先進(jìn)成型與燒結(jié)技術(shù)

先進(jìn)成型與燒結(jié)技術(shù)第1頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三1．成型與加工技術(shù)概述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：

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

粉末在加工過程中具有相同或相似的物理—化學(xué)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第2頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第3頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三1.2一般的粉末冶金工藝的主要環(huán)節(jié)

第4頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三成型的目的：獲得一定形狀和尺寸的坯樣。并使

其具有一定的密度和強(qiáng)度。

基本成型方法有：有壓成型和無壓成型。

燒結(jié)：是為了獲得所要求的物理和機(jī)械性能。

后處理與加工：是為調(diào)整和控制材料結(jié)構(gòu)，以獲

得更優(yōu)的工作性能。

第5頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三1.3粉末冶金的發(fā)展歷程及特點(diǎn)第6頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三粉末冶金技術(shù)的特點(diǎn)：

(1)可生產(chǎn)普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有特殊性能

和結(jié)構(gòu)的材料

多孔材料(陶瓷過濾器、分子篩等）

各種復(fù)合材料（疊層材料:雙金屬、疊層陶瓷）

(2)采用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)的某些材料，與普通熔煉

法相比具有更加優(yōu)異的性能

高合金粉末冶金制品性能更優(yōu)，如高速鋼、超合金制品。

難熔金屬制品一般采用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)，如W、Mo制品

(3)粉末冶金制品是一種少切屑無切屑的加工工藝。第7頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三主要缺點(diǎn)：

成本高

制品的大小形狀受到一定的限制

材料和制品的韌性較差第8頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三1.4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。第9頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三2．先進(jìn)成型技術(shù)2.1概述

(1)成型方法的分類成型可分為：加壓成型和無壓成型，也可分為模壓成型和特殊成型工藝。按照原料的特性來分類，可分為：粉料成型法：模壓成型、冷等靜壓成型等,一般為壓力成型塑性料成型法：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)第10頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第11頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第12頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第13頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三(2)成型前的原料處理

原料的預(yù)處理是為了調(diào)整和改善粉末原料的物理、化學(xué)特性，使之適應(yīng)后續(xù)加工工藝和產(chǎn)品性能的需要。

主要的原料的預(yù)處理工藝包括：

煅燒：除去雜質(zhì)、提高純度；改變晶型，增加晶粒度等

原料塑化：除去雜質(zhì)、提高純度；改變晶型，增加晶粒度等

造粒：普通造粉、壓制造粉、噴霧造粉第14頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三2.2粉料成型法(1)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）。特點(diǎn)：工藝簡單，易于自動化。缺點(diǎn)：復(fù)雜形狀的零件難以制備。第15頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三(2)等靜壓成型

特點(diǎn)：a.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

c.模具成本低廉第16頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三主要工藝有：

濕式等靜壓成型和干袋式等靜壓成型模具的制造是最為關(guān)鍵的因素第17頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三2.3塑性成型法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

b.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。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末，都需使用有機(jī)增塑劑提高混合粉末塑性、便于成型。第18頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三

擠壓成型的特點(diǎn)：

a.中空的管件，及復(fù)雜形狀的試件

b.縱向成型體和橫向密度均勻

c.工藝連續(xù)性強(qiáng)第19頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三影響擠壓成型工藝的主要因素:

a.增塑劑含量的影響，增塑劑多，擠壓壓力下降

b.預(yù)壓壓力的影響，預(yù)壓壓力大，擠壓壓力增大

c.擠壓溫度的影響，溫度高，擠壓壓力下降

d.擠壓進(jìn)度，（過快的速度造成擠壓件斷裂）第20頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三(2)軋制成型（軋膜成型）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?？煞掷滠埡蜔彳埞に嚒＼堉瞥尚偷闹饕攸c(diǎn)：

a.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

c.工藝簡單，節(jié)省能源，成材率高AlNAl第21頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第22頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第23頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三(3)注射成型方法（Injectionmolding）

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：

a.成型劑的配制與添加

b.成型劑的脫出第24頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第25頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第26頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三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，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。第27頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三2.4漿料成型法

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，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)計和漿料的制備新的漿料成型工藝：壓力注漿工藝離心注漿工藝真空注漿工藝等

第28頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三2.5流延成型工藝

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)烘干后得到膜坯，燒結(jié)后得到薄的片材。主要用于制備厚度小于0.05m的薄片。如多層膜電容器等，主要工藝控制包括粉末粒度（細(xì)粉最好），料漿流動性好。第29頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三2.6熱致密化成型技術(shù)

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)，成型壓力低，時間短，制品晶粒細(xì)小、密度高。(1)熱壓在高溫條件下，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40MPa，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

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)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。第30頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三

間接加熱：則是將待壓粉末置于模具中，模具放在高溫爐內(nèi)加壓達(dá)到指定溫度。高溫爐可以是高、中頻感應(yīng)爐，碳管爐或電阻爐。第31頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三(2)熱等靜壓等靜壓技術(shù)是當(dāng)代粉末冶金技術(shù)發(fā)展的成果之一。壓力通過傳力介質(zhì)均勻地作用于待壓粉末上，可形成結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)良的制品。

冷等靜壓（CIP）：水、油、氣作介質(zhì)

熱等靜壓（HIP）：一般以氣作介質(zhì)主要優(yōu)點(diǎn)：

a.能夠制備復(fù)雜形狀的構(gòu)件（模具設(shè)計十分重要）

b.壓坯密度分布均勻

c.壓坯強(qiáng)度高，便于加工運(yùn)輸

d.制品密度高，性能優(yōu)良缺點(diǎn)：a.坯體表面光潔度不高，需修坯處理

b.生產(chǎn)效率不高，模具壽命短第32頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第33頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三熱等靜壓的工作制度壓力控制：一般沒有特殊的升壓和降壓制度，在一定時間內(nèi)達(dá)到工作壓力即可，但一般遲于工作溫度。

溫度制度：依照物料對溫度的要求而制度，一般可實(shí)現(xiàn)快速升溫。第34頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三燒結(jié)—熱等靜壓法

為了克服常規(guī)熱等靜壓技術(shù)對模具（或成為包套）的特殊要求，發(fā)展了一種自包套熱等靜壓技術(shù)：燒結(jié)—熱等靜壓法。它是將模壓或冷等靜壓后的制品砌坯放入熱等靜壓中，將脫臘、預(yù)燒和熱等靜壓結(jié)合起來一步實(shí)現(xiàn)高密度制品的獲得。第35頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三影響熱等靜壓工藝的主要因素

(1)熱等靜壓的溫度，一般低于常規(guī)燒結(jié)（約為熔點(diǎn)的0.5）

(2)熱等靜壓壓力的影響，高的壓力可獲得很高的致密度

(3)包套制備技術(shù)的影響

預(yù)制包套：保證包套密封性，選擇適合的包套材料

燒結(jié)—HIP：應(yīng)保證盡量形成閉孔

第36頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三2.7特殊的致密化成型技術(shù)噴射成型噴射成型是將噴射沉積與成形技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的一種新型的制粉成型一體化新工藝。該工藝用于制備各種板、帶材、棒、管材等。

基本原理：熔體被高壓惰性氣體粉碎并霧化成微粒，直接噴射在低溫襯底表面，這些微粒被撞扁形成片狀物經(jīng)沉積、聚積、凝固成為沉淀物。

主要特點(diǎn)：

a.材料界面污染少，具有極細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)。適當(dāng)控制冷卻速度還可以制備出準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)或非晶結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。材料成分均勻、雜質(zhì)偏析少。

b.能夠制成多層復(fù)合金屬材料或復(fù)合材料。第37頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三(2)噴射成型工藝將噴射成型的基本原理同各種工藝相結(jié)合發(fā)展了噴射軋制技術(shù)、噴射鍛造工藝、噴射離心沉積工藝等。第38頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第39頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三

(3)爆炸成型

在成型過程中，為了獲得高的初坯密度或最終密度，成型壓力扮演了一個重要的角色。常規(guī)工藝一般僅能獲得百兆帕以下的成形壓力。但是研究發(fā)現(xiàn)，在極端條件下獲得的極高的壓力可得到極高的成形密度。一個典型的例子就是利用爆炸產(chǎn)生的沖擊壓力來實(shí)現(xiàn)材料成形。爆炸過程中，一般可以產(chǎn)生100MPa的沖擊壓力，在如此高的壓力下，材料的變形性質(zhì)發(fā)生了根本的變化，塑性流動極快，脆性材料也可具有塑性流動性。不論是金屬、陶瓷，還是復(fù)合材料均可采用爆炸成型工藝第40頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三爆炸成型可分為直接加壓和間接加壓兩種方式

第41頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三爆炸成型中，爆炸沖擊速度（即能量）是最重要的工藝參數(shù)，能量越大，制品的密度越高。對某些金屬材，如：Cu、Ni、Ti等可直接獲得接近理論密度的制品。

第42頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三3．先進(jìn)的燒結(jié)致密化技術(shù)3.1概述

一般而言，燒結(jié)是粉末冶金技術(shù)中的最后一道主要工序，對制品的性能起著決定性作用，材料的主要物理—化學(xué)性能都與燒結(jié)過程有著密切的聯(lián)系。

燒結(jié)的分類

燒結(jié)是粉末坯體在高溫作用下，通過顆粒間的復(fù)雜的物理—

化學(xué)變化而形成具有合理結(jié)構(gòu)晶型和組織的工藝過程。按照燒結(jié)過程的機(jī)理分類可分為：

單元系燒結(jié)：一般為固相燒結(jié)，如高熔點(diǎn)金屬、單相陶瓷等

多元系燒結(jié)：低于低共熔點(diǎn)的固相燒結(jié)（無限固溶、有限固溶、完全不溶）

溶浸：一種燒結(jié)的特例，通過溶化后浸入骨架材料而致密化。

第43頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三燒結(jié)過程研究中，最基本的問題是：

a.燒結(jié)驅(qū)動力問題

b.燒結(jié)的過程動力學(xué)

燒結(jié)的基本過程可包括：顆粒的粘結(jié)形成頸部

頸部的長大形成閉孔，閉孔的球化和縮小。燒結(jié)的動力學(xué)機(jī)制可以包括：粘性流動、蒸發(fā)凝聚、體積擴(kuò)散、表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散、擴(kuò)散過程、塑性流動任何一種機(jī)制都不可能全面地描述燒結(jié)過程，從本質(zhì)上講，燒結(jié)過程是一個復(fù)雜的過程，是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果。由此而提出了“綜合作用燒結(jié)理論”。第44頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三第45頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三燒結(jié)工藝可以分為：

(1)無壓固相燒結(jié)

(2)機(jī)械壓力燒結(jié)：如熱壓、熱擠壓、熱扎等

(3)氣壓燒結(jié)：低壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)

(4)反應(yīng)燒結(jié)

(5)液相燒結(jié)

(6)熔浸燒結(jié)工藝

(7)特種燒結(jié)技術(shù)：如微波燒結(jié)、激光燒結(jié)、

等離子放電燒結(jié)、場輔助燒結(jié)等

發(fā)展方向：高效快速燒結(jié)技術(shù)第46頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三3.2反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)（ReactionSintering）

利用高溫?zé)Y(jié)過程中的化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)活化燒結(jié)，從而在較低的溫度

下得到高度致密的材料。是制備可設(shè)計材料的典型方法。

主要特點(diǎn)是：反應(yīng)燒結(jié)制品的成分可以通過預(yù)先設(shè)計而確定

材料制品的顯微結(jié)構(gòu)優(yōu)良、晶粒細(xì)小而均勻

燒結(jié)收縮小，可制備近凈成型材料

材料強(qiáng)度高于無壓燒結(jié)制品

反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)與熱壓或熱等靜壓技術(shù)相結(jié)合可獲得更加廣泛的應(yīng)用

采用反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)已成功地制備了Si3N4，SiC，Si2ON2及其復(fù)合材料等。

第47頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三

(1)反應(yīng)燒結(jié)Si3N4

基本反應(yīng)：3Si(s)+2N2(g)→Si3N4(s)將Si或者Si與Si3N4的混合物成型后在1200℃左右通過氮化處理而獲得Si3N4制品第48頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三主要工藝控制要點(diǎn)是：

反應(yīng)過程速度控制最為重要，主要通過控制燒結(jié)溫度而達(dá)到控制反應(yīng)速度的目的。一般可分為兩種升溫制度：

分段升溫法

第49頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三氣耗定升溫法（Nitrogan-DemandNitriding）

根據(jù)反應(yīng)過程中氮?dú)獾南那闆r而確定升溫制度。

反應(yīng)燒結(jié)工藝還可制備復(fù)合材料如SiC/Si3N4等

SiC+Si+N2------SiC+Si3N4第50頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三3.3熔浸燒結(jié)工藝

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，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)收縮、工藝時間短，可制備近凈成型制品。這種工藝可以制備難熔金屬—易熔金屬復(fù)合體（假合金）—金屬陶瓷復(fù)合材料等。第51頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三

采用熔浸工藝制備的材料體系必須具備如下條件：

兩種材料熔點(diǎn)相差大，否則會造成零件變形

兩種材料應(yīng)具有良好的浸潤性，浸潤角小于90

兩種材料間不會發(fā)生相互溶解或溶解度不大。

主要熔浸工藝包括：接觸法、全部熔浸法、部分熔浸法，為了提高熔浸速度，還可采用真空或壓力輔助。第52頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三反應(yīng)熔浸工藝：在熔浸工藝中，如果兩種材料可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則可以很好地形成反應(yīng)浸潤，大大提高熔浸速度并改善材料的結(jié)構(gòu)。

反應(yīng)熔浸工藝的主要特點(diǎn)具有：

材料體系潤濕性好，可獲得優(yōu)良的材料結(jié)構(gòu)。

熔浸溫度低、節(jié)省能耗。

可制備高熔點(diǎn)材料體系，如SiC、Si3N4等。

例：SiC+C預(yù)制備在Si熔體中浸清可形成高

質(zhì)量的反應(yīng)結(jié)合SiC（RB