，锰含量从烧结坯的表面向中心逐渐增加，并趋于稳定。与此同时，通过对高锰铝多孔钢压缩性能进行实验和仿真分析，发现多孔钢的压缩性能受钢基体的显微组织及其孔结构的双重制约。综上所述，本项目的研究成果不仅为优化高锰铝多孔钢的孔隙结构和力学性能提供了重要的实验和理论支持，而且在丰富多孔钢造孔方法等方面具有重要的理论价值，能够有力地推动结构的轻量化和节能减排，在汽车/高速铁路车身材料领域拥有广阔的应用前景。