先进成型与烧结技术-2015

1、1 1概述概述2 2先进成型技术先进成型技术3 3先进的烧结与致密化技术先进的烧结与致密化技术粉末冶金工艺与陶瓷材料制备工艺具有极大的相似性。粉末冶金工艺与陶瓷材料制备工艺具有极大的相似性。其共同特性主要表现在：其共同特性主要表现在： 研究对象具有相同的物理形态，即粉末状态研究对象具有相同的物理形态，即粉末状态 制备工艺过程几乎完全相同制备工艺过程几乎完全相同 粉末在加工过程中具有相同或相似的物理粉末在加工过程中具有相同或相似的物理化学化学 变化规律，服从相同或相似的理论规律。变化规律，服从相同或相似的理论规律。几乎所有的先进的粉末冶金制备技术都可以用来制备先进工程几乎所有的先进的粉末冶金制备

2、技术都可以用来制备先进工程陶瓷，但粉末冶金的后加工手段是工程陶瓷制备中难以使用的。陶瓷，但粉末冶金的后加工手段是工程陶瓷制备中难以使用的。材料成型问题主要涉及粉末冶金和陶瓷材料制备材料成型问题主要涉及粉末冶金和陶瓷材料制备1.4 粉末冶金技术的应用粉末冶金技术的应用在金属材料、陶瓷材料、复合材料方法广泛应用。在金属材料、陶瓷材料、复合材料方法广泛应用。2.1 概述概述 (1) 成型方法的分类成型方法的分类 成型可分为：加压成型和无压成型，成型可分为：加压成型和无压成型， 也可分为模压成型和特殊成型工艺。也可分为模压成型和特殊成型工艺。按照原料的特性来分类，可分为：按照原料的特性来分类，可分为：

3、 粉料成型法：模压成型、冷等静压成型等粉料成型法：模压成型、冷等静压成型等,一般为压力成型一般为压力成型 塑性料成型法：挤压、轧模、注射成型等塑性料成型法：挤压、轧模、注射成型等 浆料成型法：粉浆浇注、流延成型等浆料成型法：粉浆浇注、流延成型等 热致密化成型：热压、热等静压、热煅等热致密化成型：热压、热等静压、热煅等 特殊的致密与成型技术特殊的致密与成型技术模压成型零件模压成型零件冷等静压成型零件冷等静压成型零件注射成型零件注射成型零件(1) 模压成型法模压成型法可分为单向与双向模压成型（影响成型坯体的密度）。可分为单向与双向模压成型（影响成型坯体的密度）。特点：工艺简单，特点：工艺简单，易于

4、自动化。易于自动化。缺点：复杂形状缺点：复杂形状的零件难以制备。的零件难以制备。特点：特点：a. 能生产具有复杂形状的零件能生产具有复杂形状的零件 b. 压力均匀传递、压坯密度均匀、坯体强度高压力均匀传递、压坯密度均匀、坯体强度高 c. 模具成本低廉模具成本低廉模具的制造是最为关键的因素模具的制造是最为关键的因素混合料塑性的获得可以通过：混合料塑性的获得可以通过： a. 粉末本身具有塑性变形能力粉末本身具有塑性变形能力 b. 添加增塑剂获得变形能力添加增塑剂获得变形能力具有塑性的粉末可以通过成型方法达到加工的目的具有塑性的粉末可以通过成型方法达到加工的目的塑性成型可以分为：挤压成型、轧制成型、

5、注塑成型塑性成型可以分为：挤压成型、轧制成型、注塑成型(1) 挤压成型挤压成型 挤压成型挤压成型是指粉末体或者可塑性泥团在压力作用下，通过成型模嘴挤是指粉末体或者可塑性泥团在压力作用下，通过成型模嘴挤 成预期的制品。成预期的制品。按照挤压条件的不同可分为冷挤和热挤。按照挤压条件的不同可分为冷挤和热挤。在挤压成型工艺中，不论是具有变形能力的金属粉末还是脆硬的陶瓷粉在挤压成型工艺中，不论是具有变形能力的金属粉末还是脆硬的陶瓷粉末，都需使用有机增塑剂提高混合粉末塑性、便于成型。末，都需使用有机增塑剂提高混合粉末塑性、便于成型。将粉末混合料喂入两轧辊间隙中，通过轧制压力压轧成为具将粉末混合料喂入两轧辊

6、间隙中，通过轧制压力压轧成为具有适当强度的板带坯料，再经烧结和后处理工艺后成为带材，有适当强度的板带坯料，再经烧结和后处理工艺后成为带材，主要用于板带状的材料制造。主要用于板带状的材料制造。 可分冷轧和热轧工艺。可分冷轧和热轧工艺。 轧制成型的主要特点：轧制成型的主要特点： a. 制造一般轧制工艺无法生产的板带材，（多孔板材等）制造一般轧制工艺无法生产的板带材，（多孔板材等） b. 成分精确，组织均匀成分精确，组织均匀 c. 工艺简单，节省能源，成材率高工艺简单，节省能源，成材率高AlNAl 注射成型方法是粉末冶金技术同塑料注射成型技术相结合的注射成型方法是粉末冶金技术同塑料注射成型技术相结合

7、的一项新工艺。它是将粉末与成形剂均匀混合使之在一定温度下具一项新工艺。它是将粉末与成形剂均匀混合使之在一定温度下具有良好的可塑性，然后将这种可塑性粉末注射模具中，冷却后可有良好的可塑性，然后将这种可塑性粉末注射模具中，冷却后可得到所需的零件生坯。得到所需的零件生坯。主要特点是：材料结构均匀性好、可成形大批量、结构复杂、尺主要特点是：材料结构均匀性好、可成形大批量、结构复杂、尺寸小、精度高的制品。寸小、精度高的制品。在注射成型工艺中，最关键的工艺环节包括：在注射成型工艺中，最关键的工艺环节包括： a. a. 成型剂的配制与添加成型剂的配制与添加 b. b. 成型剂的脱出成型剂的脱出成型剂的脱出可

8、采用溶解浸出法和加热分解法两种：成型剂的脱出可采用溶解浸出法和加热分解法两种： 溶解浸出法是把成型坯体放入溶剂抽取装置中，除去粘结剂溶解浸出法是把成型坯体放入溶剂抽取装置中，除去粘结剂，形成具有一定密度的坯体。，形成具有一定密度的坯体。 加热分解法：是把注射成型坯体置于加热炉中，在加热条件加热分解法：是把注射成型坯体置于加热炉中，在加热条件下使粘结剂逐步分解而脱去成型剂。这个过程可以和烧结设备化过下使粘结剂逐步分解而脱去成型剂。这个过程可以和烧结设备化过程连在一起进行。程连在一起进行。 浆料成型是将粉末与水或其它有机液体制成一定浓度的悬浮粉浆，浆料成型是将粉末与水或其它有机液体制成一定浓度的悬

9、浮粉浆，注入具有所需形状的石膏模中，达到成型制品的目的，其关键工艺注入具有所需形状的石膏模中，达到成型制品的目的，其关键工艺环节是模具的设计和浆料的制备环节是模具的设计和浆料的制备新的浆料成型工艺：新的浆料成型工艺：压力注浆工艺压力注浆工艺离心注浆工艺离心注浆工艺真空注浆工艺等真空注浆工艺等 一种动态连续的注浆成型工一种动态连续的注浆成型工艺。将料浆由料斗槽中流入基艺。将料浆由料斗槽中流入基材上，由刮刀控制膜的厚度，材上，由刮刀控制膜的厚度，成膜后的浆料经烘干后得到膜成膜后的浆料经烘干后得到膜坯，烧结后得到薄的片材。坯，烧结后得到薄的片材。主 要 用 于 制 备 厚 度 小 于主 要 用 于

10、制 备 厚 度 小 于0.050.05 m m的薄片。如多层膜电容的薄片。如多层膜电容器等，主要工艺控制包括粉末器等，主要工艺控制包括粉末粒度（细粉最好），料浆流动粒度（细粉最好），料浆流动性好。性好。 热致密化成型技术主要包括：热压、热等静压、热挤压、热轧制技术，其主热致密化成型技术主要包括：热压、热等静压、热挤压、热轧制技术，其主要特点是成型与烧结一步完成，同时，在高温作用下，粉末处于热塑性状态，成要特点是成型与烧结一步完成，同时，在高温作用下，粉末处于热塑性状态，成型压力低，时间短，制品晶粒细小、密度高。型压力低，时间短，制品晶粒细小、密度高。(1) (1) 热压热压 在高温条件下，对粉

11、末施以一定的压力，从而促进粉末的烧结和致密化。热在高温条件下，对粉末施以一定的压力，从而促进粉末的烧结和致密化。热压烧结中，成型压力一般不大于压烧结中，成型压力一般不大于40MPa40MPa，其主要缺点是生产率低，成本高。，其主要缺点是生产率低，成本高。 按照加热方式不同，热压可分为直接加热法和间接加热法按照加热方式不同，热压可分为直接加热法和间接加热法 直接加热：直接加热：是将加热电流通过装有粉末的石墨模具，使模具发热，达是将加热电流通过装有粉末的石墨模具，使模具发热，达 到加热加压致密化的目的，这种工艺中温度较难控制，并到加热加压致密化的目的，这种工艺中温度较难控制，并 且温度场分布不均匀

12、。且温度场分布不均匀。 反应烧结工艺还可制备复合材料如反应烧结工艺还可制备复合材料如SiC/Si3N4等等 SiC + Si + N2 - SiC + Si3N4 利用液体在多孔体中毛细作用，让熔融的金属自动地利用液体在多孔体中毛细作用，让熔融的金属自动地填充到粉末压坯或多孔预制件中，排出多孔体中的气体，填充到粉末压坯或多孔预制件中，排出多孔体中的气体，冷却后即可得到所需的致密材料。从本质上讲，熔浸工冷却后即可得到所需的致密材料。从本质上讲，熔浸工艺是液相烧结的一种特殊情况。其主要特点只无烧结收艺是液相烧结的一种特殊情况。其主要特点只无烧结收缩、工艺时间短，可制备近净成型制品。缩、工艺时间短，

13、可制备近净成型制品。 这种工艺可以制备难熔金属这种工艺可以制备难熔金属易熔金属复合体（假易熔金属复合体（假合金）合金）金属陶瓷复合材料等。金属陶瓷复合材料等。 采用熔浸工艺制备采用熔浸工艺制备的材料体系必须具备如的材料体系必须具备如下条件：下条件： 两种材料熔点相差两种材料熔点相差大，否则会造成零件变大，否则会造成零件变形形 两种材料应具有良两种材料应具有良好的浸润性，浸润角小好的浸润性，浸润角小于于90 两种材料间不会发两种材料间不会发生相互溶解或溶解度不生相互溶解或溶解度不大。大。 主要熔浸工艺包括：接触法、全部熔浸法、部分熔浸法，主要熔浸工艺包括：接触法、全部熔浸法、部分熔浸法，为了提高

14、熔浸速度，还可采用真空或压力辅助。为了提高熔浸速度，还可采用真空或压力辅助。sheetwirelikeparticles Three models for analysis of atoms diffusion SPS 800 Cu Ni SPS 850 Cu Ni SPS 900 Cu Ni C/C0 X(um) C/C0 X(um) 5m5m5 FeCu800, 5min750 , 5minFeCu850, 5min5 5m5 FeCu-1010.00.20.40.60.81.0 Fe(1073K/300s) Cu(1073K/300s) Fe(1123K/300s) Cu(1123K/3

15、00s) Fe(1173K/300s) Cu(1173K/300s)Content (%)D i s t a n c e (um)-1010.00.20.40.60.81.0 Fe(1073K/3600s) Cu(1073K/3600s) Fe(1123K/3600s) Cu(1123K/3600s) Fe(1173K/3600s) Cu(1173K/3600s)Content (%)D i s t a n c e (um)Heating ModeTemperature (K)Holding Time (s)Distance of Diffusion (um)Diffusion Coeffic

16、ients (10-13cm2/s)FeCuSPS10733000.731.881.5411231.862.021.9011732.402.993.26HP107336001.890.2120.21611232.020.2430.23711732.400.2970.265Layer out for Measuring Temperature-600-500-400-300-200-100001020304050Semidiameter(mm)Temperature difference（）TiB2-BN(1.5 /s)TiB2-BN(2.8 /s)border between the samp

17、leand the dieCalculated results of temperature fields (0-20mm : TiB2-BN , 20mm-45mm:die) Tested temperature vs. heating time（TiB2-BN，3K/s） 0200400600800100012001400160018000100200300400500600Time(s)Temperature()temperature of die bordertemperature of sample bordertemperature of sample center-200-180

18、-160-140-120-100-80-60-40-20001020304050Semidiameter(mm)Temperature（）Cu-6.5/sCu-2.0/sborder betweenthe sample andthe dieCalculated temperature for Cu 01002003004005006007008009001000050100150200250300350400450500550600Time（s）Temperature（）Temperature of sample border Temperature of sample center Temp

19、erature of sample 1/2 radius Temperature of die borderTested temperature vs. heating time (Cu,2K/s) 中心温度中心温度边缘温度边缘温度（a）t=0min （b）t=1min 温度T/t0100 300 500 700温度T/t2100 300 500 700Measured T distributions during SPS welding of Ti-6Al-4V温度T/t5100 300 500 700100 300 500 700温度T/t105（c）t=5min （d）t=10min a

20、20mb2m Joining of Ti-6Al-4V/ Ti-6Al-4V by SPSM/C welding (a) Ni interlayer ; (b) Cu interlayer.TiB2-Ni cermetsNi foilTi6Al4VaTiB2-Ni cermetsCu foilTi6Al4Vb 石墨模具石墨模具温度温度/ / 0 0C C保温保温 /min/min压力压力/ / MPaMPa抗拉强度抗拉强度/MPa/MPa损坏点损坏点SPSSPS无无6006005 55 5789789连接处连接处6506505 55 5826826连接处连接处7007005 55 589389

21、3基体基体有有75075010105 5254254连接处连接处80080010105 5430430连接处连接处85085010105 5886886基体基体HPHP无无800800303016166262连接处连接处60601616650650连接处连接处Comparing of joining of joined Ti-6Al-4V by SPS and HP 它是一种它是一种数数字模型字模型文件为基础，运用文件为基础，运用特定的特定的材料，通过打印一材料，通过打印一层层的层层的材料材料来制造三维的物体。来制造三维的物体。可用于打印的介质种类多样： 塑料、金属、陶瓷以及橡胶类物质。可以结

22、合不同材料体系，打印出多叠成梯度材料（FGM）。1、数字光处理数字光处理（Stereo lithography ApparatusStereo lithography Apparatus，SLA SLA ）：）：使用“喷墨”的方式：采用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外光下固化。然后进行下一层打印堆叠。2、熔融沉积成型熔融沉积成型（Fused Deposition ModelingFused Deposition Modeling，FDMFDM） ：在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式形成薄层，逐层叠加。3、选择性激光烧结选择性激光烧结（ Selecting Laser Sintering Selecting Laser Sintering，SLSSLS）以粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，用激光熔铸成指定形状，4、电子束熔化成型：利用真空中的电子流熔化粉末微粒。 3D 3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的，打印原理是一样的。打印头、耗材和介质等架构组成的，打印原理是一样的。 3D 3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型，然后打印机主要是