（材料加工工程专业论文）纳、微米晶铁基粉末的电流烧结技术研究.pdf

摘要 摘要 以放电等离子烧结为代表的电流烧结技术作为一项制备高密度粉末冶金材料 和纳米块状材料的新兴技术已引起了国内外学者的广泛关注。然丽目前针对铁基 粉末冶金材料的电流烧结研究尚鲜见报道，且电流烧结机理仍不明确。因此，本 论文针对f e 2 c u 2 n i 1 m o 0 8 c ( 、v t ) 铁基微米晶混合粉末和纳米晶高能球磨粉 末，采用自行研制的电流烧结设备着重进行了以下几方面研究。 研究了铁基混合粉末的电流烧结技术。结果表明，恒流电流烧结时，增大烧 结电流和延长通电时间；脉冲电流烧结时，增大脉冲电流峰值、基值、占空比和 通电时间；脉冲一恒流电流烧结时，增加脉冲段的时间，均可促进粉末体的烧结， 提高烧结材料的密度、强度和硬度。 采用脉冲一恒流电流烧结方法烧结铁基混合粉末，当烧结方式为3 分钟脉冲 + 3 分钟恒流，其中脉冲电流峰值、基值、占空比和频率分别为3 0 0 0 a 、1 2 0 a 、 5 0 和5 0h z ，恒流电流为1 3 8 9a 时，烧结材料的密度、硬度和横向断裂强度分 别达到7 6 lg c m 3 ( 即相对密度9 7 5 6 ) 、9 9h r b 和1 5 4 0m p a ，断口形貌呈韧 窝、沿晶和穿晶解理混合断裂特征。与采用同样粉末经冷压、温压、模黩润滑温 压+ 常规烧结所得到的铁基粉末冶金材料相比，电流烧结材料的密度分别提高了 0 5 0g ，c m 3 、0 _ 3 3 c m 3 和o 2 6g ，c m 3 ，强度分别提高了9 0m p a 、5 6m p a 和1 0m p a ， 而其烧结时间仅为常规烧结的1 1 3 。 对比了混合粉末恒流电流烧结、脉冲电流烧结和脉冲一恒流电流烧结的致密 化曲线。结果表明，脉冲电流烧结的致密化温度低于恒流电流烧结，而脉冲一恒 流电流烧结的致密化效果则介乎脉冲电流烧结和恒流电流烧结之间，证实脉冲电 流比恒流电流具有更好的活化烧结效果。 通过热力学分析，发现电流烧结初期烧结颈与颗粒内部之间的温度梯度产 生空位浓度差，提高了电流烧结的驱动力，促进烧结颈的迅速长大。原子向烧结 颈部位的热迁移是电流烧结所特有的扩散机制。 对铁基纳米晶球磨粉末进行了脉冲电流烧结技术研究。结果表明，随着脉冲 峰值电流或通电时间的增加，烧结材料的密度呈上升趋势；硬度和强度则先上升 一卜 华南理工大学博士论文 后下降。显微组织分析表明，脉冲峰值电流过高或通电时间过长时发生的烧结材 料硬度和强度下降的现象，与铁基体晶粒的迅速长大有关。随着烧结的进行，烧 结材料的断口形貌从沿原始颗粒界面的撕裂逐步演变为微孔聚集型断裂。 研究了不同球磨时间的粉末烧结过程中密度和显微组织的变化规律。结果表 明，随球磨时间延长，粉末的致密化温度降低，并且晶粒发生显著长大的温度也 降低。纳米晶球磨铁基粉末在烧结时的晶粒长大不仅与原始晶粒尺寸有关，还受 到合金化、致密化等过程的影响。 采用球磨1 0 h 粉末，在脉冲电流峰值、基值、频率、占空比分别为2 8 5 0a 、 1 2 0a 、5 0h z 、5 0 ，通电时间为6m i n 的条件下进行脉冲电流烧结可得到密 度为7 _ 8 0g c m 3 ( 相对密度约1 0 0 ) ，硬度为6 3 8h r c ，强度为2 1 2 1 5 4m p a 的全致密、细晶粒烧结钢。 采用球磨2 0 h 粉末，在脉冲电流峰值、基值、频率、占空比分别为2 8 5 0a 、 1 2 0 a 、5 0h z 、5 0 ，通电时间为4m i n 的条件下进行脉冲电流烧结，可得到密 度为7 5 0 c m 3 ( 相对密度约9 6 1 ) ，铁基体平均晶粒直径为5 8i m ，碳化物颗 粒直径 9 9 1 6 0 0 、2 5 a 热等达到相当密度 1 7 y a gs p s 烧结静压l h 6 第一章绪论 续表l 一1s p s 与其他烧结工艺的比较 1 1 a b kl i c o m p a r i s 伽b e t 、v e e ns p sa n do t h e rs i n l e 由【gm e m o d s 材料s p s ：骁结其他烧结方式文 体系 烧结条件烧结效果烧结条件烧结效果 献 b 8 1 0 3 在9 0 0 l 0 0 0相对密度超过9 5在1 4 0 0 常规烧结2 h达到相当密度， 2 9 s p s 烧结 ，平均晶粒尺寸但晶粒已k 人至 3 m i n约o 5 i l l r il o u m 。 t i b 2 1 7 0 0 下s p s相对密度达到9 9 在1 8 0 0 热压烧结2 h达到9 7 的相对 3 0 烧结3 m i n 以上密度 3 1 在2 4 0 0 下无压烧结其相对密度仅为 l h 9 1 。 s n o r 1 0 0 0 ，样品相对密度达瓢l o o o 1 6 0 0 无压烧样品密度仅为 3 2 i n 2 0 3 3 0 m p a 下s p s9 0 结2 h4 0 4 5 烧结3 0 m i n z n o在8 5 0 烧结可达到9 2 豹相对1 2 0 0 保温4 h难以烧结 3 3 5 m i n 密度 羟磷石7 0 0 s p s 烧接近全致密，晶粒 1 2 0 0 热压密度 9 9 ，晶粒 3 4 ( h a )结尺寸仅为5 0 0 m长大到l o 一5 0 岬 3 、升温速度快 通常的热压烧结采用发热元件与模具分离的设计，热量以辐射传热的方式由外至内 传至模具和粉末，升温过程较慢：而p a s s p s 等电流烧结技术则采用了模具与发热元件 一体化的设计，使电流直接通过模具，或流经粉末而让粉末自身发热，大大提高了加热 效率和升温速率，缩短了整个烧结局期。此外，采用高强度的电流作为热源以及使用热 容较小的石墨作为模具材料，也是升温速率提高的原因。 4 、烧结体密度高、晶粒细小 在粉末烧结过程中，为了提高烧结材料的密度，不得不提高烧结温度或延长烧结 时间，这将导致晶粒的过分长大和组织粗化，从而降低粉末冶金材料的性能，这一问题 在错备缎晶材料时更为突出。而电流烧结比传统娆结的烧结温度降低、烧结时间缩短和 升温速率提高，从而在实现粉末致密化的同时也可以有效地抑制晶粒的长大【3 5 】。从表 1 1 可见，与常规烧结、热压、热等静压等其他烧结方式相比，电流烧结的材料致密化 程度高，且晶粒尺寸比较细小。 5 、压制烧结一体化，粉末中不需添加润滑剂、粘结剂 电流烧结在粉末成形的同时进行烧结，将粉末的压制和烧结一步完成。粉末中不用 添加常规成形工艺中所需的各种润滑剂、粘结剂，因此也省去了添加剂的混合和随后的 烧除过程。 其他一些特殊烧结方法，如：微波烧结和等离子烧结等，虽然也具有快速烧结的特 征，但这些工艺都需要预先制备压坯，并且受到材料本身的物理特性的限制，而电流烧 华南理工大学博士学位论文 结不需预先压制压坯，同时可以广泛地应用于各种不同类型材料的烧结。 1 4电流烧结技术在新材料制备中的应用 电流烧结在金属、陶瓷、复合材料、金属间化合物、梯度功能材料、纳米晶材料、 超导材料、硬质合金、磁性材料、热电材料、铁电材料、非晶合金、形状记忆合会、金 刚石、靶材、介电材料、贮氮材料、固体电池材料、光学材料、炭素材料、有机材料等 等的制备中得到了广泛应用，除可用于粉末的固相烧结、液相烧结和反应烧结外，还可 用于材料的焊合、表面处理以及材料的合成、晶粒的生长等。 1 4 1 纳米材料和超细晶材料 近年来，电流烧结技术在制备块状纳米材料和超细晶材料方面的优势引起了国际材 料学界的重视，各国已将该技术用于多种纳米晶( 超细晶) 材料的制备，并对纳米晶( 超 细晶) 粉末的烧结行为、烧结材料的组织与性能等开展了大量的研究。 t j g o o d 谢n 等以f e 和c 粉为原料，通过机械合金化法制备出f e f e 3 c 复合粉，其中 f e l c 的晶粒度为7 m ，f e 的晶粒度为8 m ，然后采用p ：a s 技术将复合粉在4 5 0 ，6 3 m p a 条件下烧结，保温时间为3 m i n ，得到f e 8 5 v 0 1 f e 3 c 纳米晶复合材料，烧结体密度达到 9 8 ，其硬度值高达1 0 8 g p a 【3 6 1 。 y 0 gd ok i m 等用机械合金化和s p s 法成功地制备出纳米晶f e 3 0 a t c o 合金块体。 在9 0 0 ，6 0 m p a 条件下保温5 i l l i n ，烧结体的相对密度达到9 5 ，而晶粒尺寸维持在3 0 姗 左右，与原始粉末的l o 衄的晶粒尺寸相比，晶粒长大得到了较好的控制f 3 7 j 。 j o n gr y o li 咖等用机械合金化法制备出晶粒尺寸为2 0 啪的a 1 5 t i 合金粉末，然后 用p a s 法烧结出纳米晶a 1 a 1 3 n 合金，其烧结温度为5 0 0 ，烧结压力为7 5 m p a ，烧结时 间为1 m i n ，得到相对密度达到9 9 ，晶粒尺寸仅5 0 一1 0 0 蛳的的烧结体。性能测试表明， 采用p ：a s 方法制备的舢t i 合金强度明显高于热压同类合金【2 0 】。 k y o u n gi lm o o n 等以高篦球磨法制各的( 趟+ 1 2 5a ：t 。c u ) 3 z r 金属阃化合物粉末为 原料，采用放电等离子烧结方法进行快速烧结，在6 0 0 保温o 觚n 就制备出相对密度达 到9 9 9 、晶粒尺寸仅为2 0 3 0 玎m 、具有l 1 2 结构的( a l + 1 2 5a t c u ) 3 z r 烧结材料，显微 硬度达到9 8 9 5 h v ，比微米晶同类材料高三倍。类似方法还制备出相对密度达到9 8 、 晶粒尺寸为5 0 m 、d 0 2 3 结构的舢3 z r 烧结体1 1 9 】。 s p 撕s 等采用高能球磨和s p s 方法制备出纳米晶的f e 一4 0 a l 和f e 5 3 a l 材料，所采用 的工艺为：经4 i n i n 升温至大约“5 0 ，不保温就冷却下来，烧结过程中施加7 0 m p a 的压 力，所得烧结体的密度分别达到9 8 5 和9 3 5 ，f e a l 晶粒尺寸约为3 0 5 0 m 3 8 1 。 中科院金属研究所的l l y e 等采用s p s 工艺对机械合金化法制备的n i t i 非晶粉末进 行了快速烧结，得到含有n i 娟，n i t i 和n i 瓢2 相的致密材料。在9 0 0 ，5 0 m p a 下真空烧 第一章绪论 结1 0 分钟的样品晶粒尺寸为5 0 5 0 0 n m 【3 9 】。 中科院上海硅酸盐所高濂等用s p s 方法烧结了z 向2 ( y 2 0 3 ) 2 0 m o l a 1 2 0 3 细晶复相 陶瓷，发现在1 3 0 0 仅烧结2 m i n 就可以获得相对密度9 9 以上的烧结体，并且平均晶 粒尺寸控制在1 8 0 啪。与热压工艺相比，采用s p s 技术烧结的材料具有更高密度和更细 小的晶粒，因此强度、韧性更高【2 3 1 。高濂等采用放电等离子超快速烧结还制得了晶内型 s i c a 1 2 0 3 纳米复相陶瓷【2 6 j 、5 州s i c 1 5 僦帕2 - a 1 2 0 3 晶内型纳米复相陶瓷1 4 0 】、 s i c m u l l i t e ( 莫来石) 晶内型纳米复相陶瓷【2 8 】、y a g ( y 3 a 1 5 0 1 2 ，钇铝石榴石) 、s i c 增强 y a g 晶内型纳米复相陶瓷等。 z h a ng u m d 0 n g 等采用s p s 法制备了n d 2 t i 2 0 7 压电相增韧a 1 2 0 3 陶瓷。纳米粉末在 1 0 0 0 1 1 5 0 烧结l 3 m i n 即可达到9 8 以上的致密度，烧结后材料的晶粒尺寸为2 2 5 2 8 1 m n 【4 l 】。 韩国的k y u n g h o m i n 、y o u n g d o k i m 等用以球磨a 1 2 0 3 和c u o 混合粉末为原料，经 氢气还原后高能球磨并以s p s 技术烧结，制备出c u 增韧a 1 2 0 3 基细晶复合材料，在1 2 5 0 烧结5 m i n 得到的样品获得了9 7 以上的相对密度，铜晶粒尺寸接近2 0 0 m ，a 1 2 0 3 晶粒 尺寸为2 0 啦5 0 0 n m 【4 2 1 。 t fi b y 采用用p a s 方法，在1 1 5 0 烧结l o 1 5 m i n 制备出相对密度高达9 9 2 的 2 0 3 陶瓷，烧结后材料晶粒为o 5 o 6 岬，与原始颗粒尺寸( 0 3 o 5 唧) 相比没有明 显长大【2 5 1 。 m a s 晒i l iy o s i l i m m 等用化学合成法合成了粒度小于l o n m 的复合粉末，然后用脉冲 电流烧结技术在1 3 0 0 ，5 0 m p a 下真空烧结1 0 n l i n 得到密度超过9 8 ，晶粒小于1 0 0 m 的纳米晶3 y z 内2 1 0 m 0 1 砧2 0 3 复合材料1 4 3 删。 y o u n gi ll e e 用s p s 技术对纳米r n 0 2 粉末进行烧结。在7 0 0 ，6 2 m p a 下烧结l h ，得到 了晶粒尺寸约2 0 0 n m ，相对密度为9 9 的币0 2 陶瓷【2 l 】。 j r g r o z a 等采用电流烧结技术。在1 2 0 0 对烈粉末烧结，得到了密度达9 5 ，晶 粒尺寸为1 5 0 一2 0 0 珊的细晶陶瓷【1 7 l 。 s h m s b u d 等用p a s 方法在1 6 0 0 一1 8 0 0 烧结4 1 5 m i i l 制备出相对密度9 9 以 上的a l n 陶瓷，透射电镜观察表明晶粒与原始颗粒尺寸( o 4 u m ) 相比几乎没有长大【2 5 】。 j o a n & g f o 髓等用p a s 方法对a l n 亚微米粉末进行烧结，在1 7 3 0 ，5 0 m p a 下烧结 5 m m ，烧结a l n 的相对密度可达到9 7 5 9 9 3 ，晶粒尺寸约o 7 7 m 【4 5 】。清华大学的 l i a n gq i a o 等用s p s 工艺在较低的烧结温度( 1 6 0 0 ) ，没有添加剂的条件下，烧结出 密度达9 9 5 ，晶粒 5 0 0 锄的a l n 陶瓷，并研究了其显微组织及导热性能 她1 。 m 髂丛h iy o s h i 肌腿等以机械合金化+ s p s 的方法成功制备出s i 3 n 4 ，3 0 v o l n n 纳米 相复合材料。以s i 3 n 4 粉和n 粉为原料，以氦气为保护气氛高能球磨1 6 h 后，得到含 s i 3 n 4 ( 5 2 0 n m ) 和t i n ( 几纳米) 的复合粉末，此后以s p s 技术在1 4 0 0 ，氮气气氛下烧结 l o m i n ，得到相对密度为9 9 ，晶粒尺寸 9 5 的样品，晶粒却已超过l o 岫，基体中均匀 分布着直径约2 3 岫的残余孔隙m 】。i c h i k a w a k 也应用s p s 方法烧结了纳米纯铁粉， 并研究了铁块的拉伸强度跟晶粒大小的关系，烧结铁最高的拉伸强度为l “4 m p a 【5 2 】。 m a v e n k 蝴w 锄y 等用高能球磨法制各纳米晶f e 3 a l 粉末，然后以p ：a s 法在1 3 0 0 烧结3 m i n 制备出f e 3 m 块体，其晶粒尺寸从烧结前的5 2 3 锄迅速长大到2 0 0 6 0 0 n m f 5 3 】。 高濂等采用放电等离子加压烧结( s p s ) 制备z 内2 ( 3 y ) 细晶陶瓷。发现在同样的 烧结温度下，虽然快速熟压烧结( 1 0 1 5 m 证) 和s p s 烧结( 1 l o m n ) 比无压烧结( 1 2 0 m i n ) 烧结时间短得多，但所得y - t z p 的晶粒却明显更粗大。用s p s 烧结，纳米晶在1 2 0 0 保 温不到1 0 分钟就从1 0 姗长大到了2 2 0 衄。而同一温度普通无压烧结1 2 0 分钟，晶粒仅长 大至1 2 0 r i i l l 【5 4 5 6 j 。x j c h e n 等对添加y 2 0 3 的z p 0 2 纳米粉末进行烧结时也发现了同样的现 象，对粒度为5 0 n m 的纳米粉末在1 4 0 0 、2 3m p a 条件下s p s 连续烧结4 个周期( 每个周 期为3 m h ) 后，获得了9 9 - i 的密度。s p s 烧结过程中晶粒长大迅速，纳米晶已长大到 微米级，甚至大于在1 4 5 0 无压烧结2 h 所得样品的晶粒尺寸【2 2 1 。 r s m i s h r a 等用p ：a s 法烧结了纳米晶7 舢2 0 3 粉，在烧结温度为1 3 0 0 1 6 7 0 ，压 力为2 9 6 6 m p a 条件下烧结，得到了密度为5 7 9 6 的块体，但当密度超过8 7 时，晶 粒尺寸迅速长大并超过1 0 0 n m 。在1 5 6 0 ，6 6 m p a 条件下烧结的样品虽然能够保持纳米 l o 第一章绪论 晶( 8 0 啪) 组织，但其相对密度仅为7 6 【5 7 】。 栾伟玲等也采用s p s 烧结了纳米级的b a t i 0 3 粉末，在9 0 0 保温3 分钟，可制得相对 密度达9 7 4 4 的样品，但短时间( 9 8 的n i z n 铁氧体致密材料【1 0 8 】。 永磁材料 交换耦合磁体是由纳米尺寸的永磁相和软磁相组成的复合磁体。由于软磁相与硬磁 相的交换耦合阻碍了软磁相的磁化反转，因而可发挥如同单一硬磁相磁体同样的效果， 可获得很高的磁性能。a k o j i m a 等用s p s 方法分别对非晶和细晶结构的f e n b n d b 合金进行烧结，制备出含m f e ，n d 2 f e l 4 b 和f e 3 b 相的致密纳米晶交换耦合磁体，材料 晶粒为2 0 4 0 姗【1 叫。h i d e a “o n o 等采用s p s 工艺将快淬n d l o f e 7 5 c 0 8 v l b 6 非晶合金薄 带烧结成致密的n d 2 f e l 4 b + 廿f e 纳米交换耦合磁体，其晶粒尺寸小于4 0 n n l ，密度达到 1 5 华南理工大学博士学位论文 7 7 6 9 c m 3 ，矫顽力达到5 6 8 k 佃，最大磁能积( b h ) m a ) 【达到1 3 4 k j m 3 ，显示出与快淬 薄带接近的磁学性能【i i o l 。o n oh 还用s p s 技术制备了由微细n d 2 f e l 4 b 与n f e 相所组 成的交换耦合磁体，大致呈各向同性，所得块体的密度为7 5 9 9 ，c m 3 ，最大磁能积( b h ) m a x 达到1 0 7 8 k j m 3 【5 2 1 。i s h i h a m ，s a t o n l 等以f e c o n d d y b 非晶粉末为原料，采用s p s 技术烧结出密度为9 9 1 的菲晶块材。烧结后对块材进行热处理，制各出含n d 2 f e l 4 b ， f e 3 b 和一f e 相的硬磁材料，其剩磁、矫顽力和最大磁能积分别达到1 0 3t ，2 7 7k a m 和8 3 1 k j m 3 【l l l l 。 1 4 8 生物材料 yw g u 等用羟磷石粉末进行s p s 烧结，制备出近全致密( 9 9 ，6 ) 的h a 生物陶瓷， 并且烧结体的组织在烧结过程中没有明显长大i l l 2 l 。a n a k a l l i r a 等用热压和s p s 制备出 致密的h a 生物陶瓷。试管试验表明，s p s 烧结试样的生物相容性优于热压材料【3 4 。 r e i e n d r ak 眦o a r 等则对超细h a 粉末和h a 2 0 、t z r 0 2 复合粉末进行了s p s 烧结，得 到密度为9 6 的烧结体【1 1 3 】。h b g u o 等用s p s 烧结了h a 、4 5 s 5 生物玻璃、h a 3 1 6 l 不锈钢纤维复合材料和4 5 s 5 生物玻璃一3 1 6 l 不锈钢纤维复合材料4 1 。 m a s a y u k ik o n 等用s p s 法锚备出多孔状的n 6 a i 4 v 合金，这种多孔钛合金植入身 体后具有抗术后感染、与主体相容性好、促进快速康复等特点f l l 5 1 。 1 4 9 非晶合金 s p s 作为新一代烧结技术有望在制备大块非晶方面取得进展。s h e l l b a o l o n g 和i n o u e ， a k i h i s a 用雾化法制备出粒度为1 2 5 岬的f e 6 5 c o l o g a 5 p 1 2 c 4 非晶合金粉末，然后采用s p s 法在4 5 0 ，3 0 0 m p a 条件下烧结出外径2 0 f m ，厚5 n 姐的大块菲晶材料，密度达到 9 9 7 6 】。o z a k ik i m i l l 的利用s p s 技术烧结了机械合金化非晶a l 基粉末，得到块状 圆片试样呻l o m m 2 m m ) ，此非晶台金组织中含有非晶相、结晶相以及残余的s n 相【1 1 7 】。 1 4 1 0 热电材料 日本的n o 甄，k 等分别用热压和s p s 工艺烧结了f e 0 9 l m n o ；盼s i 2 热电材料：在9 0 0 烧结5 m i n ，得到了密度为9 0 的样品；与热压烧结相比，材料的品质因数接近【1 1 8 】。这 方面的例子还有c i l a 1 2 0 3 ，p f e s i 2 【1 19 j ，p z l l 4 s b 3 【1 2 0 】，f e s i 2 ，b i 2 t e 3 【1 2 l 】等。 1 4 1 1 超导材料 s | lm s b u d 等用p a s 方法在9 0 0 ，1 5 m p a 压力下烧结1 5 m i n 制备出相对密度达到9 9 以上的y b c o 陶瓷，扫描电镜观察表明晶粒与原始颗粒尺寸( 3 4 岬) 相比几乎没有 长大【2 5 】。此外还制备出了致密的c u p b s r - c a - c u o 、b i p b s r c a - c u - o 等超导材料【1 6 ，l0 2 】。 1 4 1 2 介电材料 清华大学的k e p ic h e n 等用s p s 法制备了p b ( n i l ，3 m 协) p b t i 0 3 介电陶瓷，并研究 1 6 第一章绪论 了其组织和电性能。采用s p s 粉末在8 0 0 ，2 0 m p a 仅保温3 m i n 就可以达到9 9 的相 对密度，此烧结温度比常规烧结的温度( 1 2 0 0 ) 要低4 0 0 。该陶瓷在8 4 的最大介 电常数大大高于常规烧结的同类材料【1 2 2 1 ，此外还研究了类似的o 7 p b ( m g l ，3 n b 2 ，3 ) 0 3 一 o 3 p b 啊0 3 铁电陶瓷【1 2 3 】和p b ( 3 1 h 7 0 3 ) 陶瓷等【1 2 4 】。 1 4 1 3 多孔材料 s p s 不仅可在短时间内使难烧结的材料致密化，而且选择合适的工艺参数还可制取 理想的多孔材料。z s o n g 和s k i s l l i m o t o 等用s p s 法制备出空心球结构的泡沫n i p 合 金，烧结体的密度为2 1 以 3 9 c m 3 ，这种多孔材料具有优异的阻尼性能【1 2 5 】。k a k h o r 等对无序堆积的不锈钢空心球体( 外径为2 3 咖) 进行了s p s 烧结，烧结温度为1 0 0 0 1 2 0 0 ，烧结时间为3 i i l i n ，烧结后多孔金属的有效孔隙为2 5 4 4 2 4 【1 2 6 】。 目前由s p s 法烧结的材料体系如表1 2 所示【1 2 7 】。 表1 _ 2 由s p s 法烧结的材料 t a b l el 2v 岍o i l sm 蹴 a i ss i n t e r e db ys p s 分类 举伊i 金属系 2 ：嚣盖：等j ： 几乎所有的金属 氯化物 j q z r q ，m 8 0 ，s i q 。t j 岛。h f 旺 陶 碳化物 s i c b c t l c ，t i c w c z r c v c 瓷氮化物s bn 。t a n t i n a l n z r n 。v n 暴 疆化耪t i 磁h f 岛，l _ 邑。z r 岛，v 岛 氯化物l i f 。m 寥f | s bn + n i a l2 q + m z r 岛+ n 金属掏宪a l 】q + t i c 。s u s + 2 r q 。舢i q + s u s s u s + w c ，c d b n + f e w c c o + f o 金属阍他食物芝：篙要：誓0 善。灿， 其 它 有机材奉斗( 聚戢亚胺等) 。复合枋丰斗 此外，电流烧结技术还可以应用于表面处理【1 2 8 】、晶体生长【7 l 】、微型器件的制造【1 2 9 l 等。 p ：a s ，s p s 等电流烧结新技术的出现虽然只有十多年的历史，但已经迅速应用于各种 新材料的肯4 备和加工领域，显示出明显的技术优势。然而从目前的研究对象看，所制各 的材料种类多集中在陶瓷、金属间化合物、硬质合金、复合材料、梯度材料等，丽在目 前工业生产量最大的结构材料如钢铁材料方面的应用十分有限。 华南理工大学博士学位论文 1 5 电流烧结技术的理论研究进展 虽然s p s 等电流烧结新技术在短短十年时间内得到了飞速发展，但是至今其烧结机 理并不十分明了。p a s 制造商认为，( 1 ) 在脉冲电流作用下金属颗粒之间产生等离子体， 净化金属颗粒表面，提高烧结活性：( 2 ) 放电冲击压力有助于原子的扩散，( 3 ) 自身电 阻加热有利于塑性变形，( 4 ) 在电场的作用下金属原子的扩散自由能降低加速了原子 的扩散；s p s 制造商也强调放电等离子体对烧结的促进作用【3 5 1 。国内外学者对于s p s 烧结过程中是否存在放电等离子体，以及金属和陶瓷的不同烧结机理等问题，展开了一 系列的讨论。 i s h i y a m a 利用p a s 装置和热压装置研究了金属( 镀) 颗粒的烧结过程，发现p ：a s 烧结的晶粒比热压烧结的晶粒细小，而且具有定向性。i s h i y 锄噙认为p a s 过程中金属颗 粒之间可能产生了等离子体，从而对烧结过程以及定向性晶粒的形成发挥作用。t o k i t a 在s p s 过程中观察到青铜合金晶粒之间颈的形成，并推测该现象源于脉冲电流在金属颗 粒间诱发的等离子体。m a t i l g i 等研究了脉冲电流对铜粉坯体电阻率的影响。在相同的脉 冲时间内，随着脉冲次数( 脉冲频率) 的增加，铜粉坯体的电阻率下降。他们认为脉冲电 流能有效地摧毁铜颗粒表面的氧化膜【3 5 1 。而另一文献中，g u o q i 锄gx i e 等研究了脉冲频 率对a l 粉坯体密度、电阻率和抗拉强度的影响，结果却显示，脉冲频率对密度、电阻 率和抗拉强度没有明显影响，不同脉冲频率烧结的显微组织以及烧结活化能的差异也不 明显【1 3 0 1 。王士维等【5 5 】利用p a s 装置考察了铜粉坯体的升温过程，发现脉冲电流的采用 有助于提高随后电阻加热的升温速率。认为脉冲电流可能诱发了铜颗粒表面状态的变 化，引起铜粉坯体的电阻增加【1 3 1 1 。k 凡a n d e r s o n 等用高分辨电镜观察了在空气中p a s 烧结的w 和n i a l 烧结体，发现w 晶界并无氧化物，但存在非晶相：而n i a l 合金的晶 界附近存在颗粒状的a 1 2 0 3 相，认为烧结过程产生的等离子造成了金属粉末氧化物完全 或部分去除，非晶相的出现也可能是由高能离子的轰击所致【1 3 2 】。最近，0 y 醐a g i 趿w a 通过光学显微镜对球形铜粉的放电等离子烧结过程进行了观察，在0 5 s 的单次脉冲时洲 内拍摄到了l 处脉冲放电现象，从而用试验证实了s p s 过程中确实存在放电现象【1 3 3 】。 目前，电流烧结更多地被用于陶瓷等非导电材料的烧结，许多研究者对非导电粉末 的烧结机理进行了研究。戳s