第6章 粉末冶金特种烧结技术

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1、第6章粉末冶金特种烧结技术6.1概述烧结作为粉末冶金生产过程中最重要的工序，一直以来都是人们研究的重点。一般认为，坯体或粉体在高温过程中随时间的延长而发生收缩；在低于熔点的温度下，坯体或粉体变成致密的多晶体，强度和硬度均增大，此过程称为烧结。在高温过程中，由金属或非金属原料所组成的配合料可能会发生一系列物理化学反应，如：蒸发、脱水、热分解、氧化还原反应和相变；共熔、熔融和溶解；固相反应和烧结；析晶、晶体长大、剩余玻璃相凝固和冷却等。在烧结阶段发生的主要变化是微粒或晶粒尺寸与形状的变化和气孔尺寸与形状的变化；在烧结完成致密体的最后阶段，

2、气孔将从固体粉体中基本消除，形成一定的显微结构，从而赋予其一定的性能。一般来说，传统烧结包括气相烧结、固相烧结、液相烧结、反应(瞬时)液相烧结等。尽管目前一些材料可用低温的溶胶-凝胶(Sol-Gel)、化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)等方法制备，但绝大多数材料仍需要高温烧结才能达到高致密化。随着材料科学技术飞速的发展，新型特种材料的不断出现，普通烧结方法和常压低温烧结、液相烧结及添加剂辅助烧结等已难以适应需要，因而特种烧结技术应运而生。依据烧结机理及特点、烧结手段，特种烧结技术从传统的无压烧结、热压烧结、液相烧结、反应烧

3、结等发展到热等静压烧结(见第五章)、高温自蔓燃烧结(见第七章)、超固相线液相烧结(SLPS)、选择性激光烧结(SLS)、放电等离子体烧结(SPS)、微波烧结(WS)、爆炸烧结(ES)、铸造烧结(CST)、电场活化烧结(FAST)、大气压固结法(CAP)等，这些烧结技术的产生对于提高粉末冶金材料性能、制备常规烧结方法难以生产的特种材料、提高生产效率与降低成本，发挥着重要的作用。总之，目前粉末冶金特种烧结技术也正朝着高致密化、高性能化、高效率、节能、环保方向发展，新型特种烧结技术正不断被开发和应用。本章将分别介绍目前国际上流行的特种烧结技

4、术的发展概况、原理、工艺过程及其应用情况。6.2超固相线液相烧结(SLPS，SupersolidusLiquidPhaseSintering)6.2.1SLPS的发展概况超固相烧结(SLPS)由传统液相烧结变化而来，该工艺将粉末坯加热到液相线和固相线之间的温度进行烧结。SLPS可用于粒度564较粗的预合金粉末。超固相线液相烧结属于液相烧结的范畴，但它又不同于传统混合粉末的液相烧结。在粉末颗粒相互接触的地方以及晶界处形成液相层。晶界处的液相层软化粉末颗粒，使粉末在颗粒间毛细管力的作用下致密。但是，液相层也会降低结构刚度，因为颗粒在重力作

5、用下会下落。因此，SLPS的局限就在于致密的必需条件经常会导致变形，液相体积分数高，虽然可以加速致密化过程，但是也会降低尺寸精度。Westerman于1962年最早描述了镍基高温合金的超固相线液相烧结，他认为SLPS处理后镍基高温合金的力学性能更主要地取决于最高烧结温度，其次才是残余空隙。70年代初一些学者研究了Fe-0.9%C和Ni-30%Cu的SPLS。这个阶段仅仅是停留在初步的实验研究水平上，研究的体系十分有限，并且缺乏对工艺和机理的系统研究。Cambal将近球形的Fe-0.95mass.%C预合金松粉装入氧化铝模中，在1698

6、K和氢气保护下进行SLPS，Fe-C相图给出了此时的液相量为38%左右，结果在15~60s的时间内便获得了86~91%的相对密度，经过冷轧可将相对密度提高到95%。随后Lund对Fe-0.9%C和50%Cu-50%Ni预合金粉末进行了松装SLPS研究，Fe-0.9%C的最初松装密度为3.8~4.0g/cm3，经过1698K、10min的真空烧结，相对密度达到了99%左右，可见真空SLPS致密化能力优于气体保护烧结。Cu-Ni合金在1533K烧结10min，产生16~20%的液相量，即可获得93%的相对密度，而在同样的液相量下，Fe-0

7、.9%C只能达到60~70%的相对密度，这说明不同材料体系的最佳致密化所需的液相量不同。进入上世纪80年代后，关于SLPS的研究十分活跃，先后有许多关于镍基高温合金、不锈钢、工具钢、青铜、陶瓷等方面的SLPS研究。人们对影响SLPS的各种工艺条件(粉末特性、最高烧结温度、烧结时间、保护气氛、冷却速度、后续处理)作了全面的研究。German在总结前人工作的基础上，就SLPS的烧结机理、显微组织长大、致密化理论等问题作了全面系统的总结[1]，他借助粘性流动理论提出了SLPS的重排致密化机理模型。目前，SLPS的工业应用已经开始，如制造工具

8、钢和其它一些高合金成分体系的零件。6.2.2SLPS的原理及特点SLPS是从烧结机理角度来优化烧结的一种特种烧结技术，它将完全预合金化的粉末加热到合金相图的固相线与液相线之间的某一温度，使每个预合金粉末的晶粒内、晶界处及