第6章 粉末冶金特種燒結(jié)技術(shù)

1、507第6章粉末冶金特種燒結(jié)技術(shù)粉末冶金特種燒結(jié)技術(shù)6.1概述概述燒結(jié)作為粉末冶金生產(chǎn)過(guò)程中最重要的工序，一直以來(lái)都是人們研究的重點(diǎn)。一般認(rèn)為，坯體或粉體在高溫過(guò)程中隨時(shí)間的延長(zhǎng)而發(fā)生收縮；在低于熔點(diǎn)的溫度下，坯體或粉體變成致密的多晶體，強(qiáng)度和硬度均增大，此過(guò)程稱為燒結(jié)。在高溫過(guò)程中，由金屬或非金屬原料所組成的配合料可能會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，如：蒸發(fā)、脫水、熱分解、氧化還原反應(yīng)和相變；共熔、熔融和溶解；固相反應(yīng)和燒結(jié)；析晶、晶體長(zhǎng)大

2、、剩余玻璃相凝固和冷卻等。在燒結(jié)階段發(fā)生的主要變化是微?；蚓Я３叽缗c形狀的變化和氣孔尺寸與形狀的變化；在燒結(jié)完成致密體的最后階段，氣孔將從固體粉體中基本消除，形成一定的顯微結(jié)構(gòu)，從而賦予其一定的性能。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)燒結(jié)包括氣相燒結(jié)、固相燒結(jié)、液相燒結(jié)、反應(yīng)(瞬時(shí))液相燒結(jié)等。盡管目前一些材料可用低溫的溶膠凝膠(SolGel)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)等方法制備，但絕大多數(shù)材料仍需要高溫?zé)Y(jié)才能達(dá)到高致密化。隨著材料

3、科學(xué)技術(shù)飛速的發(fā)展，新型特種材料的不斷出現(xiàn)，普通燒結(jié)方法和常壓低溫?zé)Y(jié)、液相燒結(jié)及添加劑輔助燒結(jié)等已難以適應(yīng)需要，因而特種燒結(jié)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。依據(jù)燒結(jié)機(jī)理及特點(diǎn)、燒結(jié)手段，特種燒結(jié)技術(shù)從傳統(tǒng)的無(wú)壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、液相燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)等發(fā)展到熱等靜壓燒結(jié)(見(jiàn)第五章)、高溫自蔓燃燒結(jié)(見(jiàn)第七章)、超固相線液相燒結(jié)(SLPS)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、放電等離子體燒結(jié)(SPS)、微波燒結(jié)(WS)、爆炸燒結(jié)(ES)、鑄造燒結(jié)(CST)、電場(chǎng)活化燒

4、結(jié)(FAST)、大氣壓固結(jié)法(CAP)等，這些燒結(jié)技術(shù)的產(chǎn)生對(duì)于提高粉末冶金材料性能、制備常規(guī)燒結(jié)方法難以生產(chǎn)的特種材料、提高生產(chǎn)效率與降低成本，發(fā)揮著重要的作用?？傊壳胺勰┮苯鹛胤N燒結(jié)技術(shù)也正朝著高致密化、高性能化、高效率、節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展，新型特種燒結(jié)技術(shù)正不斷被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。本章將分別介紹目前國(guó)際上流行的特種燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展概況、原理、工藝過(guò)程及其應(yīng)用情況。6.2超固相線液相燒結(jié)超固相線液相燒結(jié)(SLPS，Supersolidu

5、sLiquidPhaseSintering)6.2.1SLPS的發(fā)展概況的發(fā)展概況超固相燒結(jié)(SLPS)由傳統(tǒng)液相燒結(jié)變化而來(lái)，該工藝將粉末坯加熱到液相線和固相線之間的溫度進(jìn)行燒結(jié)。SLPS可用于粒度較粗的預(yù)合金粉末。超固相線液相燒結(jié)屬509相燒結(jié)范疇。在燒結(jié)過(guò)程中，液相與固相的體積分?jǐn)?shù)基本不變(液相量為30%左右較佳)，燒結(jié)溫度范圍比較窄(大多數(shù)合金為30K左右)，一旦液相形成則迅速達(dá)到致密化。盡管SLPS屬于液相燒結(jié)范疇，但它又不同

6、于傳統(tǒng)混合粉末的液相燒結(jié)，二者主要區(qū)別在于：SLPS所對(duì)應(yīng)的原料是完全預(yù)合金粉末，而普通液相燒結(jié)所對(duì)應(yīng)的原料是混合物。SLPS燒結(jié)溫度選擇在合金相圖的固相線與液相線之間，液相在每個(gè)粉末顆粒內(nèi)部形成，因此液相分布相當(dāng)均勻。液相的形成，使每個(gè)顆粒都經(jīng)歷分離和重排過(guò)程。一旦液相形成，燒結(jié)的致密化速率相當(dāng)快。由于預(yù)合金粉末的生產(chǎn)方法、成分和結(jié)構(gòu)特征不同，SLPS法燒結(jié)時(shí)液膜形成位置有所不同(見(jiàn)表61)。因此，其SLPS致密化的模型也有所不同。國(guó)

7、內(nèi)有學(xué)者[5]采用普通預(yù)合金粉的致密化模型[6]，給出了WCCo復(fù)合粉空心球顆粒的SLPS的致密化模型如圖61所示。SLPS的步驟依次如下：液相形成、WC晶粒滑動(dòng)(一種蠕變過(guò)程)、重排、由溶解—析出所導(dǎo)致的晶粒粗化與孔隙消除。表61兩種預(yù)合金粉之間的區(qū)別粉末生產(chǎn)方法成分特征結(jié)構(gòu)特征燒結(jié)時(shí)液膜形成位置A霧化法粉碎法非平衡實(shí)心顆粒1顆粒間接觸處2晶界3晶粒內(nèi)部BSLPS平衡空心二次顆粒相界(即WC晶粒表面)圖61復(fù)合粉空心球顆粒內(nèi)的SLPS

8、模型[5]SLPS不僅具備常規(guī)液相燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)，還可以使顆粒尺寸較大的預(yù)合金粉末進(jìn)行快速燒結(jié)致密化。German[7]認(rèn)為SLPS的特點(diǎn)為：(1)合金的組織結(jié)構(gòu)與性能對(duì)燒結(jié)溫度、工藝參數(shù)以及合金成分比較敏感；(2)因顆粒間固態(tài)燒結(jié)阻礙液相出現(xiàn)時(shí)的顆粒重排，液相出現(xiàn)前的固相燒結(jié)對(duì)合金的最終致密化有不利影響；(3)一旦液相形成，合金的致密化速率相當(dāng)大，這雖然對(duì)獲得高的燒結(jié)密度有利，但同時(shí)也給合金尺寸與微觀結(jié)構(gòu)的控制帶來(lái)了不利影響。在SLPS時(shí)