1、第19講 第6章粉末材料及其成形技術(shù) 6.3粉末材料及其成形新技術(shù) 6.3.1 噴射成形 6.3.2 等靜壓成形 6.3.3 粉末材料注射成形原理及應(yīng)用 6.3.4 激光快速燒結(jié)成形 6.4 粉末成形料坯的燒結(jié)及氣體保護(hù) 6.3粉末材料及其成形新技術(shù)典型粉末冶金產(chǎn)品的成形方法及工藝: 粉末成形新技術(shù)主要有：噴射成形(粉末制備與成形一體化)、靜壓成形、注射成形、激光快速成形。 噴射成形原理：用高壓惰性氣體將金屬液流霧化成細(xì)小液滴，并使其沿噴嘴的軸線方向高速飛行，在這些液滴尚未完全凝固之前，將其沉積到一定形狀的接收體上成形。主要特點(diǎn)：與傳統(tǒng)鑄造或變形工藝制備材料相比，由于快速冷卻使顯微組織明顯細(xì)化

2、、相析出細(xì)小而均勻分布，使材料的化學(xué)成分和組織在宏觀和微觀上都得到了有效的控制，材料的力學(xué)性能各向同性，其總體性能明顯提高。復(fù)合成形應(yīng)用：廣泛用于高速鋼、高溫合金、鋁合金、銅合金等先進(jìn)材料的開發(fā)和生產(chǎn)上，其中，高性能鋁合金是噴射成形技術(shù)領(lǐng)域最具吸引力的開發(fā)方向。航空航天、國防等領(lǐng)域。6.3.1噴射成形：又稱為噴射沉積或噴射鑄造。它是上世紀(jì)八十年代，發(fā)達(dá)國家在傳統(tǒng)的快速凝固和粉末冶金工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全新的先進(jìn)材料制備與成形技術(shù)。該技術(shù)于1972年由英國的Osprey金屬公司首獲專利，又稱為Osprey工藝。噴射成形噴射成形的組織特征鑄態(tài)組織與噴射成形組織比較(Al-20Si) 6.3.

3、2 等靜壓成形借助高壓泵的作用把流體介質(zhì)（氣體或液體）壓入耐高壓的鋼質(zhì)密封容器內(nèi)，高壓流體的靜壓力直接作用在彈性模套內(nèi)的粉料上，粉料在同一時間內(nèi)、在各個方向上均衡地受壓而獲得密度分布均勻和強(qiáng)度較高的壓坯。有：冷等靜壓（CIP）和熱等靜壓（HIP）兩種。 圖620等靜壓成形示意圖等靜壓制法比普通鋼模壓制法有下列優(yōu)點(diǎn)：1）能夠壓制具有凹形、空心等復(fù)雜形狀的零件；2）壓制時，粉末體與彈性模具的相對移動很小，所以摩擦損耗也很小，單位壓制壓力較鋼模壓制法低；3）能夠壓制各種金屬粉末和非金屬粉末，壓制坯件密度分布均勻，對難熔金屬粉末及其化合物尤為有效；4）壓坯強(qiáng)度高，便于加工和運(yùn)輸；5）冷等靜壓的模具材料

4、是橡膠和塑料，成本較低；6）能在較低的溫度下制得接近完全致密的材料。 等靜壓制法的缺點(diǎn)是：1）對壓坯尺寸精度的控制和壓坯表面的精度都比鋼模壓制法低；2）盡管采用干袋式或批量濕袋式的等靜壓制，生產(chǎn)效率有所提高，但通常其生產(chǎn)效率仍低于自動鋼模壓制法；3）所用橡膠或塑料模具的使用壽命比金屬模具要短得多。 冷等靜壓（CIP），常用水或油作壓力介質(zhì)，故有液靜壓、水靜壓或油靜壓之稱；熱等靜壓（HIP），常用氣體（如氬氣）作壓力介質(zhì)（高溫高壓氣體），故有氣體熱等靜壓之稱。 冷等靜壓機(jī)工作系統(tǒng)示意圖 冷等靜壓模具圖6-22燒結(jié)-熱等靜壓：把經(jīng)模壓或冷等靜壓制的坯塊放入熱等靜壓機(jī)高壓容器內(nèi)，依次進(jìn)行脫蠟、燒結(jié)和

5、熱等靜壓制，使工件的相對密度接近100%。 圖6-23 脫蠟-燒結(jié)-熱等靜壓時溫度、壓力及時間的關(guān)系航空航天精密鑄件：通常采用熱等靜壓后處理工藝，來封閉鑄件內(nèi)部的縮松、微縮孔；粉末冶金零件熱等靜壓后處理工藝，致密鑄件，提高零件強(qiáng)度。熱等靜壓研究進(jìn)展6.3.3 粉末材料注射成形原理及應(yīng)用 粉末注射成形（Powder Injection Molding, PIM）是一種采用粘結(jié)劑固結(jié)金屬粉末、陶瓷粉末、復(fù)合材料、金屬化合物的一種特殊成形方法，它是在傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合塑料工業(yè)的注射成形技術(shù)而發(fā)展起來的一種近凈成形（Near-Shaped）技術(shù)。PIM工藝主要包括粘結(jié)劑與粉末的混合、制粒、注

6、射成形、脫脂及燒結(jié)五個步驟。常見的粉末注射成形方法是：金屬粉末的注射成形（Metal Powder Injection Molding, MIM）和陶瓷粉末的注射成形（Ceramic Injection Molding, CIM）兩種。 金屬粉末的注射成形（MIM）原理及關(guān)鍵技術(shù)。圖624注射成形示意圖1裝料斗2注射混合料3轉(zhuǎn)動連軸器4料筒5螺桿6加熱器7制品8冷卻套9模具10移動模板11液壓中心頂桿12活動撐桿13注射液壓缸（1）MIM的基本工藝流程 金屬粉末粘結(jié)劑混煉制粒注射成形料坯件脫脂燒結(jié)零件（2）注射過程自動化框圖 圖6-25（3）MIM技術(shù)的特點(diǎn)1）技術(shù)優(yōu)勢傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)相比，M

7、IM技術(shù)可以制造前者無者制造的零件，拓寬了粉末冶金的應(yīng)有用范圍。傳統(tǒng)粉末冶金產(chǎn)品大多存在密度不均，造成性差異；而用MIM技術(shù)制造的產(chǎn)品具有性能各向同性，組織均勻。與精密（熔模）鑄造相比，MIM的尺寸精度更高、沒有鑄造的成分偏析。如下表示。 精密鑄造MIM最小孔直徑（mm）20.4盲孔最大深度（2mm）220最小壁厚（mm）21最大壁厚（mm）104mm直徑的公差（mm）0.20.06表面粗糙度Ra （m）51 與傳統(tǒng)粉末冶金（PM-Powder Metallurgy）技術(shù)相比。如下表所示。粉末粘結(jié)劑成形脫脂燒結(jié)MIM球形、微細(xì)粉大量，提供流動性注射時間長收縮大、均勻、密度高PM粗粉少量，作潤滑

8、劑模壓時間短收縮小、不均、密度低各種零件制造方法運(yùn)用范圍（模壓燒結(jié)、粉末注射成形、精密鑄造成形） ）MIM技術(shù)的不足.采用大量高分子聚合物作粘結(jié)劑，提高了粉末的流動性，可以成形雜形狀的零件，但粘結(jié)劑的脫除卻是一個需要嚴(yán)格控制的長時間的過程；.需要采用微細(xì)粉作原料，微細(xì)粉的價格高；.小批量生產(chǎn)形狀簡單的零件，MIM無法取代傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)導(dǎo)地位；.受到脫脂的限制，MIM技術(shù)難于制造壁厚較大的零件（這一點(diǎn)，也大大地限制了MIM技術(shù)的應(yīng)用）； （4）MIM技術(shù)關(guān)鍵MIM的技術(shù)關(guān)鍵是粘結(jié)劑技術(shù)（包括：粘結(jié)劑的制備技術(shù)、粘結(jié)劑的脫除技術(shù)）。對于特定的粉末要選擇恰當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑體系，且必須保證粘結(jié)劑在脫脂階段

9、快捷、順利地脫除，使產(chǎn)品在燒結(jié)前不出現(xiàn)變形、開裂等缺陷。粘結(jié)劑的配方和脫脂工藝往往是企業(yè)或公司的保密核心或受專利保護(hù)。 除粘結(jié)劑技術(shù)外，脫脂技術(shù)、MIM專用設(shè)備技術(shù)、零件尺寸精度的控制技術(shù)等，對MIM零件的性能與精度都有重要影響。（詳見教材） （5）MIM技術(shù)的發(fā)展動向 .粉末共注射成形技術(shù)（Powder Co-injection Molding, PCM）?？梢陨a(chǎn)出復(fù)合材料零部件。.微型注射成形技術(shù)（Micro-MIM）。該技術(shù)在微（精、細(xì)）型制造領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。 （a） 不銹鋼表帶扣環(huán) (b) 汽車制動器零件 MIM零件舉例 6.3.4 激光快速燒結(jié)成形粉末材料的選擇性激光燒結(jié)（

10、Selective Laser Sintering, 簡稱SLS）成形系統(tǒng)如圖6-29所示。屬快速成形領(lǐng)域。該系統(tǒng)主要由激光器、激光光路系統(tǒng)、掃描鏡、工作臺、供粉筒、鋪粉輥和工作缸等構(gòu)成。 成形零件升降工作缸圖6-29 SLS成形過程的示意圖掃描鏡裝置 激光器激光束鋪粉輥工作臺面粉末材料擴(kuò)束聚焦鏡SLS系統(tǒng)的工作過程流程圖NYNY確定所加工的零件選擇數(shù)據(jù)處理方法成型工藝的優(yōu)化選擇工藝準(zhǔn)備鋪粉掃描掃描完成？工作臺下降一層厚成型件加工完畢？結(jié)束圖6-30 SLS系統(tǒng)的工作過程流程圖用SLS原型快速鑄造金屬零件 SLS原型的原材料一般為粉末材料。當(dāng)材料為石蠟、塑料等時，制出的SLS 原型用于生產(chǎn)金屬零件的方法與SLA原型用來生產(chǎn)金屬零件的方法相同。當(dāng)材料為金屬粉末時，直接燒結(jié)成金屬零件（目前，直接由SLS燒結(jié)成的金屬零件在強(qiáng)度和精度上都很難達(dá)到理想的結(jié)果）。當(dāng)前用SLS法直接制作金屬件的成功方法是，在SLS原型經(jīng)焙燒后滲入低熔點(diǎn)的金屬。當(dāng)材料為陶瓷粉末或鑄造砂等時，可直接燒結(jié)鑄造用（陶瓷等材料）殼型來生產(chǎn)各類鑄件，甚至是復(fù)雜的金屬零件。用這種方法直接快速生產(chǎn)各類金屬鑄件具有很大的實(shí)用價值。 用SLS方法快速鑄造的砂型及鑄件 SLS方法與熔模精密鑄造技術(shù)翻制