粉末冶金原理(Ⅱ)

曹順華粉末冶金研究院粉體材料系導論1課程的任務和意義粉末冶金材料加工的兩個基本過程金屬粉末小部分直接應用隱形涂料

Fe,Ni及其合金納米粉末食品醫(yī)藥超細鐵粉涂料汽車用Al粉,變壓器用超細銅粉化工合成

鐵粉自發(fā)熱材料(取暖和野外食品自熱)超細Fe粉固體火箭發(fā)動機燃料

超細Al,Mg粉等金剛石合成粉末觸媒

Fe-Ni合金粉末電子焊料(solder)電子封裝用Cu,Ag合金粉末太陽能電池微細鋁粉末高性能電路保護器PTC中超細金屬Ni,Fe粉焊料

細鐵粉軍用含能材料：納米Al+Fe2O3……絕大多數(shù)用于工程結(jié)構(gòu)中部件的制造原料加工成塊體材料或部件(粉末冶金制品)經(jīng)過成形和燒結(jié)操作Powdermixtures(MetalorMetal+ceramicpowders)

Pressing+Sinteringsinteredpartsorsinteredmaterials成形和燒結(jié)控制著粉末冶金材料及其部件的微觀結(jié)構(gòu)與性能主宰著粉末冶金材料及其部件的應用2課程對象研究粉末冶金加工過程中的相關(guān)工程科學（EngineeringScience）問題研究粉末成形與燒結(jié)過程中的工程科學問題材料設計的概念工程應用(服役條件)→技術(shù)指標（性能要求）→材料性能設計→微觀結(jié)構(gòu)設計→材質(zhì)類型、加工工藝設計(經(jīng)濟性)

研究粉末類型、加工工藝參數(shù)與材料微觀結(jié)構(gòu)及部件幾何性能間的關(guān)系3粉末冶金技術(shù)的主要特點

WhatisPowderMetallurgy？利用金屬粉末或及其與化合物粉末的混合物為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)操作，制取金屬材料及其復合材料制品或零部件的加工方法冶金方法零件制造技術(shù)1）經(jīng)濟性：低成本材料冶金與零件制造有機地結(jié)合在一起直接制造零部件A短流程、低能耗、高材料利用率B生產(chǎn)效率高制造過程高度自動化齒輪1)傳統(tǒng)工藝：鑄錠冶金+機加工鐵精礦→

高爐煉鐵→鐵水→煉鋼

→鑄錠→開坯(多道次)→熱擠壓(多道次)→鋼錠（棒料）→下料→機加工(車外圓→平端面→銑軸向孔→滾齒)→（熱處理）→齒輪2)粉末冶金鐵精礦粉末(總鐵大于71.5%,SiO2小于0.3%)→

隧道窯高溫還原(1050-1100℃)→破碎→磁選→精還原(750-800℃)→破碎→磁選→合批→鐵粉→混合(添加合金元素)→壓制→燒結(jié)→（熱處理）→P/M齒輪①主要工序：前者15個以上后者8個②高溫工序：前者8個以上后者3個前者材料利用率約為40%PM可達95-100%

短流程、低能耗、節(jié)材特點

automaticPowderpress全自動液壓機Adaptor模架meshbeltwalkbeamSinteringFurnace汽車部件電動工具與汽車部件行星齒輪支架Planetarycarrier2）易于制造難加工材料陶瓷/金屬復合材料---金屬陶瓷cermet粉末超合金powdersuperalloys粉末高速鋼powderhigh-speedsteels金屬基復合材料metalmatrixcomposites彌散強化材料

dispersion-strengthenedmaterials微觀結(jié)構(gòu)可控材料多孔材料，非晶態(tài)材料，超細結(jié)構(gòu)材料等

鎢合金硬質(zhì)合金重合金鎢靶材鎢/鉬基電工合金納米晶材料nano-grainedmaterials

梯度復合材料functionallygradientmaterials等3）尺寸一致性高鐵基P/M零件鋼模壽命：2萬件左右硬質(zhì)合金模：5-6萬件4）綠色環(huán)保廢棄物排放很低“潔凈”冶金粉末冶金技術(shù)的不足1）加工的零件或材料尺寸有限2）應用范圍有限固相燒結(jié)材料中的孔隙造成部件或材料的物理、力學性能較低

低強度，低拉伸塑性逐漸被粉末冶金新技術(shù)所克服擴大粉末冶金部件或材料的應用范圍5粉末冶金材料應用1）機械零件汽車（70%）工程機械摩托車家電辦公機械電動工具等2）機械加工刀具硬質(zhì)合金，粉末高速鋼，金屬陶瓷等加工電極W-Cu電火花加工電極汽車薄板焊接用彌散強化銅電極3）航天航空固體火箭發(fā)動機喉襯及噴管飛機發(fā)動機蝸輪盤與葉片等導彈鼻錐、火箭喉襯、燃氣舵等衛(wèi)星導航陀螺等制動材料4）微電子電子封裝熱沉材料5）軍事工業(yè)重合金，鉬材料等6）通信技術(shù)鎢合金振子、鉬銅封裝材料7）運動器材鎢合金高爾夫球頭……..

第一部分粉末成形

powdershapingorforming具體部件具有一定的幾何形狀和尺寸利用外力或粘結(jié)劑聯(lián)結(jié)松散狀態(tài)粉末體中的顆粒，將粉末體轉(zhuǎn)變成具有足夠強度和尺寸精度的幾何體的過程

粉末顆粒間的結(jié)合力1）外力作用情形：為機械嚙合力或范德華力2）粘結(jié)劑情形：主要依靠高分子材料的粘結(jié)能力

高分子材料本身的強度及其與粉末顆粒之間的結(jié)合強度分類：剛性模（rigiddie）壓制

普通模壓、溫壓與模壓流動成形非模壓成形（其它方式）冷、熱等靜壓注射成形連續(xù)成形：粉末擠壓，粉末軋制粉漿澆注無模成型（快速成形技術(shù)如3D打?。﹪娚涑尚危ǔ尚蔚瓤焖俪尚渭夹g(shù)（Rapidprototyping-

RP）

簡介兩大類1）基于光源的RP立體光固化造型stereolithography(SL)

光固化樹脂選擇性激光燒結(jié)selectivelasersintering(SLS)

塑料、金屬、陶瓷等適應性強疊層實體制造laminatedobjectmanufacturing

（LOM

）薄板疊加+激光焊接2）基于噴射的RP熔融沉積成形

fuseddepositionmodeling(FDM)

塑料等3D打印技術(shù)

threedimensionalprinting(3DP)直接金屬沉積

directmetaldeposition(DMP)

3D打印（3DP）的技術(shù)快速成形技術(shù)的一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)基于微噴射原理（類似于噴墨）將噴射材料從噴嘴噴出微型液滴，按一定路徑逐層打印或堆積材料樹脂類熔融樹脂光固化材料3DP粘結(jié)材料3DP熔融材料3DP3D打印金屬粉末快速成形技術(shù)原理由CAD軟件產(chǎn)生零件實體模型由分層軟件對CAD實體模型按照一定的厚度進行分層切片處理，獲取各截面的幾何信息然后根據(jù)切片輪廓設計出掃描軌跡，并將其轉(zhuǎn)化成NC工作臺的運動指令成形時具有一定功率密度的激光束照射到基材表面形成熔池，同時金屬粉末由送粉器送出，經(jīng)送粉管路輸送到同軸送粉頭并進入熔池形成熔覆層根據(jù)CAD給定的各層截面的路徑規(guī)劃NC的控制送粉頭相對于工作臺運動金屬材料逐層掃描堆積制造出金屬實體零件

SLS快速成形原理示意圖

SLS快速成形設備快速成形的金屬部件主要特點柔性制造研發(fā)周期短低成本

第一章粉末壓制

PowderPressingorCompaction§1壓制前粉末料準備1還原退火

reducingandannealing作用降低氧碳含量，提高純度消除加工硬化，改善粉末壓制性能粉末鈍化使細粉末適度變粗，或形成氧化薄膜，防止粉末自燃退火溫度高于回復-再結(jié)晶溫度，（0.5-0.6）Tm退火氣氛還原性氣氛（CO,H2），惰性氣氛，真空2合批與混合

blending

and

mixing混合不同成分的粉末借助于外力作用實現(xiàn)顆粒組份間分布均勻的過程合批同類粉末或粉末混合物的混合消除因粉末在運輸過程中產(chǎn)生的偏析或在粉末生產(chǎn)過程中不同批號粉末之間的性能差異獲得性能均勻的粉末料機械法混合與化學法混合機械混合方式干混法：鐵基及其它粉末冶金零件的生產(chǎn)濕磨法：硬質(zhì)合金或含易氧化組份合金的生產(chǎn)WC與Co粉之間除產(chǎn)生一般的混合均勻效果發(fā)生顯著的細化效果一般采用工業(yè)酒精作為研磨介質(zhì)濕磨的主要優(yōu)點有利于環(huán)境保護無粉塵飛揚和減輕噪音提高破碎效率，有利于粉末顆粒的細化保護粉末不氧化不足操作工序增加粉料干燥增加能耗球磨介質(zhì)損耗成本提高混合機理簡介粉末床的運動行為（a）粉末體整體滑動（b）粉體局部坍塌

（c）粉末整體滾動(d)小瀑布狀拋落(e)大瀑布狀拋落(f)離心狀取決于圓筒形混合器的轉(zhuǎn)速筒體的直徑二者對粉末床運動行為的影響可用Froude準數(shù)描述Fr=(ω2R)/g(慣性離心力/重力)材料的物性(顆粒尺寸,顆粒形狀等,主要影響粉末的靜態(tài)響應角,與顆粒間摩擦力大小有關(guān))裝料量筒壁的粗糙程度在滑動與離心狀態(tài),顆粒之間很少發(fā)生相對運動混合效果最差而對于組元之間比重差異大的混合物體系劇烈的拋落容易造成組元間的成分偏析應予避免處于滾動狀態(tài)時顆粒的微觀運動狀態(tài)零速度區(qū)很容易在裝料大于50%時出現(xiàn)工程實踐規(guī)定裝料量不大于40%！混合機理

混合方式示意圖嚴格意義上的擴散過程并不存在實際上為微區(qū)內(nèi)的顆粒對流粉末顆?；旌贤ㄟ^對流與剪切作用實現(xiàn)混合均勻度(成分偏差)與時間的關(guān)系添加適當數(shù)量的研磨體可強化混合效果即強化顆粒的對流與剪切作用偏析(segregation)現(xiàn)象反混合現(xiàn)象涉及相容性問題—“物以類聚”Causedbydifferencesinparticledensity顆粒之間密度差異Particlesize粒度差異Particleshape顆粒形狀差異球形顆粒與針狀顆粒具有最小的偏析趨勢混合均勻程度和效率取決于粉末顆粒的尺寸及其組成顆粒形狀待處理粉末組元間比重差異混合設備的類型混合工藝裝料量球料比轉(zhuǎn)速研磨體的尺寸及其搭配對于給定的粉末和混合設備，最佳混合工藝一般采用實驗加以確定

V-形雙錐形多維常見混合設備化學法混合混合較前者更為均勻,可以實現(xiàn)原子級混合W-Cu-Ni包覆粉末的制造工藝

W粉+Ni(NO3)2溶液→混合→熱解還原（700-750℃）

→W-Ni包覆粉+CuCl2溶液→混合→熱解還原（400-450℃）

→W-Cu-Ni包覆粉末存在環(huán)保問題！無偏聚（segregation-free）粉末binder-treatedmixture消除元素粉末組元（特別是輕重組元）間的偏析粉末混合與輸運過程3成形劑(binder)和潤滑劑(lubricant)成形劑(非增塑成形)場合1)硬質(zhì)粉末：如硬質(zhì)合金,陶瓷等粉末變形抗力很高難以通過壓制所產(chǎn)生的變形而賦予粉末坯體足夠的強度添加成形劑提高生坯強度，利于成形2)流動性差的粉末細粉或輕質(zhì)粉末粘結(jié)劑作用適當增大粉末粒度，減小顆粒間的摩擦力改善粉末流動性,提高壓制性能橡膠、硬脂酸、石蠟、SBS、PEG、PVA等選擇準則能賦予待成形坯體以足夠的強度易于排除成形劑及其分解產(chǎn)物不與粉末發(fā)生反應分解溫度范圍較寬分解產(chǎn)物不污染環(huán)境潤滑劑↓粉末顆粒與模壁間的摩擦壓坯密度分布不均勻影響被壓制工件的表面質(zhì)量降低模具的使用壽命粉末壓制用的潤滑劑硬脂酸硬脂酸鋅工業(yè)潤滑蠟PEG(二硫化鉬、石墨粉、硫磺粉也可起潤滑作用)潤滑方式粉末內(nèi)潤滑internallubrication潤滑劑直接加入粉末中鐵基粉末潤滑劑含量提高0.1%坯件的無孔隙密度下降0.05g/cm3模壁潤滑diewalllubrication靜電噴涂溶液涂敷靜電噴涂模壁潤滑系統(tǒng)粉末潤滑與模壁潤滑零件表面質(zhì)量差異4制粒pelletizingorgranulating細小顆?；蛴操|(zhì)粉末為了成形添加成形劑改善流動性添加粘結(jié)劑進行自動壓制或壓制形狀較復雜的大型P/M制品粉末結(jié)塊原理借助于聚合物的粘結(jié)作用將若干細小顆粒形成團粒減小團粒間的摩擦力大幅度降低顆粒運動時的摩擦面積增大運動單元的動力（重量）制粒方法擦篩制粒噴霧干燥擠壓制粒旋轉(zhuǎn)盤制粒§2壓制現(xiàn)象1顆粒的位移與變形1.1粉末顆粒位移位移方式：滑動與轉(zhuǎn)動顆粒重排列Particlerearrangementorrepacking(restacking)影響因素受控于粉末顆粒間內(nèi)摩擦表面粗糙度潤滑條件顆粒的顯微硬度顆粒形狀粒度顆粒間可用于相互填充的空間加壓速度1.2粉末顆粒的變形彈性變形顆粒間的接觸應力≤材料彈性極限塑性變形顆粒接觸應力≥金屬的屈服強度點接觸處局部面接觸處局部整體脆性粉末點接觸應力>斷裂強度斷裂塑性粉末點接觸應力>屈服強度塑性變形加工硬化脆化斷裂2致密化現(xiàn)象2.1致密化壓力作用下松散狀態(tài)→拱橋效應的破壞（位移→顆粒重排）+顆粒塑性變形→孔隙體積收縮→致密化拱橋效應

bridgeeffect顆粒間由于摩擦力的作用而相互搭架形成拱橋孔洞的現(xiàn)象影響因素與粉末松裝密度、流動性相關(guān)顆粒形狀粒度及其組成顆粒表面粗糙度顆粒比重（含致密程度）顆粒表面粘附作用（顆粒的磁性、陶瓷顆粒的靜電、液膜存在）塑性變形阻力的影響因素顆粒的顯微硬度合金化酸不溶物氧化物顆粒本質(zhì)原子間作用力加工硬化速度（晶體結(jié)構(gòu)）顆粒形狀粉末粒度壓制速度2.2彈性后效Springback反致密化現(xiàn)象壓坯脫出模腔后尺寸脹大的現(xiàn)象殘留內(nèi)應力釋放的結(jié)果彈性后效與殘留應力相關(guān)壓制壓力粉末顆粒的彈性模量粉末粒度組成（同一目標密度）顆粒形狀顆粒表面氧化膜粉末混合物的成份:彈性模量1）Fe-2Cu,Fe-2Cu-0.8C2）WC-Co、陶瓷粉末等3）軟質(zhì)金屬粉末3壓坯強度

Green

strength表征壓坯抵抗破壞的能力，即顆粒間的粘結(jié)強度影響因素本征因素顆粒間的結(jié)合強度（機械嚙合mechanicalinterlocking）接觸面積顆粒間的結(jié)合強度顆粒表面的粗糙度顆粒形狀顆粒表面潔凈程度壓制壓力顆粒的塑性硬脂酸鋅及成形劑添加與否前者阻隔金屬顆粒的聯(lián)結(jié)后者可提高壓坯強度高模量組份的含量相同應變量，高模量增加殘留應變能顆粒間接觸面積即顆粒間的鄰接度contiguity顆粒的顯微硬度粒度組成顆粒間的相互填充程度壓制壓力顆粒形狀外在因素：殘余應力大小壓坯密度分布的均勻性粉末的填充均勻性粉末壓坯的彈性后效模具設計的合理性過高的壓制壓力表征方法抗彎強度或轉(zhuǎn)鼓試驗的壓坯重量損失§3壓坯密度與壓制壓力間的關(guān)系3.1壓制過程力的分析P施加在模腔中的粉末體粉末向周圍膨脹側(cè)壓力Fn(Pn)粉末與模壁之間出現(xiàn)相對運動摩擦力Ff(Pf)下沖頭的壓力Pb側(cè)壓力Ph=ν/(1-ν)P=ξPν-泊松系數(shù),ξ-側(cè)壓系數(shù)模壁摩擦力Pf=μPn=μξPPb=P-Pf壓力損失△P=P-Pb在距上沖為X處的有效外壓Px

Px=Poexp(-4ξμX/D)D為模腔內(nèi)徑3.2脫模壓力（ejectionforce）靜脫模力（stripingforce）滑動脫模力(slidingforce)與坯件的彈性模量，殘留應變量即彈性后效及其與模壁之間的摩擦系數(shù)直接相關(guān)壓坯密度或壓制壓力粉末原料顯微硬度、顆粒形狀、粒度及其組成、潤滑劑含量粉末顆粒與模壁之間的摩擦系數(shù)模具材料的硬度零件的側(cè)面積3密度與壓力間的關(guān)系—壓制方程壓坯密度ρ是外壓的函數(shù)ρ=k.f(P)3.1常用力學模型理想彈性體-虎克體（H體）:彈簧σ=Mε理想流體-牛頓體（N體）:活塞在汽缸中運動σ=ηdε/dt

線彈-塑性體-Maxwell體（M體）：H體與N體串聯(lián)σT=σ1+σ2εT=ε1+ε2線彈性體-Kelvin體（K體）：H體與N體并聯(lián)εT=ε1=ε2σ=M(ε+τ2dε/dt)τ2應變馳預時間標準線性固體（SLS體）M體與H體并聯(lián)σT=σ1+σ2εT=ε1+ε2σ+τ1dσ/dt=M(ε+τ2dε/dt)標準非線性固體（SNLS體）(σ+τ1dσ/dt)n=M(ε+τ2dε/dt)硬化指數(shù)的倒數(shù)n<1τ1、τ2分別為應力、應變馳豫時間恒應力σo作用并充分保壓（dσ/dt=0），經(jīng)數(shù)學變換得σon

=Mε或σo=(Mε)1/n

2.2大程度應變的處理自然應變ε=∫LLodL/L=ln(L/Lo)若壓坯的受壓面積固定不變，則ε=-ln[(V-Vm)/(Vo-Vm)]=ln{[(ρm-ρo)ρ]/[(ρm-ρ)ρo]}3.2巴爾申方程基本假設將粉末體視為彈性體不考慮粉末的加工硬化忽略模壁摩擦任意一點的變形與壓力間的變化率

dσ/dε=kσ=P/Aε-對應于壓縮量；A-顆粒間有效接觸面積積分、變換并取對數(shù)后得lgPmax-lgP=L(β-1)L=壓制因子β=壓坯的相對體積適應性硬質(zhì)粉末或中等硬度粉末在中壓范圍內(nèi)壓坯密度的定量描述出現(xiàn)偏差的原因低壓時粉末顆粒以位移方式填充孔隙空間為主粉末體的實際壓縮量高于計算值（即理論值）偏低現(xiàn)象高壓時粉末產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象和摩擦力的貢獻大，導致實際值低于計算值偏高現(xiàn)象2.4黃培云壓制理論采用標準非線性固體模型ε=σon

/Mlgln[ρ(ρm-ρo)/(ρm-ρ)ρo]=nlgP-lgM

最初形式n=硬化指數(shù)的倒數(shù)M=壓制模量針對對原模型量綱問題，進行修正，并采用模型

ε=（σo

/M）1/mmlgln[ρ(ρm-ρo)/(ρm-ρ)ρo]=lgP-lgMm=粉末壓制過程的非線性指數(shù)硬化趨勢的大小晶體結(jié)構(gòu)，粉末形狀、合金化等相關(guān)適應性硬質(zhì)或軟質(zhì)粉末均有效§4壓制實踐1摩擦力在粉末壓制過程中的作用外摩擦力粉末顆粒與模具（陰模內(nèi)壁diewall、模沖puches、芯棒corerod）之間的因相對運動而出現(xiàn)的摩擦作用消耗有效外壓造成壓力降和在壓制面上的壓力再分布，導致粉末壓坯密度分布不均勻影響因素顆粒與模具之間的摩擦系數(shù)粉末顆粒、模具零件表面表面粗糙度潤滑劑添加量潤滑方式：整體或模壁潤滑潤滑方式顆粒的顯微硬度

顆粒與模具間的冷焊內(nèi)摩擦粉末顆粒之間的摩擦interparticlefriction正面作用帶動粉末顆粒位移傳遞壓制壓力負面作用降低粉末的流動性和填充性能摩擦功以熱的形式損耗掉→有效致密化壓力損失但發(fā)熱可產(chǎn)生一定的金屬粉末顆粒軟化2壓坯密度分布均勻性的控制壓坯密度分布不均勻的后果成形不能正常實現(xiàn)如出現(xiàn)分層，斷裂，掉邊角等燒結(jié)收縮不均勻，導致變形因素高徑比H/D↑H/D，ρ↓，dρ/dX↑當H/D→∞，壓坯的下部粉末無法成形模具的潤滑狀態(tài)模壁潤滑優(yōu)于整體潤滑壓制方式若被成形件為軸套類部件，可采用三種壓制方式單向壓制，雙向壓制和強制摩擦芯桿壓制平均密度：ρ3>ρ2>ρ1密度分布均勻性(dρ/dX)1>(dρ/dX)2>(dρ/dX)3強制摩擦芯桿壓制獲得的密度最高，分布也最均勻粉末顆粒平均粒度粒度較粗的粉末的壓縮性較好，密度分布也較均勻模具設計的合理性使臺階間的粉末壓縮比相同粉末的流動性

填充均勻零件形狀復雜程度涉及壓機及模架的動作功能粉末塑性顆粒的本征塑性，化學純度（氧、碳及難溶物含量，合金化程度）和加工方法3復雜形狀部件的成形密度分布的控制多臺階零件：恒壓縮比壓坯強度：合適粒度組成和表面較粗糙的近球形粉末→高壓坯強度脫模壓力潤滑和低的彈性后效，↓脫模壓力壓坯形狀的合理設計4壓制缺陷的控制主要缺陷類型、成因分層沿坯件棱邊向內(nèi)部發(fā)展的裂紋，與壓制面形成大約45度的界面彈性后效控制方法適當降低壓制壓力復雜件應提高密度分布均勻性裂紋：臺階間結(jié)合處，脫模過程中的停頓彈性后效控制方法：提高壓坯強度復雜件成形：保持恒壓縮比與提高粉末填充均勻性第二章特殊及新型成形技術(shù)Chapter2SpecialandNewPowderFormingTechniques§1概述普通剛性模壓制(rigiddiecompaction)技術(shù)的特點優(yōu)點制造成本低可實現(xiàn)連續(xù)自動化生產(chǎn)生產(chǎn)效率高部件幾何尺寸一致性好特別是經(jīng)固相燒結(jié)的粉末冶金部件不足密度分布不均勻部件形狀復雜程度有限密度較低(經(jīng)固相燒結(jié))尺寸較小，即單重較輕后果1）壓坯強度低坯體中存在殘留應力2）燒結(jié)收縮不均勻高低密度區(qū)的收縮不一致各工業(yè)領域?qū)π虏牧系男枨蟀l(fā)展新的粉末成形技術(shù)成形技術(shù)1WP（WarmPressing/Compaction）－溫壓技術(shù)高性能（高強度、高精度）的鐵基粉末冶金零部件；是傳統(tǒng)剛性模壓制（模壓）技術(shù)的發(fā)展2PIM(PowderInjectionMolding)－粉末注射成形技術(shù)形狀復雜、薄壁、小尺寸件3CIP(Cold

IsostaticPressing)－冷等靜壓高均勻性大型粉末冶金制品4HIP(Hot

IsostaicPressing)-熱等靜壓全致密、高性能、難燒結(jié)粉體材料或部件5SC(SliporSlurryCasting)－粉漿澆注形狀復雜、大尺寸的粉末冶金零部件，特別是陶瓷制品6PR(PowderRolling)&PE(PowderExtruding)-粉末軋制與擠壓一維尺寸很大而其它兩維尺寸較小（棒、管）或一維尺寸相對較小（板材）的制品7PF(PowderForging)-粉末鍛造高強度鐵基粉末冶金零部件8RP(RapidPrototyping)－快速成形借助于CAD、CAM，形狀極為復雜的粉末冶金制品成形技術(shù)的選擇原則幾何要求幾何尺寸、形狀復雜程度性能要求力學、物理性能及幾何精度制造成本（結(jié)合批量、效率）最低§2溫壓技術(shù)粉末與模具被加熱到較低溫度（一般為150℃）下的剛模壓制方法粉末與模具需加熱其它與常規(guī)模壓幾乎相同溫壓與粉末熱壓完全不同溫壓的加熱溫度遠低于熱壓（高于主要組分的再結(jié)晶溫度）被壓制的粉末冶金零部件的尺寸精度很高，表面光潔1溫壓技術(shù)的發(fā)展背景與現(xiàn)狀溫壓技術(shù)的開發(fā)的原動力需求汽車特別是轎車工業(yè)急需低成本、高性能的鐵基P/M零部件提高汽車在市場上的競爭力

如2011型FordEdge汽車采用了近30KgP/M零件

發(fā)動機：11.8Kg

變速系統(tǒng)：11.8Kg

其它部分：6.35Kg問題：材質(zhì)調(diào)整和后處理對改善鐵基P/M零部件力學性能的潛力已發(fā)揮到極限孔隙的消極貢獻造成應力集中，降低零部件的強度和韌性孔隙降低材料的熱導性能，抑制熱處理對力學性能改善的貢獻潛力應提高零件密度提高鐵基P/M零部件密度的技術(shù)途徑．復壓-復燒工藝：密度達92%左右，形狀復雜程度有限，成本較高滲銅：密度≥

95%，但表面較粗糙，形狀、成分設計有限，成本高液相燒結(jié)：密度≥93%，變形較大，零件精度低，尺寸控制困難，成分設計有限，成本提高粉末鍛造：全致密，但尺寸精度低，形狀受限，成本較昂貴AncorbondeTM工藝（80年代中后期）擴散粘結(jié)鐵合金粉末解決合金元素偏析造成尺寸穩(wěn)定性低組織均勻性差具有潤滑功能的粘接劑（石墨粉末偏析）處理溫壓技術(shù)的前身八十年代中后期意大利Nuova

Merisinter公司鐵基粉末與模具的加熱研制１９９１年出現(xiàn)第１項美國專利１９９４年披露

AncordenseTM全球共有200余條溫壓生產(chǎn)線150多種溫壓件鐵基P/M零件,密度7.2-7.4g/cm3溫壓保持了傳統(tǒng)模壓的高效、高精度優(yōu)勢提高鐵基零部件的性能和服役可靠性拓寬部件的應用范圍在國際粉末冶金產(chǎn)業(yè)界被譽為”開創(chuàng)P/M零件制造技術(shù)新紀元”的新技術(shù)蝸輪輪轂（1.2kg）轎車發(fā)動機溫壓連桿2溫壓工藝粉末原料（擴散粘結(jié)鐵粉+新型潤滑劑）

↓

粉末加熱（130℃）

↓

陰模（130-150℃）裝粉

↓

溫壓(600-750MPa)

↓

溫壓壓坯

↓

燒結(jié)

↓

溫壓零部件3溫壓的技術(shù)特點1)低成本制造高性能P/M零部件若WP=1.0，則

1P1S=0.82P2S=1.3CopperInfiltration(CI)=1.5Powderforging(PF)=1.8

源于加工工序少，模具壽命長，零件形狀復雜程度提高

2)壓坯密度高相對密度提高0.02-0.06，即孔隙度降低2-6%3)便于制造形狀復雜的零部件低的脫模壓力，↓30%：彈性后效小，↓50%

外摩擦力↓高的壓坯強度，↑25-100%高壓坯密度密度分布均勻，密度差↓0.1-0.2g/cm34)零件強度高(同質(zhì)、同密度)極限抗拉強度↑10%，燒結(jié)態(tài)達1200MPa疲勞強度↑10%若經(jīng)適度復壓，與粉末鍛件相當5)零件表面質(zhì)量高精度提高2個IT級模具壽命長(模具磨損少)6)壓制壓力降低同壓坯密度時，壓力降低140Mpa提高壓機容量

4溫壓加熱系統(tǒng)陰模的加熱：電阻加熱粉末加熱方式熱油循環(huán)溫控穩(wěn)定性好，不易過熱微波加熱速度快，但存在過熱和微波外泄（安全）問題感應：與微波相似電阻加熱加熱速度較快，也存在過熱問題熱油循環(huán)粉末加熱系統(tǒng)5溫壓過程的實質(zhì)塑性變形得以充分進行：加工硬化速度和程度降低↑壓坯密度有效地減小粉末與模壁間的摩擦:增大有效外壓力降低粉末顆粒間的內(nèi)摩擦：便于顆粒間的相互填充↑壓坯密度顆粒重排為主導機理顆粒的塑性變形為前者提高協(xié)調(diào)性變形成為后期的主導致密化機理室溫壓制塑性變形與顆粒重排對溫壓致密化的相對貢獻顆粒重排貢獻C1/(C1+C2)壓力（MPa）C1/(C1+C2)1000.87832000.78416000.69726760.69180.6%NewLub.+100℃/120℃潤滑劑的作用降低粉末顆粒的內(nèi)外摩擦：1)↑有效外壓→密度↑2)顆粒重排得以充分進行→密度↑↑溫度，摩擦系數(shù)μ↓粉末顆粒間的相互填充能力↑→彈性后效↓，脫模壓力↓技術(shù)核心專用粉末設計基粉basematerials：高壓縮性高效潤滑劑潤滑劑膜包覆每個顆粒潤滑劑膜具有耐壓性能加熱系統(tǒng)§3注射成形Injectionmoulding1技術(shù)背景

IM是塑料制品的一種通用成形技術(shù)原理是利用熔融塑料的流動行為借助于外壓經(jīng)注射嘴注入特定的形腔由于單純的塑料的強度和耐磨性低，應用范圍受到很大限制在熔融塑料中加入諸如金屬或陶瓷粒子作填充劑能否最大限度地提高塑料中填充劑的體積分數(shù)，而又可以保持塑料的良好流動性能呢？PIM用以制造形狀復雜程度很高的PM小型零部件開發(fā)PIM的先驅(qū)美國AMAX

Met.Injet.Moulding

和德國BASF公司八十年代初，PIM就實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化2PIM工藝概述

Metallicorceramicpowders+Binder

↓

Premixing（預混）

↓

Compounding(混煉mixingandpelletizing)

↓

Feedstock（喂料）

↓

Injectionmoulding

↓

Debinding(脫脂solventandorthermaldebinding/Presintering)

↓

Sintering（燒結(jié)）

↓

PIMparts3PIM(MIM)工藝的過程控制因素粉末原料1particlesize金屬粉末：一般小于30μm，常用2-8μm陶瓷粉末：通常小于2μm提高粉末燒結(jié)驅(qū)動力脫脂后坯體的強度（增加顆粒的鄰接度）便于混練和注射2particleshape球形顆粒有利于脫脂后獲得最大的顆粒填充密度和混煉均勻的喂料顆粒外形比（particleaspectratio）λ最好在1-1.5之間脫脂后能獲得最佳的坯件形狀保持性（shaperetention）3particlesizedistribution相當寬或窄的粒度分布易于獲得穩(wěn)定流變性能的喂料便于混練和注射成形Wider↑packingdensity,↓bindercontent→提高注射坯件在燒結(jié)過程中的尺寸穩(wěn)定性利于燒結(jié)致密化4粘結(jié)劑

必須滿足：1）較低的粘度

<0.1Pa.s，但過低易引起兩相分離現(xiàn)象2）與粉末顆粒潤濕性好強化顆粒與粘結(jié)劑之間的結(jié)合,便于S/B→S/G加入表面活性劑阻止在混練和注射過程中發(fā)生兩相分離粉末聚集現(xiàn)象

3）冷卻后粘結(jié)劑具有足夠的強度和韌性脫脂過程中易于排除，且不易形成脫脂缺陷為滿足混練、注射和脫脂的要求一般采用多組元體系的粘結(jié)劑5混練借助于溫度和剪切應力的聯(lián)合作用，使PIM喂料均勻且高度一致性1）混練溫度過高導致粘結(jié)劑“分解”（物理蒸發(fā)）粘度太低易發(fā)生兩相分離現(xiàn)象過低粉末聚集，喂料不均勻2）剪切力由螺桿轉(zhuǎn)速決定太高混練設備磨損和引入機械夾雜太低粉末聚集喂料的不一致性導致注射坯件單重變化和造成燒結(jié)坯收縮不一致6注射成形注射壓力和溫度是關(guān)鍵工藝參數(shù)取決于粘結(jié)劑類型與粉末粒度，顆粒形狀注射缺陷及成因void:

shrinkage,entrappedgassinkmarks:

shrinkage,segregationweldlines:

jetting,flowaroundcoressurfacepatterns:coldflow,segregationdeformation:

residualstress,ejectionofweakgreenpartsinconsistentshotweight:

inconsistentfeedstock,machinecontrol缺陷大多數(shù)在脫脂或燒結(jié)后才發(fā)現(xiàn)不可挽回的廢品7脫脂脫脂類型熱脫脂(thermaldebinding)和溶劑脫脂(solventdebinding)熱脫脂：在一定溫度和氣氛條件，多元組份中的低熔點組份形成液相（體積膨脹），借毛細作用溢出注射坯體或蒸發(fā)若T≥分解溫度，形成相應單分子化合物排出注射坯件的微觀結(jié)構(gòu)脫脂過程熱脫脂過程高熔點組份部分殘留在粉末顆粒接觸處賦予脫脂坯體足夠強度在更高的溫度下脫除溶劑脫脂利用粘結(jié)劑組份在溶劑中的選擇性溶解粘結(jié)劑擴散逸出注射坯體過程進行速度慢常用脫脂方法

先采用溶劑脫脂在注射坯體中形成開孔隙網(wǎng)絡為后續(xù)熱脫脂的分解產(chǎn)物的排出提供物質(zhì)傳輸通道↓分解產(chǎn)物可能形成的內(nèi)壓造成脫脂缺陷的機會↑脫脂速度脫脂方法Wiech法：適于蠟基粘結(jié)劑體系，1980發(fā)明（Ⅰ）法：氣態(tài)溶劑脫脂+液態(tài)溶劑脫脂

真空，T≥粘結(jié)劑的流動溫度→注入氣態(tài)溶劑→粘結(jié)劑的溶劑溶液并滲出坯體（脫除大部分）→液態(tài)溶劑脫脂。變形嚴重，3days（Ⅱ）法：惰性氣體環(huán)境，熱脫脂粘結(jié)劑的蒸汽壓稍高于氣氛壓力,1day（Ⅲ）法：虹吸脫脂除去大部分粘結(jié)劑（200℃，3hrs），常壓氫中熱脫脂,10hrsInjectamax法適于多組元粘結(jié)劑體系（高熔點和低熔點組份）1988年發(fā)明在室溫處于液態(tài)或半固態(tài)低熔點組份→液態(tài)溶劑脫除低熔點組元→高熔點組元熱脫脂6hrsMetamold法（BSAF）—催化脫脂法（九十年代初）適于聚醛樹脂粘結(jié)劑體系，在酸性氣氛下脫脂

低于粘結(jié)劑的熔點，借助于氣-固反應脫脂脫脂過程由表及里減小形成缺陷的可能性精度高，速度快，4mm/h但對設備具有一定程度的腐蝕燒結(jié)PIM坯體經(jīng)脫脂后為多孔結(jié)構(gòu)，導熱系數(shù)很小過快的升溫速度造成坯件表面層優(yōu)先燒結(jié)，形成硬殼阻止內(nèi)部粉末收縮熱應力→坯體變形和空洞4待解決的技術(shù)問題粉末成本：解決粗粉的注射成形問題粘結(jié)劑的回收脫脂時間長，生產(chǎn)效率低鐵基材料、硬質(zhì)合金中碳量控制精度控制缺陷消除§4冷等靜壓等靜壓冷等靜壓和熱等靜壓兩者差異：壓制條件（室溫與加熱，氣體與高壓油）致密化機理CIP-與剛性模壓制相同HIP-燒結(jié)與粉末變形同時發(fā)生優(yōu)點能壓制大尺寸、形狀較復雜的P/M部件毛坯密度分布均勻，壓制壓力降低三軸均勻壓制，能壓制硬脆粉末壓坯強度高單件模具費用低缺點生產(chǎn)效率低精度很低，需大量后續(xù)加工1CIP原理—帕斯卡原理借助于高壓泵的作用將流體介質(zhì)壓入耐高壓鋼質(zhì)密閉容器高壓流體的靜壓力直接作用于彈性模套內(nèi)的粉末體依照帕斯卡原理粉末體受到各個方向上大致相等的壓力作用消除了粉末與模套之間的外摩擦密度分布均勻，同一密度所需壓力較模壓降低粉末致密化阻力取決于粉末顆粒間摩擦（內(nèi)摩擦）和顆粒本身的變形能力（顯微硬度）2CIP工藝2.1柔性模套（flexibledieset）的制造耐油、耐壓橡膠：厚度為10mm以下的橡膠板軟模制作聚氯乙烯樹脂、硬脂酸、三鹽基硫酸鉛混合物倒入苯二甲酸二辛酯的溶液攪拌成漿料，提拿制模2.2工藝流程

粉末混合物裝入軟?！鷵u實→密封→冷靜壓→脫?！骷?CIP坯塊質(zhì)量控制粉末流動性良好裝粉：振動或敲打搖實均勻密封：防止液壓介質(zhì)滲入模內(nèi)加壓速度：過快導致出現(xiàn)軟心卸壓：過快→分層4CIP設備高壓容器和高壓泵系統(tǒng)組成分類：依高壓容器結(jié)構(gòu)分螺紋式：能承受較高壓力，螺紋磨損拉桿式：較低壓力，拉桿承受壓力框架式：很高壓力，最安全（預應力結(jié)構(gòu)）框架式CIP壓機5壓制方式濕袋式（wetbag）柔性袋浸沒在壓力介質(zhì)中，即無支撐的CIP優(yōu)點能在同一壓力容器中同時壓制不同形狀、尺寸的粉末壓坯模具壽命長，成本低缺點

壓制生產(chǎn)率較低干袋式（drybag）柔性模固定在壓力容器內(nèi)，即有支撐的CIP優(yōu)點生產(chǎn)率高，易于實現(xiàn)自動化模具使用壽命長缺點

每次只能壓制一種產(chǎn)品兩者的區(qū)別

干袋式不取出軟?！?熱等靜壓制1技術(shù)背景在CIP基礎上發(fā)展開發(fā)高性能飛機發(fā)動機用粉末高溫合金（即粉末超合金）渦輪盤粉末高速鋼硬質(zhì)合金軋輥制品2HIP原理包套置于一具有發(fā)熱元件的高壓容器內(nèi)，抽出缸內(nèi)空氣壓入30—60Mpa的氬氣，加熱致100Mpa左右借助于高溫、高壓的聯(lián)合作用使粉末體發(fā)生充分致密化獲得全致密高性能P/M制品3特點幾乎能消除粉末坯體中的所有孔隙，相對密度達0.9999壓力作用，加熱溫度低于通常的燒結(jié)溫度無成份偏析PmHippedHSSForgedHSS

核廢料HIP處理鑄件等的后處理，消除孔洞或裂紋等設備投資大，成本高3HIP壓機的分類螺紋式和框架式螺紋式螺紋承受軸向壓力缺點：工作壓力難以均勻地由各個螺紋承擔→巨大應力集中→斷裂→爆炸框架式軸向壓力通過上下活塞傳遞到框架，應力均勻分布，安全系數(shù)高框架式HIP4HIP壓機的結(jié)構(gòu)發(fā)熱元件

NiCrAl絲（1200℃）；Mo絲（1800℃）；W絲及鎢錸合金，石墨（2000℃以上）隔熱屏爐內(nèi)溫度在1000-3000℃，缸體溫度為100-200℃高效隔熱屏，多層結(jié)構(gòu)壓縮機真空系統(tǒng)油壓機構(gòu)控制上下活塞開閉和框架移動5包套材料選擇準則可塑性和強度不破裂和隔絕高壓氣體滲入良好的可加工性和可焊接性不與粉末發(fā)生反應和造成污染HIP后易被除去成本低中低碳鋼：適于粉末高速鋼，<1400℃Ni：Ti,陶瓷，<1430℃不銹鋼：不銹鋼，<1350℃鉛-堿玻璃：金屬，陶瓷，<630℃高硅玻璃：金屬，陶瓷，890-1600℃石英玻璃：1130-1600℃6HIP工藝流程粉末→裝入包套→真空脫氣（或加熱）→檢漏→封焊→HIP→出爐→除去包套（陶瓷、玻璃：敲碎；金屬：機加工）→表面清理→HIP產(chǎn)品7壓制方式取決于包套材料金屬：

↑P，↑T（可采用低壓壓縮機系統(tǒng)）玻璃、陶瓷和金屬：

↑T，↑P玻璃、陶瓷和金屬：

↑(T，P)熱裝爐操作工件在預熱爐加熱，轉(zhuǎn)入HIP壓機↑生產(chǎn)效率8HIP的應用HIP成形航空發(fā)動機壓氣機鎳基合金渦輪盤鑄件處理擴散聯(lián)結(jié)：M/C，C/C，M/M核廢料處理

9陶瓷模工藝陶瓷粒子作傳壓介質(zhì)陶瓷粒子的可流動性普通壓機加壓設備投資少§6粉末擠壓1定義與分類定義將粉末、粉末壓坯或粉末燒結(jié)坯在外力作用下，通過擠壓筒的擠壓嘴擠成坯料或制品的成形方法分類粉末直接擠壓（冷擠壓）：塑性好的金屬粉末粉末增塑擠壓：加入一定量的成形劑或粘結(jié)劑，硬質(zhì)粉末如硬質(zhì)合金粉末粉末包套熱擠：彌散強化合金等燒結(jié)坯或粉末壓坯的熱擠壓：塑性較好的有色金屬材料2粉末增塑擠壓原理粉末在擠壓筒內(nèi)的受力情況三向受壓縮，一方向變形沖頭施加的壓力P，筒壁約束產(chǎn)生側(cè)壓力Ph，相對運動產(chǎn)生摩擦力Pf

Ph=ξP,Pf=μPh=ξμP

物料被擠出的條件：P≥Pf+PR(變形阻力)

物料運動示意圖3擠壓過程增塑劑（plasticizer）石蠟+粘結(jié)劑PVA+硬脂酸（表面活性劑）低密度聚乙烯LDPE/硬脂酸SA聚丙烯PP/SA添加總量為6-8.5%粗顆粒粉末或厚壁件取下限細顆粒粉末或薄壁件取上限硬質(zhì)合金增塑擠壓工藝流程粉末料+增塑劑

↓

摻合（40-50℃）

↓

預壓（排氣，提高料密度）

↓

擠壓（40-50℃）

↓

擠壓坯

↓

脫增塑劑

↓

燒結(jié)

↓

制品4粉末熱擠壓借助于高溫的作用改善金屬的塑性流動性能，使坯體發(fā)生充分致密化，便于制造高性能P/M管材，棒材應用燒結(jié)坯熱擠壓：塑性好的金屬與合金粉末包套熱擠壓含有活性高的元素粉末如Ti、B、Zr、Al、Si等高溫合金或彌散強化材料包套制作工藝與HIP相同§7粉末軋制1定義與分類定義將粉末引入一對軋棍之間并使之壓實成具有一定粘結(jié)強度的連續(xù)帶坯的成形方法分類粉末直接軋（directpowderrolling）塑性良好的粉末（應用多）粘結(jié)粉末軋制(bondedpowderrolling)加入粘結(jié)劑改善粉末體的成形性包套粉末熱軋cannedpowderhotrolling活性粉末和高致密度的坯帶2粉末軋制原理特征區(qū)Ⅰ區(qū)-自由流動區(qū)顆粒受重力和因顆粒下移而產(chǎn)生顆粒間的摩擦力作用Ⅱ區(qū)-喂料區(qū)輥表面施予粉末一定的摩擦力，帶動粉末顆粒進入輥之間，導致粉末被咬入

Ⅲ區(qū)-壓軋區(qū)粉末質(zhì)量不變，體積縮小，密度增加特征區(qū)粉末軋制示意圖Hα=D(1-COSα)+δRδR--帶坯厚度α–咬入角質(zhì)量不變Hα.B.Vin.ρo=δR.b.V

out.ρ→ρ=（Hα.Vin.ρo）/（δR.V

out）

令軋延系數(shù)η=Vout/Vin壓實系數(shù)Z=ρ/ρo,則

ρ=ρo[1+D(1-COSα)/δR]/η

或δR=D(1-COSα)/(ηZ-1)3軋制過程的影響因素粉末性能粉末可軋制性:可塑性、成形性和流動性流動性粉末具有足夠成形性的同時，愈高愈好粉末硬度低的粉末硬度便于變形和形成高的機械嚙合，↑成形性軋輥直徑

↑D,ρ（δR固定）、Hα↑給料方式水平與垂直m↑，ρ、δR↑軋制速度↑ω,ρ、δR↓（m不變）輥縫t↑t，軋制壓力降低，ρ↓，δR↑4粉末軋制的應用多孔板材，如過濾板、催化劑板材層狀復合材料帶、板材纖維增強復合材料§8粉漿澆注slurrycasting大尺寸、形狀復雜陶瓷坯件成形的常用方法1料漿的制備由金屬粉末或纖維與分散劑等組成的混合物具有一定的流動性、粘度和相對穩(wěn)定性分散劑：水或酒精添加劑粘結(jié)劑賦予澆注件以足夠強度PVA，PEG，藻酸鈉，3%穩(wěn)定劑阻止粉末顆粒間的聚集，加入弱酸、堿，在顆粒表面上吸附H+或OH-離子靜電吸附，同性相斥→分離除氣劑表面活性劑，減小氣-固界面能，使顆粒表面吸附的氣體脫附，有利于防止顆粒聚集和消除坯間氣孔正丁醇調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)料漿粘度，改善流動性NaOH,HCl稀溶液，氨水溶液2石膏模制作石膏粉末粒度細，吸水能力強制作過程石膏粉末+水（1：1.5）→外加1%尿素→混勻→注入型箱→干燥→取出型芯→干燥（40-50℃）→石膏模3澆注離型劑硅油或肥皂水隔絕粉末顆粒與石膏顆粒間的接觸和控制吸水速度但會降低后續(xù)使用時吸水速度4影響因素粉末粒度細粉末利于澆注液固比影響粉漿粘度和粉末沉降速度粉漿的PH值影響粉漿粘度和粉末沉降速度分散劑與粘結(jié)劑粉漿的粘度和沉降速度和坯體強度石膏模的吸水能力5顆粒的偏析效應漿料在石膏模形腔的固化受控于顆粒隨分散劑流向模壁的運動重力場中沉降作用顆粒偏析效應示意圖

顆粒的堵塞效應示意圖研究發(fā)現(xiàn),偏析現(xiàn)象細顆?；蜉p質(zhì)顆粒的重力沉降作用較小,顆粒堵塞效應明顯粗顆粒或重質(zhì)顆粒隨分散劑的運動較小,重力沉降效應顯著料漿的固液比,顆粒尺寸差異,顆粒比重差異,石膏模的吸水速度利用這一現(xiàn)象可制備梯度復合材料Fe-Cu/WC復合材料的硬度在澆注方向上的變化§93D打印技術(shù)簡介1原理3D打印技術(shù)分為四類，包括固化成形技術(shù)、疊層實體制造技術(shù)、熔融沉積造型技術(shù)和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。其中，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是在激光照射下進行燒結(jié)，在激光燒結(jié)的過程中，為防止金屬的氧化，必須將金屬粉末密封在容器中進行。激光燒結(jié)技術(shù)的特點主要是采用多種材料，對形狀沒有要求，精度高、材料利用率高。同時我們也應該看到，激光燒結(jié)成形速度較慢，強度較低，打印機價格非常昂貴。在激光燒結(jié)技術(shù)基礎上發(fā)展的激光熔化技術(shù)是一種金屬件直接成形方法，是快速成形技術(shù)的最新發(fā)展。激光熔化技術(shù)有很多優(yōu)點，它可以直接制成終端金屬產(chǎn)品，省掉中間過渡環(huán)節(jié)，可得到冶金結(jié)構(gòu)的金屬實體，密度接近百分之百，工件也較高的拉伸強度，較低的粗糙度，較高的尺寸精度，適合各種復雜形狀的工件，尤其適合內(nèi)部有復雜異型結(jié)構(gòu)的模型。2構(gòu)成粉末包套和炸藥引爆裝置3應用硬質(zhì)粉末或形狀復雜的大型粉末部件的成形超大型金屬板材的焊接3D打印技術(shù)分為四類，包括固化成形技術(shù)、疊層實體制造技術(shù)、熔融沉積造型技術(shù)和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。其中，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是在激光照射下進行燒結(jié)，在激光燒結(jié)的過程中，為防止金屬的氧化，必須將金屬粉末密封在容器中進行。激光燒結(jié)技術(shù)的特點主要是采用多種材料，對形狀沒有要求，精度高、材料利用率高。同時我們也應該看到，激光燒結(jié)成形速度較慢，強度較低，打印機價格非常昂貴。在激光燒結(jié)技術(shù)基礎上發(fā)展的激光熔化技術(shù)是一種金屬件直接成形方法，是快速成形技術(shù)的最新發(fā)展。激光熔化技術(shù)有很多優(yōu)點，它可以直接制成終端金屬產(chǎn)品，省掉中間過渡環(huán)節(jié)，可得到冶金結(jié)構(gòu)的金屬實體，密度接近百分之百，工件也較高的拉伸強度，較低的粗糙度，較高的尺寸精度，適合各種復雜形狀的工件，尤其適合內(nèi)部有復雜異型結(jié)構(gòu)的模型。第六章

液相燒結(jié)

Liquidphasesintering§1概述1液相燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展在陶瓷領域發(fā)展起來在7000年前，古人用粘土礦物燒制建筑用磚塊陶器，瓷器，耐火材料當今的高技術(shù)陶瓷廣泛采用液相燒結(jié)技術(shù)制造耐磨陶瓷，壓電陶瓷，鐵氧體，電子基板及高溫結(jié)構(gòu)陶瓷液相燒結(jié)在金屬加工技術(shù)中的應用大約在400年前古印加人加工昂貴的金鉑首飾和工藝品現(xiàn)代液相燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展開發(fā)液相燒結(jié)技術(shù)是滿足愛迪生發(fā)明電燈絲（W）的需求拉絲模：天然金剛石替代材料發(fā)展階段初期：采用鑄造WC在冷卻過程中分解成脆性W2C，WC和石墨相

第二階段：WC粉末壓制并在低于2600度燒結(jié)制品仍表現(xiàn)為本質(zhì)脆性無工業(yè)應用價值突破階段：一戰(zhàn)前夕，德國化學家KARL1922年發(fā)明了粘結(jié)碳化物拉絲模（Ni,Fe,Co）1923年申請了發(fā)明專利標志著現(xiàn)代液相燒結(jié)技術(shù)成功地應用金屬工業(yè)中二十世紀二十年代初硬質(zhì)合金工具材料及稍后的青銅含油軸承的成功的開發(fā)三十年代初期（二戰(zhàn)前奏）高比重合金的開發(fā)與應用為液相燒結(jié)奠定了理論基礎液相燒結(jié)技術(shù)發(fā)展迅速用以制造高性能的P/M材料包括電接觸材料、軸瓦材料（Al-Pb）工具鋼、超合金磁性材料、汽車零部件航天材料電子焊料（solderingpaste）等2液相燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)、缺點優(yōu)點1)加快燒結(jié)速度

a液相的形成加快了原子遷移速度

遷移通道與速度↑

b在無外壓的情況下，毛細管力的作用加快坯體的收縮c液相的存在降低顆粒間的摩擦有利于顆粒重排列便于獲得固相晶粒的緊密堆積2)晶粒尺寸可以通過調(diào)節(jié)液相燒結(jié)工藝參數(shù)加以控制優(yōu)化顯微結(jié)構(gòu)和性能3)可制得全致密的P/M材料或制品，延伸率高4)粉末顆粒的尖角處優(yōu)先溶于液相易于獲得有效的顆粒間填充不足之處變形（distortion，slumping）燒結(jié)坯體液相數(shù)量過大或混合粉的粒度、混合不均勻時易出現(xiàn)變形收縮大尺寸精度控制困難3定義和分類

什么是液相燒結(jié)？

燒結(jié)溫度高于燒結(jié)體系低熔組分的熔點或共晶溫度的多元系粉末燒結(jié)過程

或燒結(jié)過程中出現(xiàn)液相的粉末燒結(jié)過程統(tǒng)稱為液相燒結(jié)分類瞬時液相燒結(jié)穩(wěn)定液相燒結(jié)熔浸超固相線液相燒結(jié)1.瞬時液相燒結(jié)Transientliquidphasesintering在燒結(jié)中、初期存在液相，后期液相消失的燒結(jié)過程特點：燒結(jié)中初期為液相燒結(jié)，后期為固相燒結(jié)體系：Cu-Sn,Cu-Pb,Ag-Hg,Ni-Ag,Fe-Fe3P,Fe-Cu3P,Fe-Ni-Al、Fe-Cu(<10%)等液相數(shù)量(體積分數(shù))取決于1）成分（低熔點組分的含量）2）升溫速度3）粉末顆粒的粒度提高液相數(shù)量的途徑1）提高低熔點組分含量2）升溫速度快3）粒度較粗高熔點組分顆粒與液相接觸面積小減小擴散面積2穩(wěn)定液相燒結(jié)Persistentliquidphasesintering燒結(jié)過程始終存在液相的燒結(jié)過程Insoluble:W（Mo）-Cu(Ag)、WC-Cu（Ag）、Cu-TiB2等Soluble:指固相在液相中溶解，如WC-Co、W-Ni、W-Ni-Fe(Cu，Mn)、TiC-Ni、Pb-Sn,Fe-Cu(>10%)等3熔浸Infiltration多孔骨架的固相燒結(jié)和低熔點金屬滲入骨架后的液相燒結(jié)過程前期為固相燒結(jié)，后期為液相燒結(jié)全致密假合金如W(Mo)-Cu（Ag）等復合材料4.超固相線液相燒結(jié)Supersolidiusliquidphasesintering

燒結(jié)溫度在合金固相線溫度之上的液相燒結(jié)過程

液相在多晶粉末顆粒內(nèi)形成,是一種在微區(qū)范圍內(nèi)較普通液相燒結(jié)更為均勻的燒結(jié)過程

高碳鐵合金，工具鋼，粉末超合金,納米晶復合WC-Co粉末等的燒結(jié)§2液相燒結(jié)的條件1液相必須潤濕固相顆粒(goodwetability)

液相燒結(jié)的前提

燒結(jié)體系滿足Yong方程γS=γSL+γLCosθ

θ-潤濕角1)θ=0液相充分潤濕固相顆粒固液界面充分取代固氣界面最理想的液相燒結(jié)條件2)θ>90O液相被推出燒結(jié)體，發(fā)生反燒結(jié)現(xiàn)象燒結(jié)氣氛與固相或液相組分間形成穩(wěn)定氧化物或氮化物體系如Al-Pb,Cu-Al,Cu-Sn，Cu-Pb等

液相滲出“出汗”3)0<θ<900這是普通的液相燒結(jié)情況燒結(jié)效果一般θ降低利于固/液界面取代固/氣界面燒結(jié)效果↑加入合金元素改善液相對固相顆粒的潤濕性促進液相燒結(jié)過程潤濕角的影響因素1)燒結(jié)溫度：T↑，θ↓主要降低γSL2)燒結(jié)時間：潤濕是一動態(tài)平衡過程，t↑，θ↓3）添加劑：↓θ添加劑能促進固相與液相間的物理溶解和輕微的化學反應TiC-Ni：添加MoW-Cu：添加Ni,Co,Fe4）固相顆粒的表面狀態(tài)固相顆粒的粗糙度↑，↑固-氣界面能潤濕過程易于進行5）燒結(jié)氣氛液相或固相氧化膜的形成成形劑分解后的殘?zhí)迹ㄨF基，YG合金除外）固相表面的氮化物（TiC-Ni中形成碳氮化合物）導致潤濕性下降

另外，體系中的二面角越小，液相燒結(jié)效果越好2固相在液相中具有有限的溶解度

(solubilityofsolidinliquid)

結(jié)果是1)溶解可改善潤濕性2)增加液相的數(shù)量即體積分數(shù)，促進致密化3)顆粒表面突出部位的化學位較高產(chǎn)生優(yōu)先溶解，通過擴散和液相流動在顆粒凹陷處析出

改善固相晶粒的形貌（表面光滑化與輪廓球化）減小顆粒重排的阻力4)馬欒哥尼效應有利于液相遷移

溶質(zhì)濃度的變化導致固液界面面張力梯度驅(qū)動液相流動

固液界面能γSL與燒結(jié)時間的關(guān)系5)增加了固相物質(zhì)遷移通道加速燒結(jié)過高的溶解度造成燒結(jié)體的變形為晶粒異常長大提供條件液相在固相中固溶，造成液相數(shù)量減小3.液相數(shù)量

(liquidcontent,volumefractionofliquid)液相數(shù)量的增加有利于液相充分而均勻地包覆固相顆粒固相顆粒之間的液膜厚度增加

減小固相顆粒間的接觸機會為顆粒重排列提供足夠的空間和降低重排列阻力有利于致密化但過大的液相數(shù)量造成燒結(jié)體的剛度降低形狀保持性（shaperetention）下降一般將液相數(shù)量控制在35%以內(nèi)液相冷卻后形成粗大針狀組織的合金體系（如Fe-Al）一般不采用液相燒結(jié)若液相燒結(jié)應嚴格控制液相的數(shù)量及其分布§3液相燒結(jié)階段和燒結(jié)機構(gòu)

(以重合金為例)液相燒結(jié)階段與燒結(jié)機理

formationofliquidphase&particlerearrangementTs≥TM、TE(M=melt,E=eutectic)

液相形成

WC-Co（1310℃）W-Ni-Fe（1435℃）潤濕性良好液相沿固相顆粒表面鋪展在毛細力的作用下液相發(fā)生流動填充孔隙空間與固相顆粒結(jié)構(gòu)坍塌1.液相的形成與顆粒重排液相侵入鎢晶界鎢晶粒之間發(fā)生分離

A1400℃,1hB1480℃,2h

W-Ni-Fe合金液相燒結(jié)后的重合金顯微結(jié)構(gòu)毛細力作用導致固相顆粒受力不平衡使顆粒產(chǎn)生移動和轉(zhuǎn)動，調(diào)整位置壓制狀態(tài)的固相顆粒的相對位置發(fā)生變化最佳的填充狀態(tài)（緊密堆積）燒結(jié)坯發(fā)生大量的致密化液相流動與顆粒重排液相燒結(jié)的主導致密化機理液相的數(shù)量主要取決于合金成分和燒結(jié)溫度（尤其是有限溶解體系）對于組元間存在固態(tài)下互擴散現(xiàn)象的液相燒結(jié)體系（如Fe-Cu），液相數(shù)量與升溫速度有關(guān)速度愈快，低熔組分來不及向固相擴散，液相數(shù)量相對增加致密化速度可下述方程表示：

d(△L/Lo)/dt=P.w/(2Rc.η)P-毛細壓力，P=2γLCOSθ/dW-液膜厚度；η-液相的粘度；Rc-有效毛細管半徑，與顆粒尺寸成正比細的固相顆粒有利于提高致密化速度d-固相顆粒的分離度,與液膜厚度相當2.溶解-再析出階段（dissolution-reprecipitation）固相在液相中具有一定溶解度的LPS體系化學位差異化學位高的部位將發(fā)生優(yōu)先溶解并在附近的液相中形成濃度梯度固相原子等在液相中的擴散和宏觀的馬孿哥尼流動在化學位低的部位析出化學位高的區(qū)域顆粒突起或尖角處，細顆粒發(fā)生細顆粒和顆粒尖角部位的優(yōu)先溶解壓坯中顆粒間接觸處（應力）化學位較低的部位顆粒的凹陷處和大顆粒表面溶解在液相中固相組分的原子在這些部位析出進行的結(jié)果固相顆粒表面光滑化和球化降低顆粒重排列阻力有利于顆粒間的重排進一步提高致密化效果小顆粒的溶解速度dr/dt=2DCγLVΩ(r-R)/(kTr2R)R、r分別為大小晶粒的半徑Ω—固相組分的原子體積D—固相組分在液相中的擴散系數(shù)C—固相組分在液相中的平衡溶解度致密化速度為

(△L/Lo)3=C1.t（擴散控制過程）(△L/Lo)2=C2.t（溶解控制過程）其中C1，C2為與燒結(jié)體系有關(guān)的常數(shù)判斷方法Roundgrain:diffusioncontrolledFlat-faced,prismaticgrain:reactioncontrolled由溶解-再析出過程造成的晶粒長大現(xiàn)象Ostwald熟化擴散控制的無限固溶體的LPS晶粒長大方程G3—Go3=K1tK1

=2DC∞Ωγ

/(kT)界面反應控制的無限固溶體的LPS晶粒長大方程G2—Go2=K2tGo為初始晶粒尺寸3固相燒結(jié)與晶粒粗化階段該過程進行速度較慢形成的剛性骨架阻礙致密化主要發(fā)生固相顆粒的接觸平直化和晶粒長大現(xiàn)象非接觸區(qū)則發(fā)生球化現(xiàn)象（液相數(shù)量較少）拓撲結(jié)構(gòu)要求接觸平直化接觸平直化示意圖超細晶粒或納米晶YG合金WC晶粒尺寸的控制阻止WC晶粒在燒結(jié)過程中的粗化WC晶粒長大機制（出現(xiàn)液相后）溶解-再析出抑制WC晶粒的溶解和干擾液態(tài)鈷相中的W,C原子在WC晶粒上的析出晶粒長大抑制劑—碳化物A在液態(tài)鈷相中溶解度大B降低體系的共晶溫度C抑制劑組元偏聚WC/Co界面VC,TaC,Cr3C2,NbC等VC和Cr3C2作晶粒長大復合抑制劑鎢鉻碳化物在WC/Co界面的分布VC在WC/Co界面的分布§4液相燒結(jié)組織特征1.液相的分布主要取決于液相數(shù)量和二面角的大小二面角Φ=0凝固后的液相組分形成連續(xù)膜包圍固相晶粒0<Φ<120o在固相顆粒間形成液相區(qū)，并與多個顆粒相連接Φ>120o形成分立的液相區(qū)，并被固相顆粒包圍2.固相顆粒的形貌（固相溶解于液相）取決于固相顆粒的結(jié)晶學特性（晶面能各向異性）、二面角和體積分數(shù)價鍵形式Fe-Cu：Cu大于30%Fe為金屬晶體，晶面能接近各向同性各個方向上的析出時機率幾乎相同→近球形重合金：W晶體以金屬鍵為主，含有離子鍵具有一定的方向性低能晶面優(yōu)先沉積機率↑→卵形WC-Co合金：WC晶體以共價鍵和離子鍵結(jié)合具有極強的方向性析出在特定的晶面進行→多邊形互不溶體系燒結(jié)后期，接觸后的顆粒間發(fā)生晶粒聚合非接觸區(qū)則基本保持原外形存在殘留孔隙§5液相燒結(jié)效果的影響因素1粒度1）細顆粒有利于提高燒結(jié)致密化速度，便于獲得高的最終燒結(jié)密度在顆粒重排階段：提高毛細管力，便于固相顆粒在液相中移動液相數(shù)量一定時，會增加顆粒之間的摩擦力和固相顆粒之間的接觸機會（次要）在溶解-再析出階段：強化固相顆粒之間和固相/液相間的物質(zhì)遷移，加快燒結(jié)速度2）細粉末便于獲得細小晶粒的燒結(jié)組織有利于獲得性能優(yōu)異的燒結(jié)材料2顆粒形狀顆粒重排階段初期，影響毛細管力大小形狀復雜導致顆粒重排阻力增加球形顆粒有利于顆粒重排形狀復雜的固相顆粒降低燒結(jié)組織的均勻性綜合力學性能較低3.粉末顆粒內(nèi)開孔隙降低顆粒間導致顆粒重排的液相數(shù)量減小固相顆粒之間的液膜厚度增加固相顆粒之間的接觸機會增加顆粒重排阻力4.粉末的化學計量主要是化合物粉末燒結(jié)體系，WC-Co合金缺碳由于形成η相，化合了部分Co，降低液相數(shù)量，降低燒結(jié)致密化效果缺碳還會導致WC晶粒的異常長大增碳降低共晶點，相對地提高液相數(shù)量，有利于燒結(jié)致密化5.低熔點組元的分布均勻性影響液相的分布聚集區(qū)域：液相數(shù)量大，收縮快貧化區(qū)域：液相數(shù)量少降低總體收縮措施減小低熔組元的粉末粒度提高分散度6.低熔組元的含量

直接影響液相數(shù)量（體積分數(shù)）液相體積分數(shù)對燒結(jié)致密化起著重要的作用7.壓坯密度壓坯密度高，固相顆粒的接觸程度提高阻礙顆粒重排，阻止致密化對于燒結(jié)部件的精度控制，則希望較高的壓坯密度8.冷卻速度冷卻速度決定析出相影響顯微結(jié)構(gòu)和力學性能液相經(jīng)快速冷卻后，形成過飽和固溶體需進行燒結(jié)后熱處理9.溫度與時間溫度主要與液相數(shù)量、物質(zhì)擴散速度、潤濕性、溶解度、液相粘度等相關(guān)聯(lián)對致密化和晶粒粗化具有顯著的影響時間對于在燒結(jié)過程中出現(xiàn)的液相，其體積分數(shù)大于15%，20分鐘就可以實現(xiàn)充分的致密化過長的燒結(jié)時間會引起晶粒粗化10.氣氛可能引起潤濕性的改善（氧化物還原）或劣化（形成氧化膜）封閉氣孔阻礙燒結(jié)體的致密化真空燒結(jié)可消除§6熔浸Infiltration1熔浸的定義及特點采用熔點比壓坯或燒結(jié)坯組分低的金屬或合金，在低熔點組分熔點或合金共晶點以上的溫度，借熔體的流動性填充其中孔隙空間的燒結(jié)方法

熔浸過程與普通液相燒結(jié)相比較熔浸靠液相從外部直接填充孔隙而實現(xiàn)致密化，不依賴顆粒重排和溶解-再析出過程實現(xiàn)燒結(jié)體的致密化特點：燒結(jié)初期發(fā)生固相燒結(jié)，中后期則發(fā)生液相燒結(jié)2.獲得較理想熔浸效果的條件1)坯體形狀保持性要求骨架金屬的熔點與熔浸劑間的熔點差別要足夠大2)坯體孔隙是連通的開孔隙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，孔隙度大于10%3)低的液相粘度和對骨架潤濕性良好4)固-液相間在熔浸過程中不形成高熔點的化合物，以避免化合物堵塞液相進入孔隙網(wǎng)絡的通道5)最好不存在相互溶解現(xiàn)象：若L→S擴散凝固導致形成瞬時液相燒結(jié)過程進行不充分若S→L形成蝕坑（Crater）或(Erosion)