粉末冶金原理1课件

粉末冶金原理(Ⅱ)曹顺华粉末冶金研究院粉体材料系

粉末冶金原理(Ⅱ)1导论1课程的任务和意义粉末冶金材料加工的两个基本过程金属粉末小部分直接应用隐形涂料

Fe,Ni及其合金纳米粉末食品医药超细铁粉涂料汽车用Al粉,变压器用超细铜粉化工合成

铁粉导论1课程的任务和意义2自发热材料(取暖和野外食品自热)超细Fe粉固体火箭发动机燃料超细Al,Mg粉等金刚石合成粉末触媒Fe-Ni合金粉末电子焊料(solder)电子封装用Cu,Ag合金粉末太阳能电池微细铝粉末高性能电路保护器PTC中超细金属Ni,Fe粉焊料细铁粉军用含能材料：纳米Al+Fe2O3……自发热材料(取暖和野外食品自热)超细Fe粉3绝大多数用于工程结构中部件的制造原料加工成块体材料或部件(粉末冶金制品)经过成形和烧结操作Powdermixtures(MetalorMetal+ceramicpowders)

Pressing+Sinteringsinteredpartsorsinteredmaterials成形和烧结控制着粉末冶金材料及其部件的微观结构与性能主宰着粉末冶金材料及其部件的应用绝大多数用于工程结构中部件的制造原料42课程对象研究粉末冶金加工过程中的相关工程科学（EngineeringScience）问题研究粉末成形与烧结过程中的工程科学问题材料设计的概念工程应用(服役条件)→技术指标（性能要求）→材料性能设计→微观结构设计→材质类型、加工工艺设计(经济性)

研究粉末类型、加工工艺参数与材料微观结构及部件几何性能间的关系2课程对象研究粉末冶金加工过程中的相关工程科学（Engin53粉末冶金技术的主要特点WhatisPowderMetallurgy？利用金属粉末或及其与化合物粉末的混合物为原料，经过成形和烧结操作，制取金属材料及其复合材料制品或零部件的加工方法冶金方法零件制造技术3粉末冶金技术的主要特点WhatisPowder61）经济性：低成本材料冶金与零件制造有机地结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生产效率高制造过程高度自动化1）经济性：低成本7齿轮1)传统工艺：铸锭冶金+机加工铁精矿→

高炉炼铁→铁水→炼钢

→铸锭→开坯(多道次)→热挤压(多道次)→钢锭（棒料）→下料→机加工(车外圆→平端面→铣轴向孔→滚齿)→（热处理）→齿轮2)粉末冶金铁精矿粉末(总铁大于71.5%,SiO2小于0.3%)→隧道窑高温还原(1050-1100℃)→破碎→磁选→精还原(750-800℃)→破碎→磁选→合批→铁粉→混合(添加合金元素)→压制→烧结→（热处理）→P/M齿轮齿轮8①主要工序：前者15个以上后者8个②高温工序：前者8个以上后者3个前者材料利用率约为40%PM可达95-100%短流程、低能耗、节材特点粉末冶金原理1课件9

automaticPowderpress全自动液压机粉末冶金原理1课件10Adaptor模架Adaptor11meshbeltwalkbeamSinteringFurnace粉末冶金原理1课件12汽车部件粉末冶金原理1课件13电动工具与汽车部件行星齿轮支架Planetarycarrier粉末冶金原理1课件142）易于制造难加工材料陶瓷/金属复合材料---金属陶瓷cermet粉末超合金powdersuperalloys粉末高速钢powderhigh-speedsteels金属基复合材料metalmatrixcomposites弥散强化材料

dispersion-strengthenedmaterials微观结构可控材料多孔材料，非晶态材料，超细结构材料等2）易于制造难加工材料15

钨合金硬质合金重合金钨靶材钨/钼基电工合金纳米晶材料nano-grainedmaterials梯度复合材料functionallygradientmaterials等3）尺寸一致性高铁基P/M零件钢模寿命：2万件左右硬质合金模：5-6万件钨合金164）绿色环保废弃物排放很低“洁净”冶金粉末冶金原理1课件17粉末冶金技术的不足1）加工的零件或材料尺寸有限2）应用范围有限固相烧结材料中的孔隙造成部件或材料的物理、力学性能较低

低强度，低拉伸塑性逐渐被粉末冶金新技术所克服扩大粉末冶金部件或材料的应用范围粉末冶金技术的不足185粉末冶金材料应用1）机械零件汽车（70%）工程机械摩托车家电办公机械电动工具等5粉末冶金材料应用1）机械零件192）机械加工刀具硬质合金，粉末高速钢，金属陶瓷等加工电极W-Cu电火花加工电极汽车薄板焊接用弥散强化铜电极2）机械加工203）航天航空固体火箭发动机喉衬及喷管飞机发动机蜗轮盘与叶片等导弹鼻锥、火箭喉衬、燃气舵等卫星导航陀螺等制动材料4）微电子电子封装热沉材料3）航天航空215）军事工业重合金，钼材料等6）通信技术钨合金振子、钼铜封装材料7）运动器材钨合金高尔夫球头……..5）军事工业22

第一部分粉末成形

powdershapingorforming具体部件具有一定的几何形状和尺寸利用外力或粘结剂联结松散状态粉末体中的颗粒，将粉末体转变成具有足够强度和尺寸精度的几何体的过程粉末颗粒间的结合力1）外力作用情形：为机械啮合力或范德华力2）粘结剂情形：主要依靠高分子材料的粘结能力

高分子材料本身的强度及其与粉末颗粒之间的结合强度第一部分粉末成形

powdershapi23分类：刚性模（rigiddie）压制

普通模压、温压与模压流动成形非模压成形（其它方式）冷、热等静压注射成形连续成形：粉末挤压，粉末轧制粉浆浇注无模成型（快速成形技术如3D打印）喷射成形，爆炸成形等分类：24快速成形技术（Rapidprototyping-

RP）

简介两大类1）基于光源的RP立体光固化造型stereolithography(SL)光固化树脂选择性激光烧结selectivelasersintering(SLS)塑料、金属、陶瓷等适应性强叠层实体制造laminatedobjectmanufacturing（LOM）薄板叠加+激光焊接快速成形技术（Rapidprototyping-RP）

252）基于喷射的RP熔融沉积成形fuseddepositionmodeling(FDM)塑料等3D打印技术threedimensionalprinting(3DP)直接金属沉积directmetaldeposition(DMP)2）基于喷射的RP26

3D打印（3DP）的技术快速成形技术的一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术基于微喷射原理（类似于喷墨）将喷射材料从喷嘴喷出微型液滴，按一定路径逐层打印或堆积材料3D打印（3DP）的技术快速成形技术的一种27树脂类熔融树脂光固化材料3DP粘结材料3DP熔融材料3DP3D打印树脂类熔融树脂28粉末冶金原理1课件29金属粉末快速成形技术原理由CAD软件产生零件实体模型由分层软件对CAD实体模型按照一定的厚度进行分层切片处理，获取各截面的几何信息然后根据切片轮廓设计出扫描轨迹，并将其转化成NC工作台的运动指令金属粉末快速成形技术原理30成形时具有一定功率密度的激光束照射到基材表面形成熔池，同时金属粉末由送粉器送出，经送粉管路输送到同轴送粉头并进入熔池形成熔覆层根据CAD给定的各层截面的路径规划NC的控制送粉头相对于工作台运动金属材料逐层扫描堆积制造出金属实体零件成形时具有一定功率密度的激光束照射到基材表面形成熔池，同时金31SLS快速成形原理示意图粉末冶金原理1课件32SLS快速成形设备粉末冶金原理1课件33快速成形的金属部件粉末冶金原理1课件34主要特点柔性制造研发周期短低成本主要特点35

第一章粉末压制

PowderPressingorCompaction§1压制前粉末料准备1还原退火

reducingandannealing作用降低氧碳含量，提高纯度消除加工硬化，改善粉末压制性能第一章粉末压制

PowderPressin36粉末钝化使细粉末适度变粗，或形成氧化薄膜，防止粉末自燃退火温度高于回复-再结晶温度，（0.5-0.6）Tm退火气氛还原性气氛（CO,H2），惰性气氛，真空粉末钝化372合批与混合blendingandmixing混合不同成分的粉末借助于外力作用实现颗粒组份间分布均匀的过程合批同类粉末或粉末混合物的混合消除因粉末在运输过程中产生的偏析或在粉末生产过程中不同批号粉末之间的性能差异获得性能均匀的粉末料2合批与混合blendingandmixing38机械法混合与化学法混合机械混合方式干混法：铁基及其它粉末冶金零件的生产湿磨法：硬质合金或含易氧化组份合金的生产WC与Co粉之间除产生一般的混合均匀效果发生显著的细化效果一般采用工业酒精作为研磨介质机械法混合与化学法混合39湿磨的主要优点有利于环境保护无粉尘飞扬和减轻噪音提高破碎效率，有利于粉末颗粒的细化保护粉末不氧化不足操作工序增加粉料干燥增加能耗球磨介质损耗成本提高湿磨的主要优点40混合机理简介粉末床的运动行为（a）粉末体整体滑动（b）粉体局部坍塌混合机理简介粉末床的运动行为41

（c）粉末整体滚动(d)小瀑布状抛落粉末冶金原理1课件42(e)大瀑布状抛落(f)离心状粉末冶金原理1课件43取决于圆筒形混合器的转速筒体的直径二者对粉末床运动行为的影响可用Froude准数描述Fr=(ω2R)/g(惯性离心力/重力)材料的物性(颗粒尺寸,颗粒形状等,主要影响粉末的静态响应角,与颗粒间摩擦力大小有关)装料量筒壁的粗糙程度取决于44在滑动与离心状态,颗粒之间很少发生相对运动混合效果最差而对于组元之间比重差异大的混合物体系剧烈的抛落容易造成组元间的成分偏析应予避免在滑动与离心状态,颗粒之间很少发生相对运动45处于滚动状态时颗粒的微观运动状态粉末冶金原理1课件46零速度区很容易在装料大于50%时出现工程实践规定装料量不大于40%！零速度区很容易在装料大于50%时出现47混合机理

混合方式示意图混合机理48严格意义上的扩散过程并不存在实际上为微区内的颗粒对流粉末颗粒混合通过对流与剪切作用实现严格意义上的扩散过程并不存在49混合均匀度(成分偏差)与时间的关系粉末冶金原理1课件50添加适当数量的研磨体可强化混合效果即强化颗粒的对流与剪切作用添加适当数量的研磨体可强化混合效果51偏析(segregation)现象反混合现象涉及相容性问题—“物以类聚”Causedbydifferencesinparticledensity颗粒之间密度差异Particlesize粒度差异Particleshape颗粒形状差异球形颗粒与针状颗粒具有最小的偏析趋势偏析(segregation)现象反混合现象52粉末冶金原理1课件53粉末冶金原理1课件54粉末冶金原理1课件55混合均匀程度和效率取决于粉末颗粒的尺寸及其组成颗粒形状待处理粉末组元间比重差异混合设备的类型混合工艺混合均匀程度和效率取决于56装料量球料比转速研磨体的尺寸及其搭配对于给定的粉末和混合设备，最佳混合工艺一般采用实验加以确定装料量57

V-形双锥形多维常见混合设备粉末冶金原理1课件58化学法混合混合较前者更为均匀,可以实现原子级混合W-Cu-Ni包覆粉末的制造工艺

W粉+Ni(NO3)2溶液→混合→热解还原（700-750℃）

→W-Ni包覆粉+CuCl2溶液→混合→热解还原（400-450℃）

→W-Cu-Ni包覆粉末存在环保问题！化学法混合59无偏聚（segregation-free）粉末binder-treatedmixture消除元素粉末组元（特别是轻重组元）间的偏析粉末混合与输运过程无偏聚（segregation-free）粉末603成形剂(binder)和润滑剂(lubricant)成形剂(非增塑成形)场合1)硬质粉末：如硬质合金,陶瓷等粉末变形抗力很高难以通过压制所产生的变形而赋予粉末坯体足够的强度添加成形剂提高生坯强度，利于成形3成形剂(binder)和润滑剂(lubricant)612)流动性差的粉末细粉或轻质粉末粘结剂作用适当增大粉末粒度，减小颗粒间的摩擦力改善粉末流动性,提高压制性能橡胶、硬脂酸、石蜡、SBS、PEG、PVA等2)流动性差的粉末细粉或轻质粉末62选择准则能赋予待成形坯体以足够的强度易于排除成形剂及其分解产物不与粉末发生反应分解温度范围较宽分解产物不污染环境选择准则63润滑剂↓粉末颗粒与模壁间的摩擦压坯密度分布不均匀影响被压制工件的表面质量降低模具的使用寿命润滑剂64粉末压制用的润滑剂硬脂酸硬脂酸锌工业润滑蜡PEG(二硫化钼、石墨粉、硫磺粉也可起润滑作用)粉末压制用的润滑剂65润滑方式粉末内润滑internallubrication润滑剂直接加入粉末中铁基粉末润滑剂含量提高0.1%坯件的无孔隙密度下降0.05g/cm3模壁润滑diewalllubrication静电喷涂溶液涂敷润滑方式粉末内润滑internallubrication66静电喷涂模壁润滑系统静电喷涂模壁润滑系统67粉末润滑与模壁润滑零件表面质量差异粉末润滑与模壁润滑零件表面质量差异684制粒pelletizingorgranulating细小颗粒或硬质粉末为了成形添加成形剂改善流动性添加粘结剂进行自动压制或压制形状较复杂的大型P/M制品粉末结块原理借助于聚合物的粘结作用将若干细小颗粒形成团粒4制粒pelletizingorgranulatin69减小团粒间的摩擦力大幅度降低颗粒运动时的摩擦面积增大运动单元的动力（重量）制粒方法擦筛制粒喷雾干燥挤压制粒旋转盘制粒减小团粒间的摩擦力70§2压制现象1颗粒的位移与变形1.1粉末颗粒位移位移方式：滑动与转动颗粒重排列Particlerearrangementorrepacking(restacking)§2压制现象71粉末冶金原理1课件72影响因素受控于粉末颗粒间内摩擦表面粗糙度润滑条件颗粒的显微硬度颗粒形状粒度颗粒间可用于相互填充的空间加压速度影响因素731.2粉末颗粒的变形弹性变形颗粒间的接触应力≤材料弹性极限塑性变形颗粒接触应力≥金属的屈服强度点接触处局部面接触处局部整体1.2粉末颗粒的变形74脆性粉末点接触应力>断裂强度断裂塑性粉末点接触应力>屈服强度塑性变形加工硬化脆化断裂脆性粉末752致密化现象2.1致密化压力作用下松散状态→拱桥效应的破坏（位移→颗粒重排）+颗粒塑性变形→孔隙体积收缩→致密化拱桥效应bridgeeffect颗粒间由于摩擦力的作用而相互搭架形成拱桥孔洞的现象影响因素与粉末松装密度、流动性相关2致密化现象76颗粒形状粒度及其组成颗粒表面粗糙度颗粒比重（含致密程度）颗粒表面粘附作用（颗粒的磁性、陶瓷颗粒的静电、液膜存在）颗粒形状77粉末冶金原理1课件78塑性变形阻力的影响因素颗粒的显微硬度合金化酸不溶物氧化物颗粒本质原子间作用力加工硬化速度（晶体结构）颗粒形状粉末粒度压制速度塑性变形阻力的影响因素792.2弹性后效Springback反致密化现象压坯脱出模腔后尺寸胀大的现象残留内应力释放的结果弹性后效与残留应力相关压制压力粉末颗粒的弹性模量2.2弹性后效Springback80粉末粒度组成（同一目标密度）颗粒形状颗粒表面氧化膜粉末混合物的成份:弹性模量1）Fe-2Cu,Fe-2Cu-0.8C2）WC-Co、陶瓷粉末等3）软质金属粉末粉末粒度组成（同一目标密度）813压坯强度

Greenstrength表征压坯抵抗破坏的能力，即颗粒间的粘结强度影响因素本征因素颗粒间的结合强度（机械啮合mechanicalinterlocking）接触面积3压坯强度

Greenstrength表征压坯抵抗破坏82颗粒间的结合强度颗粒表面的粗糙度颗粒形状颗粒表面洁净程度压制压力颗粒的塑性颗粒间的结合强度83硬脂酸锌及成形剂添加与否前者阻隔金属颗粒的联结后者可提高压坯强度高模量组份的含量相同应变量，高模量增加残留应变能硬脂酸锌及成形剂添加与否84颗粒间接触面积即颗粒间的邻接度contiguity颗粒的显微硬度粒度组成颗粒间的相互填充程度压制压力颗粒形状颗粒间接触面积85外在因素：残余应力大小压坯密度分布的均匀性粉末的填充均匀性粉末压坯的弹性后效模具设计的合理性过高的压制压力表征方法抗弯强度或转鼓试验的压坯重量损失外在因素：残余应力大小压坯密度分布的均匀性86§3压坯密度与压制压力间的关系3.1压制过程力的分析P施加在模腔中的粉末体粉末向周围膨胀侧压力Fn(Pn)粉末与模壁之间出现相对运动摩擦力Ff(Pf)下冲头的压力Pb§3压坯密度与压制压力间的关系3.1压制过程力的分析87侧压力Ph=ν/(1-ν)P=ξPν-泊松系数,ξ-侧压系数模壁摩擦力Pf=μPn=μξPPb=P-Pf压力损失△P=P-Pb侧压力88在距上冲为X处的有效外压PxPx=Poexp(-4ξμX/D)D为模腔内径在距上冲为X处的有效外压Px893.2脱模压力（ejectionforce）静脱模力（stripingforce）滑动脱模力(slidingforce)与坯件的弹性模量，残留应变量即弹性后效及其与模壁之间的摩擦系数直接相关3.2脱模压力（ejectionforce）90压坯密度或压制压力粉末原料显微硬度、颗粒形状、粒度及其组成、润滑剂含量粉末颗粒与模壁之间的摩擦系数模具材料的硬度零件的侧面积压坯密度或压制压力913密度与压力间的关系—压制方程压坯密度ρ是外压的函数ρ=k.f(P)3.1常用力学模型理想弹性体-虎克体（H体）:弹簧σ=Mε理想流体-牛顿体（N体）:活塞在汽缸中运动σ=ηdε/dt3密度与压力间的关系—压制方程压坯密度ρ是外压的函数92

线弹-塑性体-Maxwell体（M体）：H体与N体串联σT=σ1+σ2εT=ε1+ε2线弹性体-Kelvin体（K体）：H体与N体并联εT=ε1=ε2σ=M(ε+τ2dε/dt)τ2应变驰预时间线弹-塑性体-Maxwell体（M体）：H93标准线性固体（SLS体）M体与H体并联σT=σ1+σ2εT=ε1+ε2σ+τ1dσ/dt=M(ε+τ2dε/dt)标准线性固体（SLS体）94标准非线性固体（SNLS体）(σ+τ1dσ/dt)n=M(ε+τ2dε/dt)硬化指数的倒数n<1τ1、τ2分别为应力、应变驰豫时间恒应力σo作用并充分保压（dσ/dt=0），经数学变换得σon=Mε或σo=(Mε)1/n标准非线性固体（SNLS体）95

2.2大程度应变的处理自然应变ε=∫LLodL/L=ln(L/Lo)若压坯的受压面积固定不变，则ε=-ln[(V-Vm)/(Vo-Vm)]=ln{[(ρm-ρo)ρ]/[(ρm-ρ)ρo]}2.2大程度应变的处理963.2巴尔申方程基本假设将粉末体视为弹性体不考虑粉末的加工硬化忽略模壁摩擦任意一点的变形与压力间的变化率dσ/dε=kσ=P/Aε-对应于压缩量；A-颗粒间有效接触面积3.2巴尔申方程基本假设97积分、变换并取对数后得lgPmax-lgP=L(β-1)L=压制因子β=压坯的相对体积适应性硬质粉末或中等硬度粉末在中压范围内压坯密度的定量描述积分、变换并取对数后得98出现偏差的原因低压时粉末颗粒以位移方式填充孔隙空间为主粉末体的实际压缩量高于计算值（即理论值）偏低现象高压时粉末产生加工硬化现象和摩擦力的贡献大，导致实际值低于计算值偏高现象出现偏差的原因992.4黄培云压制理论采用标准非线性固体模型ε=σon/Mlgln[ρ(ρm-ρo)/(ρm-ρ)ρo]=nlgP-lgM最初形式n=硬化指数的倒数M=压制模量针对对原模型量纲问题，进行修正，并采用模型2.4黄培云压制理论采用标准非线性固体模型100

ε=（σo

/M）1/mmlgln[ρ(ρm-ρo)/(ρm-ρ)ρo]=lgP-lgMm=粉末压制过程的非线性指数硬化趋势的大小晶体结构，粉末形状、合金化等相关适应性硬质或软质粉末均有效ε=（σo/M）1/m101§4压制实践1摩擦力在粉末压制过程中的作用外摩擦力粉末颗粒与模具（阴模内壁diewall、模冲puches、芯棒corerod）之间的因相对运动而出现的摩擦作用消耗有效外压造成压力降和在压制面上的压力再分布，导致粉末压坯密度分布不均匀§4压制实践1摩擦力在粉末压制过程中的作用102影响因素颗粒与模具之间的摩擦系数粉末颗粒、模具零件表面表面粗糙度润滑剂添加量润滑方式：整体或模壁润滑润滑方式颗粒的显微硬度

颗粒与模具间的冷焊影响因素103内摩擦粉末颗粒之间的摩擦interparticlefriction正面作用带动粉末颗粒位移传递压制压力内摩擦104负面作用降低粉末的流动性和填充性能摩擦功以热的形式损耗掉→有效致密化压力损失但发热可产生一定的金属粉末颗粒软化负面作用1052压坯密度分布均匀性的控制压坯密度分布不均匀的后果成形不能正常实现如出现分层，断裂，掉边角等烧结收缩不均匀，导致变形因素高径比H/D↑H/D，ρ↓，dρ/dX↑当H/D→∞，压坯的下部粉末无法成形2压坯密度分布均匀性的控制压坯密度分布不均匀的后果106粉末冶金原理1课件107模具的润滑状态模壁润滑优于整体润滑压制方式若被成形件为轴套类部件，可采用三种压制方式单向压制，双向压制和强制摩擦芯杆压制平均密度：ρ3>ρ2>ρ1模具的润滑状态108密度分布均匀性(dρ/dX)1>(dρ/dX)2>(dρ/dX)3强制摩擦芯杆压制获得的密度最高，分布也最均匀粉末颗粒平均粒度粒度较粗的粉末的压缩性较好，密度分布也较均匀密度分布均匀性109模具设计的合理性使台阶间的粉末压缩比相同粉末的流动性

填充均匀零件形状复杂程度涉及压机及模架的动作功能粉末塑性颗粒的本征塑性，化学纯度（氧、碳及难溶物含量，合金化程度）和加工方法模具设计的合理性1103复杂形状部件的成形密度分布的控制多台阶零件：恒压缩比压坯强度：合适粒度组成和表面较粗糙的近球形粉末→高压坯强度脱模压力润滑和低的弹性后效，↓脱模压力压坯形状的合理设计3复杂形状部件的成形密度分布的控制111粉末冶金原理1课件1124压制缺陷的控制主要缺陷类型、成因分层沿坯件棱边向内部发展的裂纹，与压制面形成大约45度的界面弹性后效控制方法适当降低压制压力复杂件应提高密度分布均匀性4压制缺陷的控制主要缺陷类型、成因113裂纹：台阶间结合处，脱模过程中的停顿弹性后效控制方法：提高压坯强度复杂件成形：保持恒压缩比与提高粉末填充均匀性裂纹：台阶间结合处，脱模过程中的停顿114第二章特殊及新型成形技术Chapter2SpecialandNewPowderFormingTechniques§1概述普通刚性模压制(rigiddiecompaction)技术的特点第二章特殊及新型成形技术Chapter2Specia115优点制造成本低可实现连续自动化生产生产效率高部件几何尺寸一致性好特别是经固相烧结的粉末冶金部件优点116不足密度分布不均匀部件形状复杂程度有限密度较低(经固相烧结)尺寸较小，即单重较轻不足117后果1）压坯强度低坯体中存在残留应力2）烧结收缩不均匀高低密度区的收缩不一致后果118各工业领域对新材料的需求发展新的粉末成形技术各工业领域对新材料的需求119成形技术1WP（WarmPressing/Compaction）－温压技术高性能（高强度、高精度）的铁基粉末冶金零部件；是传统刚性模压制（模压）技术的发展2PIM(PowderInjectionMolding)－粉末注射成形技术形状复杂、薄壁、小尺寸件成形技术1WP（WarmPressing/Compact1203CIP(ColdIsostaticPressing)－冷等静压高均匀性大型粉末冶金制品4HIP(HotIsostaicPressing)-热等静压全致密、高性能、难烧结粉体材料或部件3CIP(ColdIsostaticPressing)1215SC(SliporSlurryCasting)－粉浆浇注形状复杂、大尺寸的粉末冶金零部件，特别是陶瓷制品6PR(PowderRolling)&PE(PowderExtruding)-粉末轧制与挤压一维尺寸很大而其它两维尺寸较小（棒、管）或一维尺寸相对较小（板材）的制品5SC(SliporSlurryCasting)－粉1227PF(PowderForging)-粉末锻造高强度铁基粉末冶金零部件8RP(RapidPrototyping)－快速成形借助于CAD、CAM，形状极为复杂的粉末冶金制品7PF(PowderForging)-粉末锻造123成形技术的选择原则几何要求几何尺寸、形状复杂程度性能要求力学、物理性能及几何精度制造成本（结合批量、效率）最低成形技术的选择原则124§2温压技术粉末与模具被加热到较低温度（一般为150℃）下的刚模压制方法粉末与模具需加热其它与常规模压几乎相同温压与粉末热压完全不同温压的加热温度远低于热压（高于主要组分的再结晶温度）被压制的粉末冶金零部件的尺寸精度很高，表面光洁§2温压技术粉末与模具被加热到较低温度（一般为150℃）下1251温压技术的发展背景与现状温压技术的开发的原动力需求汽车特别是轿车工业急需低成本、高性能的铁基P/M零部件提高汽车在市场上的竞争力

如2011型FordEdge汽车采用了近30KgP/M零件

发动机：11.8Kg变速系统：11.8Kg其它部分：6.35Kg1温压技术的发展背景与现状温压技术的开发的原动力126问题：材质调整和后处理对改善铁基P/M零部件力学性能的潜力已发挥到极限孔隙的消极贡献造成应力集中，降低零部件的强度和韧性孔隙降低材料的热导性能，抑制热处理对力学性能改善的贡献潜力应提高零件密度问题：127提高铁基P/M零部件密度的技术途径．复压-复烧工艺：密度达92%左右，形状复杂程度有限，成本较高渗铜：密度≥95%，但表面较粗糙，形状、成分设计有限，成本高液相烧结：密度≥93%，变形较大，零件精度低，尺寸控制困难，成分设计有限，成本提高粉末锻造：全致密，但尺寸精度低，形状受限，成本较昂贵提高铁基P/M零部件密度的技术途径．复压-复烧工艺：密度达9128AncorbondeTM工艺（80年代中后期）扩散粘结铁合金粉末解决合金元素偏析造成尺寸稳定性低组织均匀性差具有润滑功能的粘接剂（石墨粉末偏析）处理温压技术的前身八十年代中后期意大利NuovaMerisinter公司铁基粉末与模具的加热研制１９９１年出现第１项美国专利１９９４年披露

AncordenseTMAncorbondeTM工艺（80年代中后期）129全球共有200余条温压生产线150多种温压件铁基P/M零件,密度7.2-7.4g/cm3温压保持了传统模压的高效、高精度优势提高铁基零部件的性能和服役可靠性拓宽部件的应用范围在国际粉末冶金产业界被誉为”开创P/M零件制造技术新纪元”的新技术全球共有200余条温压生产线130蜗轮轮毂（1.2kg）蜗轮轮毂（1.2kg）131轿车发动机温压连杆轿车发动机温压连杆1322温压工艺粉末原料（扩散粘结铁粉+新型润滑剂）

↓

粉末加热（130℃）

↓

阴模（130-150℃）装粉

↓

温压(600-750MPa)

↓

温压压坯

↓

烧结

↓

温压零部件2温压工艺粉末原料（扩散粘结铁粉+新型润滑剂）

↓

粉末加1333温压的技术特点1)低成本制造高性能P/M零部件若WP=1.0，则1P1S=0.82P2S=1.3CopperInfiltration(CI)=1.5Powderforging(PF)=1.8源于加工工序少，模具寿命长，零件形状复杂程度提高

3温压的技术特点1)低成本制造高性能P/M零部件1342)压坯密度高相对密度提高0.02-0.06，即孔隙度降低2-6%3)便于制造形状复杂的零部件低的脱模压力，↓30%：弹性后效小，↓50%外摩擦力↓高的压坯强度，↑25-100%高压坯密度密度分布均匀，密度差↓0.1-0.2g/cm32)压坯密度高1354)零件强度高(同质、同密度)极限抗拉强度↑10%，烧结态达1200MPa疲劳强度↑10%若经适度复压，与粉末锻件相当5)零件表面质量高精度提高2个IT级模具寿命长(模具磨损少)6)压制压力降低同压坯密度时，压力降低140Mpa提高压机容量

4)零件强度高(同质、同密度)1364温压加热系统阴模的加热：电阻加热粉末加热方式热油循环温控稳定性好，不易过热微波加热速度快，但存在过热和微波外泄（安全）问题感应：与微波相似电阻加热加热速度较快，也存在过热问题4温压加热系统阴模的加热：电阻加热137热油循环粉末加热系统热油循环粉末加热系统1385温压过程的实质塑性变形得以充分进行：加工硬化速度和程度降低↑压坯密度有效地减小粉末与模壁间的摩擦:增大有效外压力降低粉末颗粒间的内摩擦：便于颗粒间的相互填充↑压坯密度颗粒重排为主导机理颗粒的塑性变形为前者提高协调性变形成为后期的主导致密化机理5温压过程的实质塑性变形得以充分进行：加工硬化速度和程度降139室温压制室温压制140塑性变形与颗粒重排对温压致密化的相对贡献塑性变形与颗粒重排对温压致密化的相对贡献141颗粒重排贡献C1/(C1+C2)压力（MPa）C1/(C1+C2)1000.87832000.78416000.69726760.69180.6%NewLub.+100℃/120℃颗粒重排贡献C1/(C1+C2)压力（MPa）142润滑剂的作用降低粉末颗粒的内外摩擦：1)↑有效外压→密度↑2)颗粒重排得以充分进行→密度↑↑温度，摩擦系数μ↓粉末颗粒间的相互填充能力↑→弹性后效↓，脱模压力↓润滑剂的作用143技术核心专用粉末设计基粉basematerials：高压缩性高效润滑剂润滑剂膜包覆每个颗粒润滑剂膜具有耐压性能加热系统技术核心144§3注射成形Injectionmoulding1技术背景

IM是塑料制品的一种通用成形技术原理是利用熔融塑料的流动行为借助于外压经注射嘴注入特定的形腔由于单纯的塑料的强度和耐磨性低，应用范围受到很大限制在熔融塑料中加入诸如金属或陶瓷粒子作填充剂§3注射成形Injectionmoulding1技术145能否最大限度地提高塑料中填充剂的体积分数，而又可以保持塑料的良好流动性能呢？PIM用以制造形状复杂程度很高的PM小型零部件开发PIM的先驱美国AMAXMet.Injet.Moulding和德国BASF公司八十年代初，PIM就实现了产业化能否最大限度地提高塑料中填充剂的体积分数，而又可以保持塑料的1462PIM工艺概述

Metallicorceramicpowders+Binder

↓

Premixing（预混）

↓

Compounding(混炼mixingandpelletizing)

↓

Feedstock（喂料）

↓

Injectionmoulding

↓

Debinding(脱脂solventandorthermaldebinding/Presintering)

↓

Sintering（烧结）

↓

PIMparts2PIM工艺概述

Metallicorceramic147粉末冶金原理1课件148粉末冶金原理1课件1493PIM(MIM)工艺的过程控制因素粉末原料1particlesize金属粉末：一般小于30μm，常用2-8μm陶瓷粉末：通常小于2μm提高粉末烧结驱动力脱脂后坯体的强度（增加颗粒的邻接度）便于混练和注射3PIM(MIM)工艺的过程控制因素粉末原料1502particleshape球形颗粒有利于脱脂后获得最大的颗粒填充密度和混炼均匀的喂料颗粒外形比（particleaspectratio）λ最好在1-1.5之间脱脂后能获得最佳的坯件形状保持性（shaperetention）2particleshape1513particlesizedistribution相当宽或窄的粒度分布易于获得稳定流变性能的喂料便于混练和注射成形Wider↑packingdensity,↓bindercontent→提高注射坯件在烧结过程中的尺寸稳定性利于烧结致密化3particlesizedistribution1524粘结剂

必须满足：1）较低的粘度

<0.1Pa.s，但过低易引起两相分离现象2）与粉末颗粒润湿性好强化颗粒与粘结剂之间的结合,便于S/B→S/G加入表面活性剂阻止在混练和注射过程中发生两相分离粉末聚集现象

4粘结剂

必须满足：1533）冷却后粘结剂具有足够的强度和韧性脱脂过程中易于排除，且不易形成脱脂缺陷为满足混练、注射和脱脂的要求一般采用多组元体系的粘结剂3）冷却后粘结剂具有足够的强度和韧性1545混练借助于温度和剪切应力的联合作用，使PIM喂料均匀且高度一致性1）混练温度过高导致粘结剂“分解”（物理蒸发）粘度太低易发生两相分离现象过低粉末聚集，喂料不均匀5混练借助于温度和剪切应力的联合作用，使PIM喂料均匀且高1552）剪切力由螺杆转速决定太高混练设备磨损和引入机械夹杂太低粉末聚集2）剪切力156喂料的不一致性导致注射坯件单重变化和造成烧结坯收缩不一致6注射成形注射压力和温度是关键工艺参数取决于粘结剂类型与粉末粒度，颗粒形状注射缺陷及成因void:

shrinkage,entrappedgassinkmarks:

shrinkage,segregation喂料的不一致性导致注射坯件单重变化和造成烧结坯收缩不一致157weldlines:

jetting,flowaroundcoressurfacepatterns:coldflow,segregationdeformation:

residualstress,ejectionofweakgreenpartsinconsistentshotweight:

inconsistentfeedstock,machinecontrol缺陷大多数在脱脂或烧结后才发现不可挽回的废品weldlines:jetting,flowaroun1587脱脂脱脂类型热脱脂(thermaldebinding)和溶剂脱脂(solventdebinding)热脱脂：在一定温度和气氛条件，多元组份中的低熔点组份形成液相（体积膨胀），借毛细作用溢出注射坯体或蒸发若T≥分解温度，形成相应单分子化合物排出7脱脂脱脂类型159注射坯件的微观结构注射坯件的微观结构160脱脂过程脱脂过程161热脱脂过程热脱脂过程162高熔点组份部分残留在粉末颗粒接触处赋予脱脂坯体足够强度在更高的温度下脱除溶剂脱脂利用粘结剂组份在溶剂中的选择性溶解粘结剂扩散逸出注射坯体过程进行速度慢高熔点组份部分残留在粉末颗粒接触处163常用脱脂方法

先采用溶剂脱脂在注射坯体中形成开孔隙网络为后续热脱脂的分解产物的排出提供物质传输通道↓分解产物可能形成的内压造成脱脂缺陷的机会↑脱脂速度常用脱脂方法先采用溶剂脱脂在注射坯体中形成开孔隙网络164脱脂方法Wiech法：适于蜡基粘结剂体系，1980发明（Ⅰ）法：气态溶剂脱脂+液态溶剂脱脂

真空，T≥粘结剂的流动温度→注入气态溶剂→粘结剂的溶剂溶液并渗出坯体（脱除大部分）→液态溶剂脱脂。变形严重，3days（Ⅱ）法：惰性气体环境，热脱脂粘结剂的蒸汽压稍高于气氛压力,1day（Ⅲ）法：虹吸脱脂除去大部分粘结剂（200℃，3hrs），常压氢中热脱脂,10hrs脱脂方法Wiech法：适于蜡基粘结剂体系，1980发明165Injectamax法适于多组元粘结剂体系（高熔点和低熔点组份）1988年发明在室温处于液态或半固态低熔点组份→液态溶剂脱除低熔点组元→高熔点组元热脱脂6hrsMetamold法（BSAF）—催化脱脂法（九十年代初）适于聚醛树脂粘结剂体系，在酸性气氛下脱脂

Injectamax法适于多组元粘结剂体系（高熔点和低熔点组166低于粘结剂的熔点，借助于气-固反应脱脂脱脂过程由表及里减小形成缺陷的可能性精度高，速度快，4mm/h但对设备具有一定程度的腐蚀低于粘结剂的熔点，借助于气-固反应脱脂167烧结PIM坯体经脱脂后为多孔结构，导热系数很小过快的升温速度造成坯件表面层优先烧结，形成硬壳阻止内部粉末收缩热应力→坯体变形和空洞烧结PIM坯体经脱脂后为多孔结构，导热系数很小1684待解决的技术问题粉末成本：解决粗粉的注射成形问题粘结剂的回收脱脂时间长，生产效率低铁基材料、硬质合金中碳量控制精度控制缺陷消除4待解决的技术问题粉末成本：解决粗粉的注射成形问题169§4冷等静压等静压冷等静压和热等静压两者差异：压制条件（室温与加热，气体与高压油）致密化机理CIP-与刚性模压制相同HIP-烧结与粉末变形同时发生§4冷等静压等静压冷等静压和热等静压170优点能压制大尺寸、形状较复杂的P/M部件毛坯密度分布均匀，压制压力降低三轴均匀压制，能压制硬脆粉末压坯强度高单件模具费用低缺点生产效率低精度很低，需大量后续加工优点能压制大尺寸、形状较复杂的P/M部件毛坯1711CIP原理—帕斯卡原理借助于高压泵的作用将流体介质压入耐高压钢质密闭容器高压流体的静压力直接作用于弹性模套内的粉末体依照帕斯卡原理粉末体受到各个方向上大致相等的压力作用消除了粉末与模套之间的外摩擦密度分布均匀，同一密度所需压力较模压降低1CIP原理—帕斯卡原理借助于高压泵的作用将流体介质压入耐172粉末冶金原理1课件173粉末致密化阻力取决于粉末颗粒间摩擦（内摩擦）和颗粒本身的变形能力（显微硬度）2CIP工艺2.1柔性模套（flexibledieset）的制造耐油、耐压橡胶：厚度为10mm以下的橡胶板软模制作聚氯乙烯树脂、硬脂酸、三盐基硫酸铅混合物倒入苯二甲酸二辛酯的溶液搅拌成浆料，提拿制模粉末致密化阻力取决于粉末颗粒间摩擦（内摩擦）和颗粒本身的变形1742.2工艺流程

粉末混合物装入软模→摇实→密封→冷静压→脱模→坯件3CIP坯块质量控制粉末流动性良好装粉：振动或敲打摇实均匀2.2工艺流程

粉末混合物装入软模→摇实→密封→冷静压→脱模175密封：防止液压介质渗入模内加压速度：过快导致出现软心卸压：过快→分层密封：防止液压介质渗入模内1764CIP设备高压容器和高压泵系统组成分类：依高压容器结构分螺纹式：能承受较高压力，螺纹磨损拉杆式：较低压力，拉杆承受压力框架式：很高压力，最安全（预应力结构）4CIP设备高压容器和高压泵系统组成177框架式CIP压机粉末冶金原理1课件1785压制方式湿袋式（wetbag）柔性袋浸没在压力介质中，即无支撑的CIP优点能在同一压力容器中同时压制不同形状、尺寸的粉末压坯模具寿命长，成本低缺点

压制生产率较低5压制方式湿袋式（wetbag）179干袋式（drybag）柔性模固定在压力容器内，即有支撑的CIP优点生产率高，易于实现自动化模具使用寿命长缺点

每次只能压制一种产品两者的区别

干袋式不取出软模干袋式（drybag）柔性模固定在压力容器内，即有支撑的C180§5热等静压制1技术背景在CIP基础上发展开发高性能飞机发动机用粉末高温合金（即粉末超合金）涡轮盘粉末高速钢硬质合金轧辊制品§5热等静压制1技术背景1812HIP原理包套置于一具有发热元件的高压容器内，抽出缸内空气压入30—60Mpa的氩气，加热致100Mpa左右借助于高温、高压的联合作用使粉末体发生充分致密化获得全致密高性能P/M制品2HIP原理1823特点几乎能消除粉末坯体中的所有孔隙，相对密度达0.9999压力作用，加热温度低于通常的烧结温度无成份偏析PmHippedHSSForgedHSS

3特点几乎能消除粉末坯体中的所有孔隙，相对密度达0.999183核废料HIP处理铸件等的后处理，消除孔洞或裂纹等设备投资大，成本高核废料HIP处理铸件等的后处理，消除孔洞或裂纹等1843HIP压机的分类螺纹式和框架式螺纹式螺纹承受轴向压力缺点：工作压力难以均匀地由各个螺纹承担→巨大应力集中→断裂→爆炸框架式轴向压力通过上下活塞传递到框架，应力均匀分布，安全系数高3HIP压机的分类185框架式HIP框架式HIP186粉末冶金原理1课件187粉末冶金原理1课件1884HIP压机的结构4HIP压机的结构189发热元件

NiCrAl丝（1200℃）；Mo丝（1800℃）；W丝及钨铼合金，石墨（2000℃以上）隔热屏炉内温度在1000-3000℃，缸体温度为100-200℃高效隔热屏，多层结构压缩机真空系统发热元件

NiCrAl丝（1200℃）；Mo丝（1800℃）190油压机构控制上下活塞开闭和框架移动5包套材料选择准则可塑性和强度不破裂和隔绝高压气体渗入良好的可加工性和可焊接性不与粉末发生反应和造成污染HIP后易被除去成本低油压机构191中低碳钢：适于粉末高速钢，<1400℃Ni：Ti,陶瓷，<1430℃不锈钢：不锈钢，<1350℃铅-碱玻璃：金属，陶瓷，<630℃高硅玻璃：金属，陶瓷，890-1600℃石英玻璃：1130-1600℃中低碳钢：适于粉末高速钢，<1400℃1926HIP工艺流程粉末→装入包套→真空脱气（或加热）→检漏→封焊→HIP→出炉→除去包套（陶瓷、玻璃：敲碎；金属：机加工）→表面清理→HIP产品6HIP工艺流程粉末→装入包套→真空脱气（或加热）1937压制方式取决于包套材料金属：

↑P，↑T（可采用低压压缩机系统）玻璃、陶瓷和金属：↑T，↑P玻璃、陶瓷和金属：

↑(T，P)热装炉操作工件在预热炉加热，转入HIP压机↑生产效率7压制方式取决于包套材料1948HIP的应用HIP成形航空发动机压气机镍基合金涡轮盘铸件处理扩散联结：M/C，C/C，M/M核废料处理

8HIP的应用1959陶瓷模工艺陶瓷粒子作传压介质陶瓷粒子的可流动性普通压机加压设备投资少9陶瓷模工艺196§6粉末挤压1定义与分类定义将粉末、粉末压坯或粉末烧结坯在外力作用下，通过挤压筒的挤压嘴挤成坯料或制品的成形方法分类§6粉末挤压1定义与分类197粉末直接挤压（冷挤压）：塑性好的金属粉末粉末增塑挤压：加入一定量的成形剂或粘结剂，硬质粉末如硬质合金粉末粉末包套热挤：弥散强化合金等烧结坯或粉末压坯的热挤压：塑性较好的有色金属材料粉末直接挤压（冷挤压）：塑性好的金属粉末1982粉末增塑挤压原理粉末在挤压筒内的受力情况三向受压缩，一方向变形冲头施加的压力P，筒壁约束产生侧压力Ph，相对运动产生摩擦力Pf

Ph=ξP,Pf=μPh=ξμP

物料被挤出的条件：P≥Pf+PR(变形阻力)

2粉末增塑挤压原理粉末在挤压筒内的受力情况199粉末冶金原理1课件200物料运动示意图物料运动示意图2013挤压过程增塑剂（plasticizer）石蜡+粘结剂PVA+硬脂酸（表面活性剂）低密度聚乙烯LDPE/硬脂酸SA聚丙烯PP/SA添加总量为6-8.5%粗颗粒粉末或厚壁件取下限细颗粒粉末或薄壁件取上限3挤压过程增塑剂（plasticizer）202硬质合金增塑挤压工艺流程粉末料+增塑剂

↓

掺合（40-50℃）

↓

预压（排气，提高料密度）

↓

挤压（40-50℃）

↓

挤压坯

↓

脱增塑剂

↓

烧结

↓

制品硬质合金增塑挤压工艺流程粉末料+增塑剂

↓

掺合（40-502034粉末热挤压借助于高温的作用改善金属的塑性流动性能，使坯体发生充分致密化，便于制造高性能P/M管材，棒材应用烧结坯热挤压：塑性好的金属与合金粉末包套热挤压含有活性高的元素粉末如Ti、B、Zr、Al、Si等高温合金或弥散强化材料包套制作工艺与HIP相同4粉末热挤压借助于高温的作用改善金属的塑性流动性能，使坯体204§7粉末轧制1定义与分类定义将粉末引入一对轧棍之间并使之压实成具有一定粘结强度的连续带坯的成形方法分类粉末直接轧（directpowderrolling）塑性良好的粉末（应用多）粘结粉末轧制(bondedpowderrolling)加入粘结剂改善粉末体的成形性§7粉末轧制1定义与分类205包套粉末热轧cannedpowderhotrolling活性粉末和高致密度的坯带2粉末轧制原理包套粉末热轧206特征区Ⅰ区-自由流动区颗粒受重力和因颗粒下移而产生颗粒间的摩擦力作用Ⅱ区-喂料区辊表面施予粉末一定的摩擦力，带动粉末颗粒进入辊之间，导致粉末被咬入

特征区Ⅰ区-自由流动区207Ⅲ区-压轧区粉末质量不变，体积缩小，密度增加Ⅲ区-压轧区208特征区特征区209粉末轧制示意图粉末轧制示意图210Hα=D(1-COSα)+δRδR--带坯厚度α–咬入角质量不变Hα.B.Vin.ρo=δR.b.Vout.ρ→ρ=（Hα.Vin.ρo）/（δR.Vout）

令轧延系数η=Vout/Vin压实系数Z=ρ/ρo,则

ρ=ρo[1+D(1-COSα)/δR]/η

或δR=D(1-COSα)/(ηZ-1)Hα=D(1-COSα)+δR2113轧制过程的影响因素粉末性能粉末可轧制性:可塑性、成形性和流动性流动性粉末具有足够成形性的同时，愈高愈好粉末硬度低的粉末硬度便于变形和形成高的机械啮合，↑成形性3轧制过程的影响因素粉末性能212轧辊直径↑D,ρ（δR固定）、Hα↑给料方式水平与垂直m↑，ρ、δR↑轧制速度↑ω,ρ、δR↓（m不变）辊缝t↑t，轧制压力降低，ρ↓，δR↑轧辊直径2134粉末轧制的应用多孔板材，如过滤板、催化剂板材层状复合材料带、板材纤维增强复合材料4粉末轧制的应用214§8粉浆浇注slurrycasting大尺寸、形状复杂陶瓷坯件成形的常用方法1料浆的制备由金属粉末或纤维与分散剂等组成的混合物具有一定的流动性、粘度和相对稳定性分散剂：水或酒精§8粉浆浇注slurrycasting大尺寸、形状复杂陶215添加剂粘结剂赋予浇注件以足够强度PVA，PEG，藻酸钠，3%稳定剂阻止粉末颗粒间的聚集，加入弱酸、碱，在颗粒表面上吸附H+或OH-离子静电吸附，同性相斥→分离添加剂216除气剂表面活性剂，减小气-固界面能，使颗粒表面吸附的气体脱附，有利于防止颗粒聚集和消除坯间气孔正丁醇调节剂调节料浆粘度，改善流动性NaOH,HCl稀溶液，氨水溶液除气剂2172石膏模制作石膏粉末粒度细，吸水能力强制作过程石膏粉末+水（1：1.5）→外加1%尿素→混匀→注入型箱→干燥→取出型芯→干燥（40-50℃）→石膏模2石膏模制作石膏粉末粒度细，吸水能力强2183浇注离型剂硅油或肥皂水隔绝粉末颗粒与石膏颗粒间的接触和控制吸水速度但会降低后续使用时吸水速度3浇注离型剂2194影响因素粉末粒度细粉末利于浇注液固比影响粉浆粘度和粉末沉降速度粉浆的PH值影响粉浆粘度和粉末沉降速度分散剂与粘结剂粉浆的粘度和沉降速度和坯体强度石膏模的吸水能力4影响因素粉末粒度细粉末利于浇注2205颗粒的偏析效应浆料在石膏模形腔的固化受控于颗粒随分散剂流向模壁的运动重力场中沉降作用5颗粒的偏析效应浆料在石膏模形腔的固化受控于221颗粒偏析效应示意图粉末冶金原理1课件222

颗粒的堵塞效应示意图粉末冶金原理1课件223研究发现,偏析现象细颗粒或轻质颗粒的重力沉降作用较小,颗粒堵塞效应明显粗颗粒或重质颗粒随分散剂的运动较小,重力沉降效应显著料浆的固液比,颗粒尺寸差异,颗粒比重差异,石膏模的吸水速度研究发现,偏析现象224利用这一现象可制备梯度复合材料Fe-Cu/WC复合材料的硬度在浇注方向上的变化利用这一现象可制备梯度复合材料225§93D打印技术简介1原理3D打印技术分为四类，包括固化成形技术、叠层实体制造技术、熔融沉积造型技术和选择性激光烧结技术。其中，选择性激光烧结技术是在激光照射下进行烧结，在激光烧结的过程中，为防止金属的氧化，必须将金属粉末密封在容器中进行。激光烧结技术的特点主要是采用多种材料，对形状没有要求，精度高、材料利用率高。同时我们也应该看到，激光烧结成形速度较慢，强度较低，打印机价格非常昂贵。在激光烧结技术基础上发展的激光熔化技术是一种金属件直接成形方法，是快速成形技术的最新发展。激光熔化技术有很多优点，它可以直接制成终端金属产品，省掉中间过渡环节，可得到冶金结构的金属实体，密度接近百分之百，工件也较高的拉伸强度，较低的粗糙度，较高的尺寸精度，适合各种复杂形状的工件，尤其适合内部有复杂异型结构的模型。§93D打印技术简介1原理2262构成粉末包套和炸药引爆装置3应用硬质粉末或形状复杂的大型粉末部件的成形超大型金属板材的焊接2构成2273D打印技术分为四类，包括固化成形技术、叠层实体制造技术、熔融沉积造型技术和选择性激光烧结技术。其中，选择性激光烧结技术是在激光照射下进行烧结，在激光烧结的过程中，为防止金属的氧化，必须将金属粉末密封在容器中进行。激光烧结技术的特点主要是采用多种材料，对形状没有要求，精度高、材料利用率高。同时我们也应该看到，激光烧结成形速度较慢，强度较低，打印机价格非常昂贵。在激光烧结技术基础上发展的激光熔化技术是一种金属件直接成形方法，是快速成形技术的最新发展。激光熔化技术有很多优点，它可以直接制成终端金属产品，省掉中间过渡环节，可得到冶金结构的金属实体，密度接近百分之百，工件也较高的拉伸强度，较低的粗糙度，较高的尺寸精度，适合各种复杂形状的工件，尤其适合内部有复杂异型结构的模型。3D打印技术分为四类，包括固化成形技术、叠层实体制造技术、熔228第六章

液相烧结

Liquidphasesintering§1概述1液相烧结技术的发展在陶瓷领域发展起来在7000年前，古人用粘土矿物烧制建筑用砖块陶器，瓷器，耐火材料当今的高技术陶瓷广泛采用液相烧结技术制造耐磨陶瓷，压电陶瓷，铁氧体，电子基板及高温结构陶瓷第六章液相烧结

Liquidphasesinteri229液相烧结在金属加工技术中的应用大约在400年前古印加人加工昂贵的金铂首饰和工艺品现代液相烧结技术的发展开发液相烧结技术是满足爱迪生发明电灯丝（W）的需求拉丝模：天然金刚石替代材料发展阶段初期：采用铸造WC在冷却过程中分解成脆性W2C，WC和石墨相

液相烧结在金属加工技术中的应用230

第二阶段：WC粉末压制并在低于2600度烧结制品仍表现为本质脆性无工业应用价值突破阶段：一战前夕，德国化学家KARL1922年发明了粘结碳化物拉丝模（Ni,Fe,Co）1923年申请了发明专利标志着现代液相烧结技术成功地应用金属工业中

231二十世纪二十年代初硬质合金工具材料及稍后的青铜含油轴承的成功的开发三十年代初期（二战前奏）高比重合金的开发与应用为液相烧结奠定了理论基础液相烧结技术发展迅速用以制造高性能的P/M材料二十世纪二十年代初硬质合金工具材料及稍后的青铜含油轴承的成功232包括电接触材料、轴瓦材料（Al-Pb）工具钢、超合金磁性材料、汽车零部件航天材料电子焊料（solderingpaste）等包括2332液相烧结技术的优、缺点优点1)加快烧结速度

a液相的形成加快了原子迁移速度

迁移通道与速度↑

b在无外压的情况下，毛细管力的作用加快坯体的收缩c液相的存在降低颗粒间的摩擦有利于颗粒重排列便于获得固相晶粒的紧密堆积2)晶粒尺寸可以通过调节液相烧结工艺参数加以控制优化显微结构和性能2液相烧结技术的优、缺点优点2343)可制得全致密的P/M材料或制品，延伸率高4)粉末颗粒的尖角处优先溶于液相易于获得有效的颗粒间填充不足之处变形（distortion，slumping）烧结坯体液相数量过大或混合粉的粒度、混合不均匀时易出现变形收缩大尺寸精度控制困难3)可制得全致密的P/M材料或制品，延伸率高2353定义和分类

什么是液相烧结？

烧结温度高于烧结体系低熔组分的熔点或共晶温度的多元系粉末烧结过程或烧结过程中出现液相的粉末烧结过程统称为液相烧结分类瞬时液相烧结稳定液相烧结熔浸超固相线液相烧结3定义和分类2361.瞬时液相烧结Transientliquidphasesintering在烧结中、初期存在液相，后期液相消失的烧结过程特点：烧结中初期为液相烧结，后期为固相烧结体系：Cu-Sn,Cu-Pb,Ag-Hg,Ni-Ag,Fe-Fe3P,Fe-Cu3P,Fe-Ni-Al、Fe-Cu(<10%)等液相数量(体积分数)取决于1）成分（低熔点组分的含量）1.瞬时液相烧结Transientliquidphase2372）升温速度3）粉末颗粒的粒度提高液相数量的途径1）提高低熔点组分含量2）升温速度快3）粒度较粗高熔点组分颗粒与液相接触面积小减小扩散面积粉末冶金原理1课件2382稳定液相烧结Persistentliquidphasesintering烧结过程始终存在液相的烧结过程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多孔骨架的固相烧结和低熔点金属渗入骨架后的液相烧结过程前期为固相烧结，后期为液相烧结全致密假合金如W(Mo)-Cu（Ag）等复合材料2稳定液相烧结2394.超固相线液相烧结Supersolidiusliquidphasesintering

烧结温度在合金固相线温度之上的液相烧结过程

液相在多晶粉末颗粒内形成,是一种在微区范围内较普通液相烧结更为均匀的烧结过程

高碳铁合金，工具钢，粉末超合金,纳米晶复合WC-Co粉末等的烧结4.超固相线液相烧结240§2液相烧结的条件1液相必须润湿固相颗粒(goodwetability)

液相烧结的前提

烧结体系满足Yong方程γS=γSL+γLCosθ

θ-润湿角§2液相烧结的条件1液相必须润湿固相颗粒2411)θ=0液相充分润湿固相颗粒固液界面充分取代固气界面最理想的液相烧结条件2)θ>90O液相被推出烧结体，发生反烧结现象烧结气氛与固相或液相组分间形成稳定氧化物或氮化物体系如Al-Pb,Cu-Al,Cu-Sn，Cu-Pb等粉末冶金原理1课件242

液相渗出“出汗”粉末冶金原理1课件2433)0<θ<900这是普通的液相烧结情况烧结效果一般θ降低利于固/液界面取代固/气界面烧结效果↑加入合金元素改善液相对固相颗粒的润湿性促进液相烧结过程3)0<θ<900244润湿角的影响因素1)烧结温度：T↑，θ↓主要降低γSL2)烧结时间：润湿是一动态平衡过程，t↑，θ↓3）添加剂：↓θ添加剂能促进固相与液相间的物理溶解和轻微的化学反应润湿角的影响因素245TiC-Ni：添加MoW-Cu：添加Ni,Co,Fe4）固相颗粒的表面状态固相颗粒的粗糙度↑，↑固-气界面能润湿过程易于进行TiC-Ni：添加Mo2465）烧结气氛液相或固相氧化膜的形成成形剂分解后的残碳（铁基，YG合金除外）固相表面的氮化物（TiC-Ni中形成碳氮化合物）导致润湿性下降

另外，体系中的二面角越小，液相烧结效果越好5）烧结气氛2472固相在液相中具有有限的溶解度

(solubilityofsolidinliquid)

结果是1)溶解可改善润湿性2)增加液相的数量即体积分数，促进致密化3)颗粒表面突出部位的化学位较高产生优先溶解，通过扩散和液相流动在颗粒凹陷处析出

改善固相晶粒的形貌（表面光滑化与轮廓球化）减小颗粒重排的阻力2固相在液相中具有有限的溶解度2484)马栾哥尼效应有利于液相迁移

溶质浓度的变化导致固液界面面张力梯度驱动液相流动

固液界面能γSL与烧结时间的关系粉末冶金原理1课件2495)增加了固相物质迁移通道加速烧结过高的溶解度造成烧结体的变形为晶粒异常长大提供条件液相在固相中固溶，造成液相数量减小5)增加了固相物质迁