粉末冶金烧结技术的研究进展.

总第 56期第 4期

贵阳金筑大学学报

2004年 12月

粉末冶金烧结技术的研究进展

林芸

①

(西安交通大学材料科学与工程学院西安 710049

摘要 :烧结作为粉末冶金最重要的一个工艺环节一直以来是人们研究的重点 , 研究进展 , 以体现烧结在粉末冶金中的重要地位 , 推进新材料制备技术的发展。

关键词 :粉末冶金烧结新技术中图分类号 :TF124文献标识码 :B 0106-0108复合化、高性能化、功能化、方向发展 , 求。 , , 小型化、自动化、精密化、省能源、无污染的材料制备方法成为人们追求的目标。现代粉末冶金技术由于其少切屑、无切屑及近净成形的工艺特点 , 在新材料的制备中发挥了越来越大的作用。它的低耗、节能、节材 , 易控制产品孔隙度 , 易实现金属 -非金属复合 , 金属 -高分子复合等特点使其成为制取各种高性能结构材料、特种功能材料和极限条件下工作材料的有效途径 [1], 受到了人们的广泛关注。

从现代复合材料技术的理论来看 , 粉末冶金复合技术从微观上改变了单一材料的性能 , 依靠扩散流动使物质发生迁移 , 同时原材料的晶体组织发生变化 , 最终“ 优育” 出高性能的复合材料。而烧结作为粉末冶金生产过程中最重要的工序 , 一直以来是人们研究的重点 , 各种促进烧结的方法不断涌现 , 对改进烧结工艺 , 提高粉末冶金制品的力学性能 , 降低物质与能源消耗 , 起了积极的作用。本文简单介绍近几年出现的几种烧结新技术 , 以期反映粉末冶金在高技术领域所起的重要作用。

1、放电等离子体烧结 (Spark Plasma Sintering

,

放电等离子体烧结 (SPS 也称作等离子体活化

烧结 (Plasma Activated Sintering ,PAS 或脉冲电流热压烧结 (Pulse Current Pressure Sintering , 是自 90年代以来国外开始研究的一种快速烧结新工艺 [2]。由于它融等离子体活化、热压、电阻加热为一体 , 具有烧结时间短、温度控制准确、易自动化、烧结样品颗粒均匀、致密度高等优点 , 仅在几分钟之内就使烧结产品的相对理论密度接近 100%, 而且能抑制样品颗粒的长大 , 提高材料的各种性能 , 因而在材料处理过程中充分显示了优越性。

将瞬间、断续、高能脉冲电流通入装有粉末的模具上 , 在粉末颗粒间即可产生等离子放电 , 由于等离子体是一种高活性离子化的电导气体 , 因此 , 等离子体能迅速消除粉末颗粒表面吸附的杂质和气体 , 并加快物质高速度的扩散和迁移 , 导致粉末的净化、活化、均化等效应。第三代 SPS 设备采用的是开关直流脉冲电

源 , 在 50Hz 供电电源下 , 发生一个脉冲的时间为 312ms , 由于强脉冲电流加在粉末颗粒间 , 即可产生诸多有利于快速烧结的效应。首先 , 由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流动 , 可使粉末吸附的气体逸散 , 粉末表面的起始氧化膜在一定程度上可被击穿 , 使粉末得以净化、活化 ; 其次 , 由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生 ,

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601・①收稿日期 :2004-6-10作者简介 :林芸 (1965- , 女 , 高级工程师 , 西安交通大学材料与工程学院在读工程硕士 , 主要研究方向 :金属基复合材料制备工艺。

在粉末颗粒未接触部位产生的放电热 , 以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热 , 都大大促进了粉末颗粒原子的扩散 , 其扩散系数比通常热压条件下的要大得多 , 而达到粉末烧结的快速化 ; 最后 , 开关快速脉冲的加入 , 无论是粉末内的放电部位还是产生焦耳热部位 , 都会快速移动 , 使粉末的烧结能够均匀化。

2、微波烧结 (Microwave Sintering

微波烧结是一种利用微波加热来对材料进行烧结的方法。微波烧结技术是利用材料吸收微波能转化为内部分子的动能和热能 , 使得材料整体均匀加热至一定

温度而实现致密化烧结的一种方法 , 是快速制备高质量的新材料和制备具有新的性能的传统材料的重要技术手段。同常规烧结方法相比 , 微波烧结具有快速加热、烧结温度低、细化材料组织、改进材料性能、安全无污染以及高效节能等优点 ,

一代烧结方法 [3]。

比 ,

强韧性。 , 内部孔隙很少 , , 因而具有更好的延展性和韧性 , 加热速度可以高达 1500℃ /分钟 , 对某些材料甚至可以以很少的输入能量实现 2000℃以上的高

温。由于微波对大多数粉末陶瓷材料有很大的穿透性 , 可以均匀地加热工件 , 减

小高温烧结过程中的温度梯度 , 从而降低由膨胀不均匀产生的材料变形 , 使迅速升温成为可能 , 而且在高温下停留的时间可以大幅度缩短 , 抑制晶粒的长大 , 改善材料的物理、力学性能。微波烧结始于上世纪 70年代 , 到目前为止 , 许多氧化物和非氧化物 , 从低损耗陶瓷 (如 Y -A12O3 到高损耗陶瓷 (如 SiC 、 TiB2和 BC 等的

微波烧结均见报道。 3、电场活化烧结 (Field activated sintering technique ,FAST [4]

电场活化烧结技术在烧结时要施加电场。它有许多优点 :经电场活化烧结后 , 显微结构可以细化 , 并可提高钢的淬透性。在粉末烧结中 , 施加电场可固结难以烧结的粉末 , 它比传统烧结温度低、时间短、但烧结制品密度高 , 质量好而且生产率高。它是通过施加断续的低电压 (~30V 和高电流 (>600A 来实现脉冲放电

的。脉冲放电后再施加直流电。脉冲放电与施加直流电也可同时进行。施加的压力可以是恒定的 , 也可以是可变的。从装粉到脱模 , 整个过程不到 10min 就可以完成。一般来说 , 不需要添加剂或粘结剂 , 也不需要事先冷压。在大多数情况下 , 烧结是在空气中进行的 , 不需要可控气氛或事先粉末脱气。 FAST 致密化已用于液相或固相烧结的导电材料、超导材料、绝缘材料、复合材料及功能梯度材料等 , 也可用于同时致密化与合成化合物。

4、金属粉末选择性激光烧结成形 (Selective laser sintering ,SL S [5]

选择性激光烧结成形 (SL S 是应用分层制造方法 , 以固体粉末材料直接成形三维实体零件 , 不受材料种类的限制、不受零件形状复杂程度的限制 . 其工艺是首先在计算机上完成符合需要的三维 CAD 模型 , 再用分层软件对模型进行分层 , 得到每层的截面 , 采用自动控制技术 ,

, , .

, . 如此层层烧结、堆积 , 结果 CAD 原型一致的实体 , 而未烧结部分则是松散粉末 , 可以起到支撑的作用 , 并在最后很容易清理掉 . 可供选区烧结的材料非常广泛 , 有石蜡粉、塑料粉、金属粉和陶瓷粉等 . 金属粉末的选区激光烧结是目前选区激光烧结技术的研究重点 , 金属粉末在激光烧结成型所得到的零件只是一种坯体 , 其机械性能和热学性能还需通过后处理进一步提高。利用金属粉末进行选区激光烧结成形是一个很有发展前途的工艺方法 , 具有广阔的应用前景 . 由于激光烧结金属粉末是一个复杂的工艺过程 , 烧结难度较大 , 激光功率、扫描速度、扫描方式等都对烧结精度有影响 , 直接制造出高精度的金属零件是激光快速成形追求的目标。

5、热振荡活化烧结 (Heat shock activated sintering ,HSAS

2003年