粉末冶金烧结技术的研究进展.PDF

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 ① 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,介绍粉末冶金烧结技术的 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 文章编号1671 - 3621200404 - 0106 - 0108 现代科学技术的不断发展牵引着工程材料向着 复合化、 高性能化、 功能化、 结构功能一体化和智能化 方向发展,各行业对材料的性能提出了越来越高的要 求。在不断开发新材料的同时,人们也在不断地寻求 新型材料的制备方法,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 , SPS 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100 ,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50 Hz供电电源下,发生一个脉冲的时间 为312 ms ,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、 高频率发生, 601 ① 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、 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,因而被称为新 一代烧结方法[3]。与传统的烧结工艺生产的工件相 比,用微波烧结制成的工件具有较高的密度、 硬度和 强韧性。短时间烧结产生均匀的细晶粒显微结构,内 部孔隙很少,孔隙形状比传统烧结的圆,因而具有更 好的延展性和韧性。微波加热能使工件加热均匀,加 热速度可以高达1500℃/分钟,对某些材料甚至可以 以很少的输入能量实现2000℃ 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 activated 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～30 V和高电流 600 A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10 min就可以完成。一般来说,不需要添加剂或 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 ,SLS [5] 选择性激光烧结成形SLS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,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,使激光有选择地烧结出与计算机 内零件截面相对应部分的粉末,使粉末经烧结熔化, 冷却,凝固,成形.完成一层烧结后再进行下一层烧 结,且两层之间烧结相连.如此层层烧结、 堆积,结果 烧结部分恰好是与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 Heatshock activated sintering ,HSAS 2003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, 701 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50μm ,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,这样反复 逐层印刷,直至达到最终的几何形状,由此便得到一 个生坯件。生坯件经烧结并在炉中熔渗,可达到全密 度。 [6] 随着新材料的不断开发特别是新材料制备技术 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 aluminiummatrixcompositecomponentsusing conventional PM technology [J ].Materials Science and Engineering ,2001 ,A303 292 - 301 ; [2 ] G. S. Upadhyaya Some issues in sintering science and technology [J ]. Materials Chemistry and Physics , 2001 , 67 1 - 5 ; [3]马金龙等,烧结技术的革命 微波烧结技 术的发展及现状[J ].新材料产业,2001 ,Vol. 96 6 30 - 32 ; [4 ] Groza. Joanna R.Field activation provides improved sintering [J ].PM Special Feature , 2000 , MPR July/ 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 ,284 479 - 482 ; [6]亓家钟,陈利民,粉末冶金新技术[J ].粉末 冶金工业,2004 ,141 23 - 27 Current Progress of Sintering Technics of Powder Metallurgy Lin Yun Material Science and Technology Department of Xi’an Jiaotong University , Xi’an Shanxi710049, China Abstract Sintering is one of the most important steps of powder metallurgy PM . Improving the sintering quality or increasing sintering efficiency has been a hot spot all along. Introduce some new sintering technics of powder metallurgy ,in order to advance the development of preparation technology of new material. Key words Powder MetallurgyPM Sintering New technics 801