先进成型与烧结技术-2015

气耗定升温法（Nitrogan-Demand Nitriding）
根据反应过程中氮气的消耗情况而确定升温制度。
反应烧结工艺还可制备复合材料如SiC/Si3N4等 SiC + Si + N2 ------ SiC + Si3N4
3.3 熔浸烧结工艺
利用液体在多孔体中毛细作用，让熔融的金属自动地
烧结工艺可以分为：
(1) 无压固相烧结 (2) 机械压力烧结：如热压、热挤压、热扎等
(3) 气压烧结：低压烧结、热等静压烧结
(4) 反应烧结 (5) 液相烧结 (6) 熔浸烧结工艺 (7) 特种烧结技术：如微波烧结、激光烧结、
等离子放电烧结、场辅助烧结等
发展方向：高效快速烧结技术
3.2 反应烧结技术（Reaction Sintering）
缺点：a. 坯体表面光洁度不高，需修坯处理
b. 生产效率不高，模具寿命短
热等静压的工作制度
压力控制：一般没有特殊的 升压和降压制度，在一定时 间内达到工作压力即可，但 一般迟于工作温度。 温度制度：依照物料对温度 的要求而制度，一般可实现 快速升温。
烧结—热等静压法
为了克服常规热等静压
技术对模具（或成为包套）
(3) 包套制备技术的影响
预制包套：保证包套密封性，选择适合的包套材料 烧结—HIP：应保证尽量形成闭孔
2.7 特殊的致密化成型技术
(1) 喷射成型
喷射成型是将喷射沉积与成形技术相结合而发展起来的一种 新型的制粉成型一体化新工艺。该工艺用于制备各种板、带 材、棒、管材等。
基本原理：熔体被高压惰性气体粉碎并雾化成微粒，直接喷射在低温衬
利用高温烧结过程中的化学反应来实现活化烧结，从而在较低的温度
下得到高度致密的材料。是制备可设计材料的典型方法。 主要特点是：反应烧结制品的成分可以通过预先设计而确定 材料制品的显微结构优良、晶粒细小而均匀 烧结收缩小，可制备近净成型材料 材料强度高于无压烧结制品 反应烧结技术与热压或热等静压技术相结合可获得更加广泛的应用 采用反应烧结技术已成功地制备了Si3N4，SiC，Si2ON2及其复合材料等。
底表面，这些微粒被撞扁形成片状物经沉积、聚积、凝固成为沉淀物。 主要特点： a. 材料界面污染少，具有极细的晶粒结构。适当控制冷却速度还可 以制备出准晶结构或非晶结构的物质。材料成分均匀、杂质偏析少。 b. 能够制成多层复合金属材料或复合材料。
(2) 喷射成型工艺
将喷射成型的基本原理同各种工艺相结合发展了喷射轧制技
主要的原料的预处理工艺包括：
煅烧：除去杂质、提高纯度；改变晶型，增加晶粒
度等
原料塑化：除去杂质、提高纯度；改变晶型，增加 晶粒度等 造粒：普通造粉、压制造粉、喷雾造粉
2.2 粉料成型法
(1) 模压成型法 可分为单向与双向模压成型（影响成型坯体的密度）。
•特 点 ： 工 艺 简 单 ， 易于自动化。 •缺 点 ： 复 杂 形 状 的零件难以制备。
(2) 等静压成型
特点：a. 能生产具有复杂形状的零件 b. 压力均匀传递、压坯密度均匀、坯体强度高 c. 模具成本低廉
主要工艺有： 湿式等静压成型和干袋式等静压成型
模具的制造是最为关键的因素
2.3 塑性成型法
混合料塑性的获得可以通过： a. 粉末本身具有塑性变形能力 b. 添加增塑剂获得变形能力 具有塑性的粉末可以通过成型方法达到加工的目的 塑性成型可以分为：挤压成型、轧制成型、注塑成型 (1) 挤压成型 挤压成型是指粉末体或者可塑性泥团在压力作用下，通过成型模嘴挤
不论是金属、陶瓷，还是复合材料均可采用爆炸成型工艺
爆炸成型可分为直接加压和间接加压两种方式
爆炸成型中，爆炸冲击速度（即能 量）是最重要的工艺参数，能量越 大，制品的密度越高。对某些金属
材，如：Cu、Ni、Ti等可直接获得
接近理论密度的制品。
3．先进的烧结致密化技术
3.1 概述
一般而言，烧结是粉末冶金技术中的最后一道主要工序，对
塑性料成型法：挤压、轧模、注射成型等
浆料成型法：粉浆浇注、流延成型等 热致密化成型：热压、热等静压、热煅等 特殊的致密与成型技术
模压成型零件

零件
冷等静压成型零件
注射成型零件
(2) 成型前的原料处理
原料的预处理是为了调整和改善粉末原料的物理、 化学特性，使之适应后续加工工艺和产品性能的需要。
制品的性能起着决定性作用，材料的主要物理—化学性能都
与烧结过程有着密切的联系。 烧结的分类
烧结是粉末坯体在高温作用下，通过颗粒间的复杂的物理—
化学变化而形成具有合理结构晶型和组织的工艺过程。
按照烧结过程的机理分类可分为：
单元系烧结：一般为固相烧结，如高熔点金属、单相陶瓷等
多元系烧结：低于低共熔点的固相烧结（无限固溶、有限固溶、完全不溶） 溶浸：一种烧结的特例，通过溶化后浸入骨架材料而致密化。
术、喷射锻造工艺、喷射离心沉积工艺等。
(3) 爆炸成型
在成型过程中，为了获得高的初坯密度或最终密度， 成型压力扮演了一个重要的角色。常规工艺一般仅能获得 百兆帕以下的成形压力。但是研究发现，在极端条件下获 得的极高的压力可得到极高的成形密度。一个典型的例子 就是利用爆炸产生的冲击压力来实现材料成形。 爆炸过程中，一般可以产生100MPa的冲击压力，在如此高 的压力下，材料的变形性质发生了根本的变化，塑性流动 极快，脆性材料也可具有塑性流动性。
2.5 流延成型工艺
一种动态连续的注浆成型工
艺。将料浆由料斗槽中流入基 材上，由刮刀控制膜的厚度，
成膜后的浆料经烘干后得到膜
坯，烧结后得到薄的片材。 主要用于制备厚度小于 0.05m 的薄片。如多层膜电容 器等，主要工艺控制包括粉末 粒度（细粉最好），料浆流动 性好。
2.6 热致密化成型技术
热致密化成型技术主要包括：热压、热等静压、热挤压、热轧制技术，其主
烧结过程研究中，最基本的问题是： a. 烧结驱动力问题 b. 烧结的过程动力学 烧结的基本过程可包括： 颗粒的粘结形成颈部 颈部的长大形成闭孔， 闭孔的球化和缩小。 烧结的动力学机制可以包括： 粘性流动、蒸发凝聚、体积扩散、表面扩散、晶界扩散、 扩散过程、塑性流动 任何一种机制都不可能全面地描述烧结过程，从本质上讲， 烧结过程是一个复杂的过程，是多种机制共同作用的结果。 由此而提出了“综合作用烧结理论”。
几乎所有的先进的粉末冶金制备技术都可以用来制备先进工程 陶瓷，但粉末冶金的后加工手段是工程陶瓷制备中难以使用的。
1.2 一般的粉末冶金工艺的主要环节
成型的目的：获得一定形状和尺寸的坯样。并使
其具有一定的密度和强度。
基本成型方法有：有压成型和无压成型。
烧结：是为了获得所要求的物理和机械性能。
后处理与加工：是为调整和控制材料结构，以获
先进成型与加工新技术
1．概述
2．先进成型技术
3．先进的烧结与致密化技术
1．成型与加工技术概述
材料成型问题主要涉及粉末冶金和陶瓷材料制备
粉末冶金工艺与陶瓷材料制备工艺具有极大的相似性。 其共同特性主要表现在： 研究对象具有相同的物理形态，即粉末状态 制备工艺过程几乎完全相同 粉末在加工过程中具有相同或相似的物理—化学 变化规律，服从相同或相似的理论规律。
要特点是成型与烧结一步完成，同时，在高温作用下，粉末处于热塑性状态，成
型压力低，时间短，制品晶粒细小、密度高。
(1) 热压
在高温条件下，对粉末施以一定的压力，从而促进粉末的烧结和致密化。热 压烧结中，成型压力一般不大于40MPa，其主要缺点是生产率低，成本高。 按照加热方式不同，热压可分为直接加热法和间接加热法 直接加热：是将加热电流通过装有粉末的石墨模具，使模具发热，达 到加热加压致密化的目的，这种工艺中温度较难控制，并
汽车尾气过滤器：材料硬度大，孔隙多且细小。 难加工。 粉末冶金成型的主要缺点： 成本高 制品的大小形状受到一定的限制 材料和制品的韧性较差
1.4 粉末冶金技术的应用
在金属材料、陶瓷材料、复合材料方法广泛应用。
2．先进成型技术
2.1 概述
(1) 成型方法的分类
成型可分为：加压成型和无压成型， 也可分为模压成型和特殊成型工艺。 按照原料的特性来分类，可分为： 粉料成型法：模压成型、冷等静压成型等,一般为压力成型
的特殊要求，发展了一种自 包套热等静压技术：烧结— 热等静压法。 它是将模压或冷等静压 后的制品砌坯放入热等静压 中，将脱腊、预烧和热等静 压结合起来一步实现高密度 制品的获得。
影响热等静压工艺的主要因素
(1) 热等静压的温度，一般低于常规烧结（约为熔点的0.5） (2) 热等静压压力的影响，高的压力可获得很高的致密度
有良好的可塑性，然后将这种可塑性粉末注射模具中，冷却后可
得到所需的零件生坯。
主要特点是：材料结构均匀性好、可成形大批量、结构复杂、尺
寸小、精度高的制品。
在注射成型工艺中，最关键的工艺环节包括：
a. 成型剂的配制与添加 b. 成型剂的脱出
成型剂的脱出可采用溶解浸出法和加热分解法两种： 溶解浸出法是把成型坯体放入溶剂抽取装置中，除去粘结剂 加热分解法：是把注射成型坯体置于加热炉中，在加热条件 ，形成具有一定密度的坯体。
成预期的制品。 按照挤压条件的不同可分为冷挤和热挤。 在挤压成型工艺中，不论是具有变形能力的金属粉末还是脆硬的陶瓷粉 末，都需使用有机增塑剂提高混合粉末塑性、便于成型。
挤压成型的特点： a. 中空的管件，及复杂形状的试件 b. 纵向成型体和横向密度均匀 c. 工艺连续性强
影响挤压成型工艺的主要因素:
得更优的工作性能。
1.3 粉末冶金的发展历程及特点
粉末冶金技术的特点： (1) 可生产普通熔炼法无法生产的具有特殊性能 和结构的材料
多孔材料(陶瓷过滤器、分子筛等）
各种复合材料（叠层材料:双金属、叠层陶瓷）
(2) 采用粉末冶金技术生产的某些材料，与普通熔炼
法相比具有更加优异的性能 高合金粉末冶金制品性能更优，如高速钢、超合金制品。 难熔金属制品一般采用粉末冶金技术生产，如W、Mo制品 (3) 粉末冶金制品是一种少切屑无切屑的加工工艺。
a. 增塑剂含量的影响，增塑剂多，挤压压力下降 b. 预压压力的影响，预压压力大，挤压压力增大 c. 挤压温度的影响，温度高，挤压压力下降 d. 挤压进度，（过快的速度造成 挤压件断裂）
(2) 轧制成型（轧膜成型）
将粉末混合料喂入两轧辊间隙中，通过轧制压力压轧成为具 有适当强度的板带坯料，再经烧结和后处理工艺后成为带材， 主要用于板带状的材料制造。 可分冷轧和热轧工艺。
下使粘结剂逐步分解而脱去成型剂。这个过程可以和烧结设备化过
程连在一起进行。
2.4 浆料成型法
浆料成型是将粉末与水或其它有机液体制成一定浓度的悬浮粉浆， 注入具有所需形状的石膏模中，达到成型制品的目的，其关键工艺 环节是模具的设计和浆料的制备
新的浆料成型工艺： •压力注浆工艺 •离心注浆工艺
ห้องสมุดไป่ตู้
•真空注浆工艺等
Al AlN
轧制成型的主要特点：
a. 制造一般轧制工艺无法生产的板带材，（多孔板材等）
b. 成分精确，组织均匀
c. 工艺简单，节省能源，成材率高
(3) 注射成型方法（Injection molding）
注射成型方法是粉末冶金技术同塑料注射成型技术相结合的 一项新工艺。它是将粉末与成形剂均匀混合使之在一定温度下具
(1) 反应烧结Si3N4
基本反应：3Si (s) + 2N2 (g) → Si3N4 (s)
将Si或者Si与Si3N4的混合物成型后在
1200℃左右通过氮化处理而获得Si3N4
制品
主要工艺控制要点是： 反应过程速度控制最为重要，主要通过控制 烧结温度而达到控制反应速度的目的。
一般可分为两种升温制度： 分段升温法
且温度场分布不均匀。
间接加热：则是将待压粉末置于模具中，模具放 在高温炉内加压达到指定温度。高温炉可以是高、 中频感应炉，碳管炉或电阻炉。
(2) 热等静压
等静压技术是当代粉末冶金技术发展的成果之一。压力通过传力介质
均匀地作用于待压粉末上，可形成结构均匀、性能优良的制品。
冷等静压（CIP）：水、油、气作介质 热等静压（HIP）：一般以气作介质 主要优点： a. 能够制备复杂形状的构件（模具设计十分重要） b. 压坯密度分布均匀 c. 压坯强度高，便于加工运输 d. 制品密度高，性能优良