先進(jìn)成型與燒結(jié)技術(shù)-2015

1、1 1概述概述2 2先進(jìn)成型技術(shù)先進(jìn)成型技術(shù)3 3先進(jìn)的燒結(jié)與致密化技術(shù)先進(jìn)的燒結(jié)與致密化技術(shù)粉末冶金工藝與陶瓷材料制備工藝具有極大的相似性。粉末冶金工藝與陶瓷材料制備工藝具有極大的相似性。其共同特性主要表現(xiàn)在：其共同特性主要表現(xiàn)在： 研究對象具有相同的物理形態(tài)，即粉末狀態(tài)研究對象具有相同的物理形態(tài)，即粉末狀態(tài) 制備工藝過程幾乎完全相同制備工藝過程幾乎完全相同 粉末在加工過程中具有相同或相似的物理粉末在加工過程中具有相同或相似的物理化學(xué)化學(xué) 變化規(guī)律，服從相同或相似的理論規(guī)律。變化規(guī)律，服從相同或相似的理論規(guī)律。幾乎所有的先進(jìn)的粉末冶金制備技術(shù)都可以用來制備先進(jìn)工程幾乎所有的先進(jìn)的粉末冶金制備

2、技術(shù)都可以用來制備先進(jìn)工程陶瓷，但粉末冶金的后加工手段是工程陶瓷制備中難以使用的。陶瓷，但粉末冶金的后加工手段是工程陶瓷制備中難以使用的。材料成型問題主要涉及粉末冶金和陶瓷材料制備材料成型問題主要涉及粉末冶金和陶瓷材料制備1.4 粉末冶金技術(shù)的應(yīng)用粉末冶金技術(shù)的應(yīng)用在金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料方法廣泛應(yīng)用。在金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料方法廣泛應(yīng)用。2.1 概述概述 (1) 成型方法的分類成型方法的分類 成型可分為：加壓成型和無壓成型，成型可分為：加壓成型和無壓成型， 也可分為模壓成型和特殊成型工藝。也可分為模壓成型和特殊成型工藝。按照原料的特性來分類，可分為：按照原料的特性來分類，可分為：

3、 粉料成型法：模壓成型、冷等靜壓成型等粉料成型法：模壓成型、冷等靜壓成型等,一般為壓力成型一般為壓力成型 塑性料成型法：擠壓、軋模、注射成型等塑性料成型法：擠壓、軋模、注射成型等 漿料成型法：粉漿澆注、流延成型等漿料成型法：粉漿澆注、流延成型等 熱致密化成型：熱壓、熱等靜壓、熱煅等熱致密化成型：熱壓、熱等靜壓、熱煅等 特殊的致密與成型技術(shù)特殊的致密與成型技術(shù)模壓成型零件模壓成型零件冷等靜壓成型零件冷等靜壓成型零件注射成型零件注射成型零件(1) 模壓成型法模壓成型法可分為單向與雙向模壓成型（影響成型坯體的密度）。可分為單向與雙向模壓成型（影響成型坯體的密度）。特點(diǎn)：工藝簡單，特點(diǎn)：工藝簡單，易于

4、自動化。易于自動化。缺點(diǎn)：復(fù)雜形狀缺點(diǎn)：復(fù)雜形狀的零件難以制備。的零件難以制備。特點(diǎn)：特點(diǎn)：a. 能生產(chǎn)具有復(fù)雜形狀的零件能生產(chǎn)具有復(fù)雜形狀的零件 b. 壓力均勻傳遞、壓坯密度均勻、坯體強(qiáng)度高壓力均勻傳遞、壓坯密度均勻、坯體強(qiáng)度高 c. 模具成本低廉模具成本低廉模具的制造是最為關(guān)鍵的因素模具的制造是最為關(guān)鍵的因素混合料塑性的獲得可以通過：混合料塑性的獲得可以通過： a. 粉末本身具有塑性變形能力粉末本身具有塑性變形能力 b. 添加增塑劑獲得變形能力添加增塑劑獲得變形能力具有塑性的粉末可以通過成型方法達(dá)到加工的目的具有塑性的粉末可以通過成型方法達(dá)到加工的目的塑性成型可以分為：擠壓成型、軋制成型、

5、注塑成型塑性成型可以分為：擠壓成型、軋制成型、注塑成型(1) 擠壓成型擠壓成型 擠壓成型擠壓成型是指粉末體或者可塑性泥團(tuán)在壓力作用下，通過成型模嘴擠是指粉末體或者可塑性泥團(tuán)在壓力作用下，通過成型模嘴擠 成預(yù)期的制品。成預(yù)期的制品。按照擠壓條件的不同可分為冷擠和熱擠。按照擠壓條件的不同可分為冷擠和熱擠。在擠壓成型工藝中，不論是具有變形能力的金屬粉末還是脆硬的陶瓷粉在擠壓成型工藝中，不論是具有變形能力的金屬粉末還是脆硬的陶瓷粉末，都需使用有機(jī)增塑劑提高混合粉末塑性、便于成型。末，都需使用有機(jī)增塑劑提高混合粉末塑性、便于成型。將粉末混合料喂入兩軋輥間隙中，通過軋制壓力壓軋成為具將粉末混合料喂入兩軋輥

6、間隙中，通過軋制壓力壓軋成為具有適當(dāng)強(qiáng)度的板帶坯料，再經(jīng)燒結(jié)和后處理工藝后成為帶材，有適當(dāng)強(qiáng)度的板帶坯料，再經(jīng)燒結(jié)和后處理工藝后成為帶材，主要用于板帶狀的材料制造。主要用于板帶狀的材料制造。 可分冷軋和熱軋工藝?？煞掷滠埡蜔彳埞に嚒?軋制成型的主要特點(diǎn)：軋制成型的主要特點(diǎn)： a. 制造一般軋制工藝無法生產(chǎn)的板帶材，（多孔板材等）制造一般軋制工藝無法生產(chǎn)的板帶材，（多孔板材等） b. 成分精確，組織均勻成分精確，組織均勻 c. 工藝簡單，節(jié)省能源，成材率高工藝簡單，節(jié)省能源，成材率高AlNAl 注射成型方法是粉末冶金技術(shù)同塑料注射成型技術(shù)相結(jié)合的注射成型方法是粉末冶金技術(shù)同塑料注射成型技術(shù)相結(jié)合

7、的一項新工藝。它是將粉末與成形劑均勻混合使之在一定溫度下具一項新工藝。它是將粉末與成形劑均勻混合使之在一定溫度下具有良好的可塑性，然后將這種可塑性粉末注射模具中，冷卻后可有良好的可塑性，然后將這種可塑性粉末注射模具中，冷卻后可得到所需的零件生坯。得到所需的零件生坯。主要特點(diǎn)是：材料結(jié)構(gòu)均勻性好、可成形大批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺主要特點(diǎn)是：材料結(jié)構(gòu)均勻性好、可成形大批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸小、精度高的制品。寸小、精度高的制品。在注射成型工藝中，最關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)包括：在注射成型工藝中，最關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)包括： a. a. 成型劑的配制與添加成型劑的配制與添加 b. b. 成型劑的脫出成型劑的脫出成型劑的脫出可

8、采用溶解浸出法和加熱分解法兩種：成型劑的脫出可采用溶解浸出法和加熱分解法兩種： 溶解浸出法是把成型坯體放入溶劑抽取裝置中，除去粘結(jié)劑溶解浸出法是把成型坯體放入溶劑抽取裝置中，除去粘結(jié)劑，形成具有一定密度的坯體。，形成具有一定密度的坯體。 加熱分解法：是把注射成型坯體置于加熱爐中，在加熱條件加熱分解法：是把注射成型坯體置于加熱爐中，在加熱條件下使粘結(jié)劑逐步分解而脫去成型劑。這個過程可以和燒結(jié)設(shè)備化過下使粘結(jié)劑逐步分解而脫去成型劑。這個過程可以和燒結(jié)設(shè)備化過程連在一起進(jìn)行。程連在一起進(jìn)行。 漿料成型是將粉末與水或其它有機(jī)液體制成一定濃度的懸浮粉漿，漿料成型是將粉末與水或其它有機(jī)液體制成一定濃度的懸

9、浮粉漿，注入具有所需形狀的石膏模中，達(dá)到成型制品的目的，其關(guān)鍵工藝注入具有所需形狀的石膏模中，達(dá)到成型制品的目的，其關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)是模具的設(shè)計和漿料的制備環(huán)節(jié)是模具的設(shè)計和漿料的制備新的漿料成型工藝：新的漿料成型工藝：壓力注漿工藝壓力注漿工藝離心注漿工藝離心注漿工藝真空注漿工藝等真空注漿工藝等 一種動態(tài)連續(xù)的注漿成型工一種動態(tài)連續(xù)的注漿成型工藝。將料漿由料斗槽中流入基藝。將料漿由料斗槽中流入基材上，由刮刀控制膜的厚度，材上，由刮刀控制膜的厚度，成膜后的漿料經(jīng)烘干后得到膜成膜后的漿料經(jīng)烘干后得到膜坯，燒結(jié)后得到薄的片材。坯，燒結(jié)后得到薄的片材。主 要 用 于 制 備 厚 度 小 于主 要 用 于

10、制 備 厚 度 小 于0.050.05 m m的薄片。如多層膜電容的薄片。如多層膜電容器等，主要工藝控制包括粉末器等，主要工藝控制包括粉末粒度（細(xì)粉最好），料漿流動粒度（細(xì)粉最好），料漿流動性好。性好。 熱致密化成型技術(shù)主要包括：熱壓、熱等靜壓、熱擠壓、熱軋制技術(shù)，其主熱致密化成型技術(shù)主要包括：熱壓、熱等靜壓、熱擠壓、熱軋制技術(shù)，其主要特點(diǎn)是成型與燒結(jié)一步完成，同時，在高溫作用下，粉末處于熱塑性狀態(tài)，成要特點(diǎn)是成型與燒結(jié)一步完成，同時，在高溫作用下，粉末處于熱塑性狀態(tài)，成型壓力低，時間短，制品晶粒細(xì)小、密度高。型壓力低，時間短，制品晶粒細(xì)小、密度高。(1) (1) 熱壓熱壓 在高溫條件下，對粉

11、末施以一定的壓力，從而促進(jìn)粉末的燒結(jié)和致密化。熱在高溫條件下，對粉末施以一定的壓力，從而促進(jìn)粉末的燒結(jié)和致密化。熱壓燒結(jié)中，成型壓力一般不大于壓燒結(jié)中，成型壓力一般不大于40MPa40MPa，其主要缺點(diǎn)是生產(chǎn)率低，成本高。，其主要缺點(diǎn)是生產(chǎn)率低，成本高。 按照加熱方式不同，熱壓可分為直接加熱法和間接加熱法按照加熱方式不同，熱壓可分為直接加熱法和間接加熱法 直接加熱：直接加熱：是將加熱電流通過裝有粉末的石墨模具，使模具發(fā)熱，達(dá)是將加熱電流通過裝有粉末的石墨模具，使模具發(fā)熱，達(dá) 到加熱加壓致密化的目的，這種工藝中溫度較難控制，并到加熱加壓致密化的目的，這種工藝中溫度較難控制，并 且溫度場分布不均勻

12、。且溫度場分布不均勻。 反應(yīng)燒結(jié)工藝還可制備復(fù)合材料如反應(yīng)燒結(jié)工藝還可制備復(fù)合材料如SiC/Si3N4等等 SiC + Si + N2 - SiC + Si3N4 利用液體在多孔體中毛細(xì)作用，讓熔融的金屬自動地利用液體在多孔體中毛細(xì)作用，讓熔融的金屬自動地填充到粉末壓坯或多孔預(yù)制件中，排出多孔體中的氣體，填充到粉末壓坯或多孔預(yù)制件中，排出多孔體中的氣體，冷卻后即可得到所需的致密材料。從本質(zhì)上講，熔浸工冷卻后即可得到所需的致密材料。從本質(zhì)上講，熔浸工藝是液相燒結(jié)的一種特殊情況。其主要特點(diǎn)只無燒結(jié)收藝是液相燒結(jié)的一種特殊情況。其主要特點(diǎn)只無燒結(jié)收縮、工藝時間短，可制備近凈成型制品?？s、工藝時間短，

13、可制備近凈成型制品。 這種工藝可以制備難熔金屬這種工藝可以制備難熔金屬易熔金屬復(fù)合體（假易熔金屬復(fù)合體（假合金）合金）金屬陶瓷復(fù)合材料等。金屬陶瓷復(fù)合材料等。 采用熔浸工藝制備采用熔浸工藝制備的材料體系必須具備如的材料體系必須具備如下條件：下條件： 兩種材料熔點(diǎn)相差兩種材料熔點(diǎn)相差大，否則會造成零件變大，否則會造成零件變形形 兩種材料應(yīng)具有良兩種材料應(yīng)具有良好的浸潤性，浸潤角小好的浸潤性，浸潤角小于于90 兩種材料間不會發(fā)兩種材料間不會發(fā)生相互溶解或溶解度不生相互溶解或溶解度不大。大。 主要熔浸工藝包括：接觸法、全部熔浸法、部分熔浸法，主要熔浸工藝包括：接觸法、全部熔浸法、部分熔浸法，為了提高

14、熔浸速度，還可采用真空或壓力輔助。為了提高熔浸速度，還可采用真空或壓力輔助。sheetwirelikeparticles Three models for analysis of atoms diffusion SPS 800 Cu Ni SPS 850 Cu Ni SPS 900 Cu Ni C/C0 X(um) C/C0 X(um) 5m5m5 FeCu800, 5min750 , 5minFeCu850, 5min5 5m5 FeCu-1010.00.20.40.60.81.0 Fe(1073K/300s) Cu(1073K/300s) Fe(1123K/300s) Cu(1123K/3

15、00s) Fe(1173K/300s) Cu(1173K/300s)Content (%)D i s t a n c e (um)-1010.00.20.40.60.81.0 Fe(1073K/3600s) Cu(1073K/3600s) Fe(1123K/3600s) Cu(1123K/3600s) Fe(1173K/3600s) Cu(1173K/3600s)Content (%)D i s t a n c e (um)Heating ModeTemperature (K)Holding Time (s)Distance of Diffusion (um)Diffusion Coeffic

16、ients (10-13cm2/s)FeCuSPS10733000.731.881.5411231.862.021.9011732.402.993.26HP107336001.890.2120.21611232.020.2430.23711732.400.2970.265Layer out for Measuring Temperature-600-500-400-300-200-100001020304050Semidiameter(mm)Temperature difference（）TiB2-BN(1.5 /s)TiB2-BN(2.8 /s)border between the samp

17、leand the dieCalculated results of temperature fields (0-20mm : TiB2-BN , 20mm-45mm:die) Tested temperature vs. heating time（TiB2-BN，3K/s） 0200400600800100012001400160018000100200300400500600Time(s)Temperature()temperature of die bordertemperature of sample bordertemperature of sample center-200-180

18、-160-140-120-100-80-60-40-20001020304050Semidiameter(mm)Temperature（）Cu-6.5/sCu-2.0/sborder betweenthe sample andthe dieCalculated temperature for Cu 01002003004005006007008009001000050100150200250300350400450500550600Time（s）Temperature（）Temperature of sample border Temperature of sample center Temp

19、erature of sample 1/2 radius Temperature of die borderTested temperature vs. heating time (Cu,2K/s) 中心溫度中心溫度邊緣溫度邊緣溫度（a）t=0min （b）t=1min 溫度T/t0100 300 500 700溫度T/t2100 300 500 700Measured T distributions during SPS welding of Ti-6Al-4V溫度T/t5100 300 500 700100 300 500 700溫度T/t105（c）t=5min （d）t=10min a

20、20mb2m Joining of Ti-6Al-4V/ Ti-6Al-4V by SPSM/C welding (a) Ni interlayer ; (b) Cu interlayer.TiB2-Ni cermetsNi foilTi6Al4VaTiB2-Ni cermetsCu foilTi6Al4Vb 石墨模具石墨模具溫度溫度/ / 0 0C C保溫保溫 /min/min壓力壓力/ / MPaMPa抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度/MPa/MPa損壞點(diǎn)損壞點(diǎn)SPSSPS無無6006005 55 5789789連接處連接處6506505 55 5826826連接處連接處7007005 55 589389

21、3基體基體有有75075010105 5254254連接處連接處80080010105 5430430連接處連接處85085010105 5886886基體基體HPHP無無800800303016166262連接處連接處60601616650650連接處連接處Comparing of joining of joined Ti-6Al-4V by SPS and HP 它是一種它是一種數(shù)數(shù)字模型字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用特定的特定的材料，通過打印一材料，通過打印一層層的層層的材料材料來制造三維的物體。來制造三維的物體?？捎糜诖蛴〉慕橘|(zhì)種類多樣： 塑料、金屬、陶瓷以及橡膠類物質(zhì)?？梢越Y(jié)

22、合不同材料體系，打印出多疊成梯度材料（FGM）。1、數(shù)字光處理數(shù)字光處理（Stereo lithography ApparatusStereo lithography Apparatus，SLA SLA ）：）：使用“噴墨”的方式：采用打印機(jī)噴頭將一層極薄的液態(tài)塑料物質(zhì)噴涂在鑄模托盤上，此涂層然后被置于紫外光下固化。然后進(jìn)行下一層打印堆疊。2、熔融沉積成型熔融沉積成型（Fused Deposition ModelingFused Deposition Modeling，F(xiàn)DMFDM） ：在噴頭內(nèi)熔化塑料，然后通過沉積塑料纖維的方式形成薄層，逐層疊加。3、選擇性激光燒結(jié)選擇性激光燒結(jié)（ Selecting Laser Sintering Selecting Laser Sintering，SLSSLS）以粉末微粒作為打印介質(zhì)。粉末微粒被噴撒在鑄模托盤上形成一層極薄的粉末層，用激光熔鑄成指定形狀，4、電子束熔化成型：利用真空中的電子流熔化粉末微粒。 3D 3D打印機(jī)的工作原理和傳統(tǒng)打印機(jī)基本一樣，都是由控制組件、機(jī)械組件、打印機(jī)的工作原理和傳統(tǒng)打印機(jī)基本一樣，都是由控制組件、機(jī)械組件、打印頭、耗材和介質(zhì)等架構(gòu)組成的，打印原理是一樣的。打印頭、耗材和介質(zhì)等架構(gòu)組成的，打印原理是一樣的。 3D 3D打印機(jī)主要是在打印前在電腦上設(shè)計了一個完整的三維立體模型，然后打印機(jī)主要是