粉末冶金燒結(jié)技術(shù)的研究進(jìn)展

1、總第 56期第 4期貴陽(yáng)金筑大學(xué)學(xué)報(bào)2004年 12月粉末冶金燒結(jié)技術(shù)的研究進(jìn)展林 蕓(西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710049摘 要 :燒結(jié)作為粉末冶金最重要的一個(gè)工藝環(huán)節(jié)一直以來(lái)是人們研究的重點(diǎn) , 研究進(jìn)展 , 以體現(xiàn)燒結(jié)在粉末冶金中的重要地位 , 推進(jìn)新材料制備技術(shù)的發(fā)展 。關(guān)鍵詞 :粉末冶金 燒結(jié) 新技術(shù) 中圖分類號(hào) :TF124 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B 0106-0108 復(fù)合化 、 高性能化 、 功能化 、 方向發(fā)展 , 求 。 , , 小型化 、 自動(dòng)化 、 精密化 、 省能 源 、 無(wú)污染的材料制備方法成為人們追求的目標(biāo) ?，F(xiàn) 代粉末冶金技術(shù)由于其少切屑 、 無(wú)切屑及近凈

2、成形的 工藝特點(diǎn) , 在新材料的制備中發(fā)揮了越來(lái)越大的作 用 。 它的低耗 、 節(jié)能 、 節(jié)材 , 易控制產(chǎn)品孔隙度 , 易實(shí) 現(xiàn)金屬 -非金屬?gòu)?fù)合 , 金屬 -高分子復(fù)合等特點(diǎn)使其 成為制取各種高性能結(jié)構(gòu)材料 、 特種功能材料和極限 條件下工作材料的有效途徑 1, 受到了人們的廣泛關(guān) 注 。從現(xiàn)代復(fù)合材料技術(shù)的理論來(lái)看 , 粉末冶金復(fù)合 技術(shù)從微觀上改變了單一材料的性能 , 依靠擴(kuò)散流動(dòng) 使物質(zhì)發(fā)生遷移 , 同時(shí)原材料的晶體組織發(fā)生變化 , 最終 “ 優(yōu)育” 出高性能的復(fù)合材料 。而燒結(jié)作為粉末 冶金生產(chǎn)過(guò)程中最重要的工序 , 一直以來(lái)是人們研究 的重點(diǎn) , 各種促進(jìn)燒結(jié)的方法不斷涌現(xiàn) ,

3、對(duì)改進(jìn)燒結(jié) 工藝 , 提高粉末冶金制品的力學(xué)性能 , 降低物質(zhì)與能 源消耗 , 起了積極的作用 。 本文簡(jiǎn)單介紹近幾年出現(xiàn) 的幾種燒結(jié)新技術(shù) , 以期反映粉末冶金在高技術(shù)領(lǐng)域 所起的重要作用 。1、 放電等離子體燒結(jié) (Spark Plasma Sintering,放電等離子體燒結(jié) (SPS 也稱作等離子體活化燒結(jié) (Plasma Activated Sintering ,PAS 或脈沖電流熱 壓燒結(jié) (Pulse Current Pressure Sintering , 是自 90年 代以來(lái)國(guó)外開(kāi)始研究的一種快速燒結(jié)新工藝 2。由 于它融等離子體活化 、 熱壓 、 電阻加熱為一體 , 具有燒

4、 結(jié)時(shí)間短 、 溫度控制準(zhǔn)確 、 易自動(dòng)化 、 燒結(jié)樣品顆粒均 勻 、 致密度高等優(yōu)點(diǎn) , 僅在幾分鐘之內(nèi)就使燒結(jié)產(chǎn)品 的相對(duì)理論密度接近 100%, 而且能抑制樣品顆粒的 長(zhǎng)大 , 提高材料的各種性能 , 因而在材料處理過(guò)程中 充分顯示了優(yōu)越性 。將瞬間 、 斷續(xù) 、 高能脈沖電流通入裝有粉末的模 具上 , 在粉末顆粒間即可產(chǎn)生等離子放電 , 由于等離 子體是一種高活性離子化的電導(dǎo)氣體 , 因此 , 等離子 體能迅速消除粉末顆粒表面吸附的雜質(zhì)和氣體 , 并加 快物質(zhì)高速度的擴(kuò)散和遷移 , 導(dǎo)致粉末的凈化 、 活化 、 均化等效應(yīng) 。 第三代 SPS 設(shè)備采用的是開(kāi)關(guān)直流脈 沖電源 , 在 5

5、0Hz 供電電源下 , 發(fā)生一個(gè)脈沖的時(shí)間 為 312ms , 由于強(qiáng)脈沖電流加在粉末顆粒間 , 即可產(chǎn) 生諸多有利于快速燒結(jié)的效應(yīng) 。首先 , 由于脈沖放 電產(chǎn)生的放電沖擊波以及電子 、 離子在電場(chǎng)中反方向 的高速流動(dòng) , 可使粉末吸附的氣體逸散 , 粉末表面的 起始氧化膜在一定程度上可被擊穿 , 使粉末得以凈 化 、 活化 ; 其次 , 由于脈沖是瞬間 、 斷續(xù) 、 高頻率發(fā)生 ,601 收稿日期 :2004-6-10作者簡(jiǎn)介 :林蕓 (1965- , 女 , 高級(jí)工程師 , 西安交通大學(xué)材料與工程學(xué)院在讀工程碩士 , 主要研究方向 :金屬基復(fù)合材料制 備工藝 。 在粉末顆粒未接觸部位產(chǎn)生

6、的放電熱 , 以及粉末顆粒 接觸部位產(chǎn)生的焦耳熱 , 都大大促進(jìn)了粉末顆粒原子 的擴(kuò)散 , 其擴(kuò)散系數(shù)比通常熱壓條件下的要大得多 , 而達(dá)到粉末燒結(jié)的快速化 ; 最后 , 開(kāi)關(guān)快速脈沖的加 入 , 無(wú)論是粉末內(nèi)的放電部位還是產(chǎn)生焦耳熱部位 , 都會(huì)快速移動(dòng) , 使粉末的燒結(jié)能夠均勻化 。2、 微波燒結(jié) (Microwave Sintering 微波燒結(jié)是一種利用微波加熱來(lái)對(duì)材料進(jìn)行燒 結(jié)的方法 。 微波燒結(jié)技術(shù)是利用材料吸收微波能轉(zhuǎn) 化為內(nèi)部分子的動(dòng)能和熱能 , 使得材料整體均勻加熱 至一定溫度而實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)的一種方法 , 是快速制 備高質(zhì)量的新材料和制備具有新的性能的傳統(tǒng)材料 的重要技術(shù)手

7、段 。 同常規(guī)燒結(jié)方法相比 , 微波燒結(jié)具 有快速加熱 、 燒結(jié)溫度低 、 細(xì)化材料組織 、 改進(jìn)材料性 能 、 安全無(wú)污染以及高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn) ,一代燒結(jié)方法 3。比 ,強(qiáng)韌性 。 , 內(nèi) 部孔隙很少 , , 因而具有更 好的延展性和韌性 , 加 熱速度可以高達(dá) 1500 /分鐘 , 對(duì)某些材料甚至可以 以很少的輸入能量實(shí)現(xiàn) 2000 以上的高溫 。由于微 波對(duì)大多數(shù)粉末陶瓷材料有很大的穿透性 , 可以均勻 地加熱工件 , 減小高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中的溫度梯度 , 從而 降低由膨脹不均勻產(chǎn)生的材料變形 , 使迅速升溫成為 可能 , 而且在高溫下停留的時(shí)間可以大幅度縮短 , 抑 制晶粒的長(zhǎng)大 , 改善材

8、料的物理 、 力學(xué)性能 。微波燒 結(jié)始于上世紀(jì) 70年代 , 到目前為止 , 許多氧化物和非 氧化物 , 從低損耗陶瓷 (如 Y -A12O3 到高損耗陶瓷 (如 SiC 、 TiB2和 BC 等的微波燒結(jié)均見(jiàn)報(bào)道 。 3、 電 場(chǎng) 活 化 燒 結(jié) (Field activated sintering technique ,FAST 4電場(chǎng)活化燒結(jié)技術(shù)在燒結(jié)時(shí)要施加電場(chǎng) 。它有 許多優(yōu)點(diǎn) :經(jīng)電場(chǎng)活化燒結(jié)后 , 顯微結(jié)構(gòu)可以細(xì)化 , 并 可提高鋼的淬透性 。 在粉末燒結(jié)中 , 施加電場(chǎng)可固結(jié) 難以燒結(jié)的粉末 , 它比傳統(tǒng)燒結(jié)溫度低 、 時(shí)間短 、 但燒 結(jié)制品密度高 , 質(zhì)量好而且生產(chǎn)率高 。

9、 它是通過(guò)施加 斷續(xù)的低電壓 (30V 和高電流 (>600A 來(lái)實(shí)現(xiàn) 脈沖放電的 。 脈沖放電后再施加直流電 。脈沖放電 與施加直流電也可同時(shí)進(jìn)行 。施加的壓力可以是恒 定的 , 也可以是可變的 。從裝粉到脫模 , 整個(gè)過(guò)程不 到 10min 就可以完成 。一般來(lái)說(shuō) , 不需要添加劑或 粘結(jié)劑 , 也不需要事先冷壓 。在大多數(shù)情況下 , 燒結(jié) 是在空氣中進(jìn)行的 , 不需要可控氣氛或事先粉末脫 氣 。 FAST 致密化已用于液相或固相燒結(jié)的導(dǎo)電材 料 、 超導(dǎo)材料 、 絕緣材料 、 復(fù)合材料及功能梯度材料 等 , 也可用于同時(shí)致密化與合成化合物 。4、 金屬粉末選擇性激光燒結(jié)成形 (Se

10、lective laser sintering ,SL S 5選擇性激光燒結(jié)成形 (SL S 是應(yīng)用分層制造方 法 , 以固體粉末材料直接成形三維實(shí)體零件 , 不受材 料種類的限制 、 不受零件形狀復(fù)雜程度的限制 . 其工 藝是首先在計(jì)算機(jī)上完成符合需要的三維 CAD 模 型 , 再用分層軟件對(duì)模型進(jìn)行分層 , 得到每層的截面 , 采用自動(dòng)控制技術(shù) , , ., . 如此層層燒結(jié) 、 堆積 , 結(jié)果 CAD 原型一致的實(shí)體 , 而未燒結(jié) 部分則是松散粉末 , 可以起到支撐的作用 , 并在最后 很容易清理掉 . 可供選區(qū)燒結(jié)的材料非常廣泛 , 有石 蠟粉 、 塑料粉 、 金屬粉和陶瓷粉等 . 金

11、屬粉末的選區(qū)激 光燒結(jié)是目前選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)的研究重點(diǎn) , 金屬粉 末在激光燒結(jié)成型所得到的零件只是一種坯體 , 其機(jī) 械性能和熱學(xué)性能還需通過(guò)后處理進(jìn)一步提高 。 利用金屬粉末進(jìn)行選區(qū)激光燒結(jié)成形是一個(gè)很 有發(fā)展前途的工藝方法 , 具有廣闊的應(yīng)用前景 . 由于 激光燒結(jié)金屬粉末是一個(gè)復(fù)雜的工藝過(guò)程 , 燒結(jié)難度 較大 , 激光功率 、 掃描速度 、 掃描方式等都對(duì)燒結(jié)精度 有影響 , 直接制造出高精度的金屬零件是激光快速成 形追求的目標(biāo) 。5、 熱 振 蕩 活 化 燒 結(jié) (Heat shock activated sintering ,HSAS 2003年 , 西安交通大學(xué)柴東朗課題組在原

12、位觀 察 Al -10Mg 二元純金屬粉末體系的燒結(jié)過(guò)程時(shí)發(fā) 現(xiàn) , 普通電阻加熱形成的波動(dòng)溫度場(chǎng)對(duì)燒結(jié)具有熱振 蕩活化效應(yīng) , 能較大程度上提高鎂顆粒在鋁基體中的 熔化速度 , 波動(dòng)溫度場(chǎng)的燒結(jié)過(guò)程要比恒溫場(chǎng)短很 多 。 由于利用電阻加熱的傳統(tǒng)燒結(jié)工藝有著廣泛的 應(yīng)用基礎(chǔ) , 這對(duì)充分發(fā)揮現(xiàn)有的燒結(jié)設(shè)備的工作潛 力 , 提高設(shè)備的工作效率都有直接的指導(dǎo)意義 , 從而 可以改善燒結(jié)體的質(zhì)量 , 提高粉末冶金的生產(chǎn)效率 , 以及節(jié)約能源和降低新設(shè)備投入等等 。粉末冶金燒結(jié)技術(shù) , 實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜形狀零件的高精 度 、 批量化生產(chǎn) , 其成品率高 、 加工能耗少 。 相信在不 遠(yuǎn)的將來(lái) , 粉末冶金燒

13、結(jié)工藝還會(huì)有更快速的發(fā)展 , 7 0 1各種燒結(jié)新工藝將不斷面世 , 推動(dòng)社會(huì)科技的進(jìn)步 。 近年來(lái) , 粉末冶金新技術(shù) 、 新工藝不斷被開(kāi)發(fā)出 來(lái) 。 德國(guó)正在研究微金屬注射成形與微陶瓷注射成 形技術(shù) , 最小的微金屬注射成形件尺寸僅為 50m , 比 傳統(tǒng)粉末注射成形技術(shù)制得的部件更小 , 促進(jìn)了微型 系統(tǒng)制造技術(shù)的發(fā)展 。多相噴射固結(jié)法也是一種新 的自由成形技術(shù) , 可用于制造生物醫(yī)學(xué)零件 , 利用多 相噴射固結(jié)法 , 根據(jù) CT 掃描得到的假體的三維描 述 , 就可以制造出通常外科所需零件 , 而無(wú)需開(kāi)刀去 實(shí)際測(cè)量 。 將金屬粉或陶瓷粉與粘結(jié)劑混合 , 形成均 勻混合料 , 將這些混

14、合料按技術(shù)要求進(jìn)行噴射 , 一層 一層地形成一個(gè)零件 , 在部件形成之后 , 其中的粘結(jié) 相用化學(xué)法或者加熱去除 , 而后燒結(jié)到最終密度 。另 一項(xiàng)粉末冶金新技術(shù)是美國(guó)麻省理工學(xué)院發(fā)明的三 維印刷法 , 該法是根據(jù)印刷技術(shù) , 通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè) 計(jì) , 將粘結(jié)劑精確沉積到一層金屬粉末上 ,逐層印刷 ,個(gè)生坯件 。 ,度 。 6的飛速發(fā)展 , 粉末冶金制品越來(lái)越多地應(yīng)用于各行各 業(yè)中 , 應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大 , 粉末冶金新技術(shù)層出不 窮 。 我國(guó)的粉末冶金工業(yè)在產(chǎn)品數(shù)量 、 質(zhì)量與技術(shù)方 面與先進(jìn)國(guó)家相比 , 尚有不小差距 。因此 , 我們應(yīng)及 時(shí)了解與掌握不斷出現(xiàn)的新技術(shù) , 同時(shí)開(kāi)發(fā)我們自己

15、的新技術(shù) 。參考文獻(xiàn) :1G. O Donnell , L. Looney. Production of aluminium matrix composite components using conventional PM technology J .Materials Science and Engineering ,2001,A303:292-301;2G. S. Upadhyaya Some issues in sintering science and technology J.Materials Chemistry and Physics , 2001, 67:1-5;3, %微波

16、燒結(jié)技 ,2001,Vol. 96(6 : -Joanna R. Field activation provides sintering J .PM Special Feature , 2000, MPR J uly/August :16-18.5陳繼民等 , 金屬粉末激光選區(qū)燒結(jié)行為的研 究 J.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) ,2002,28(4 :479-482; 6亓家鐘 , 陳利民 , 粉末冶金新技術(shù) J.粉末 冶金工業(yè) ,2004,14(1 :23-27Current Progress of Sintering T echnics of Powder Metallurgy Lin Yun(M aterial Science and Technology Depart ment of Xi an Jiaotong U niversity , Xi an S hanxi 710049, Chi na Abstract :Sintering is one of the most important steps of powder metallurgy (PM . Improving the sinteringquality