泡沫钛合金制备过程稀土掺杂机理及数值模拟

多孔泡沫钛及其合金融合了钛合金与泡沫金属的特性，能够减轻材料的重量而不削弱其强度，具有广阔的应用前景。本研究在多孔泡沫钛制备工艺中结合稀土元素掺杂，以期实现多孔钛合金泡沫壁细化晶粒、促进烧结、净化杂质的目的，研究稀土掺杂的影响机理，从而进一步提高泡沫钛的性能。采用X射线层析照相技术和三维图像重构软件是impleware，获得真实微观结构的三维图像；并在此基础上采用有限元数值模拟描述多孔材料的微观结构特征，并采用COMSOL多物理场耦合分析软件对泡沫化过程中的温度场、应力场、应变场进行数值模拟，对泡沫的形成演化进行精确模拟与仿真，并对泡沫材料的性能进行预测。通过对泡沫钛及其合金的制备工艺参数和理论研究，得到工艺-组织-性能之间的精确关系，为工艺的可控性和再现性提供依据，研究成果可进一步丰富泡沫金属制备的基础理论。

造孔剂技术是一种通过脱除钛粉中添加的临时材料来进行造孔制备泡沫钛的方法。该方法由于具有成本低、操作简单和泡沫结构和性能可自由调控等优点，成为了制备泡沫钛的常用方法。本项目系统研究了泡沫钛制备过程中掺杂稀土钕铝合金、稀土氧化物ER2O3、钒铁合金、原位生成碳化钛增强体等对泡沫钛结构、微观组织和力学性能的影响，结合实验结果对泡沫钛结构与性能采用COMSOL多物理场软件进行了模拟；项目研究的重点是针对造孔剂法制备泡沫材料时泡沫结构和性能的不可控，对造孔剂技术制备泡沫钛的结构和力学性能的预测进行了研究。分别考察了造孔剂的含量和粒度大小对孔隙率和力学性能的影响。初步探讨了孔隙率和力学性能的重复性，讨论了造孔剂脱除留下的宏观大孔在烧结过程的体积变化，并建立了孔隙率与造孔剂含量之间的关系。结果表明，无论是改变造孔剂的含量还是粒度大小，孔隙率都小于造孔剂含量；孔隙率具有重复性而力学性能的重复性差；证明得到宏观大孔在烧结过程发生体积收缩即它的体积变化是减小；证明得到孔隙率（P）与造孔剂含量（Sc）之间呈线性关系，即P=a*Sc+b。再结合经典的Gibson-Ashby模型方程，可建立起力学性能与造孔剂含量的数学关系。通过本项目的研究，实现了通过造孔剂含量来预测泡沫钛的孔隙率和力学性能，有利于加快泡沫钛的产业化进程。