粉末冶金烧结技术的研究进展.

1、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（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

2、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

3、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1

4、00%,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

5、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、咼频率发生，601?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、

6、 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1500C /分钟,对

7、某些材料甚至可以 以很少的输入能量实现2000C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 activate

8、d 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

9、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 ,

10、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

11、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 ,HSAS2003年,西安交通大学柴东朗课题组在原位观 察Al -10Mg二元纯金属粉末体系的烧 结过程时发 现，普通电阻加热形成的波动温度场对烧结具有热振荡活化效应，能较大程度上提高镁颗粒在铝基体中的 熔化速度，波动温度场的烧结过程要比恒温场短 很多。由于利用电阻加热的传统烧结工艺有着广泛的应用基础，这对充分发挥现有的烧结设备的工

12、作潜 力，提高设备的工作效率都有直接的指导意义，从而可以改善烧结体的质量，提高粉末冶金的生产效率，以及节约能源和降低新设备投入等 等。粉末冶金烧结技术，实现了复杂形状零件的高精 度、批量化生产，其成品率 高、加工能耗少。相信在不远的将来，粉末冶金烧结工艺还会有更快速的发展? 7 0 1各种烧结新工艺将不断面世，推动社会科技的进步。近年来，粉末冶金新技 术、新工艺不断被开发出 来。德国正在研究微金属注射成形与微陶瓷注射成形技术，最小的微金属注射成形件尺寸仅为 50卩m比传统粉末注射成形技术制得的 部件更小，促进了微型 系统制造技术的发展。多相喷射固结法也是一种新 的自由 成形技术，可用于制造生物

13、医学零件，利用多相喷射固结法，根据CT扫描得到的 假体的三维描述，就可以制造出通常外科所需零件，而无需开刀去实际测量。将 金属粉或陶瓷粉与粘结剂混合，形成均匀混合料，将这些混合料按技术要求进行喷 射，一层一层地形成一个零件，在部件形成之后，其中的粘结 相用化学法或者加热 去除，而后烧结到最终密度。另一项粉末冶金新技术是美国麻省理工学院发明的 三维印刷法，该法是根据印刷技术，通过计算机辅助设 计,将粘结剂精确沉积到一 层金属粉末上逐层印刷个生坯件 。 ,度 。 6的飞速发展 , 粉末冶金制品越来越多地应用于各行各 业中 , 应用领域不断扩大 , 粉末冶金新技术层出不 穷 。 我国的粉末冶金工业在

14、产品数量 、 质量与技术方 面 与先进国家相比 , 尚有不小差距 。因此 , 我们应及 时了解与掌握不断出现的新技 术 , 同时开发我们自己 的新技术 。参考文献 :1 G. O Donnell , L. Looney. Production of aluminiummatrix composite components using conventional PM technology J .Materials Science and Engineering ,2001,A303:292-301;2 G. S. Upadhyaya Some issues in sintering scienc

15、e and technology J.Materials Chemistry and Physics , 2001, 67:1-5;3 , %微波烧结技 ,2001,Vol. 96(6 : -Joanna R. Field activation provides sintering J .PM Special Feature , 2000, MPR J uly/August :16-18.5陈继民等，金属粉末激光选区烧结行为的研 究J.北京工业大学学 报，2002,28(4 :479-482; 6亓家钟，陈利民，粉末冶金新技术J.粉末冶金工 业 ,2004,14(1 :23-27Current

16、 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 naAbstract :Sintering is one of the most importantJsteps of powder metallurgy (PM . Impro ving the sin teri ngquality or in creas ing sin teri ng