先进成型与烧结技术优秀课件

先进成型与烧结技术第一页，共六十五页，2022年，8月28日先进成型与加工新技术1．概述2．先进成型技术3．先进的烧结与致密化技术第二页，共六十五页，2022年，8月28日1．成型与加工技术概述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：

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

粉末在加工过程中具有相同或相似的物理—化学变化规律，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第三页，共六十五页，2022年，8月28日第四页，共六十五页，2022年，8月28日1.2一般的粉末冶金工艺的主要环节

第五页，共六十五页，2022年，8月28日成型的目的：获得一定形状和尺寸的坯样。并使

其具有一定的密度和强度。

基本成型方法有：有压成型和无压成型。

烧结：是为了获得所要求的物理和机械性能。

后处理与加工：是为调整和控制材料结构，以获

得更优的工作性能。

第六页，共六十五页，2022年，8月28日1.3粉末冶金的发展历程及特点第七页，共六十五页，2022年，8月28日粉末冶金技术的特点：

(1)可生产普通熔炼法无法生产的具有特殊性能

和结构的材料

多孔材料(陶瓷过滤器、分子筛等）

各种复合材料（叠层材料:双金属、叠层陶瓷）

(2)采用粉末冶金技术生产的某些材料，与普通熔炼

法相比具有更加优异的性能

高合金粉末冶金制品性能更优，如高速钢、超合金制品。

难熔金属制品一般采用粉末冶金技术生产，如W、Mo制品

(3)粉末冶金制品是一种少切屑无切屑的加工工艺。第八页，共六十五页，2022年，8月28日主要缺点：

成本高

制品的大小形状受到一定的限制

材料和制品的韧性较差第九页，共六十五页，2022年，8月28日1.4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。第十页，共六十五页，2022年，8月28日2．先进成型技术2.1概述(1)成型方法的分类成型可分为：加压成型和无压成型，也可分为模压成型和特殊成型工艺。按照原料的特性来分类，可分为：粉料成型法：模压成型、冷等静压成型等,一般为压力成型塑性料成型法：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第十一页，共六十五页，2022年，8月28日第十二页，共六十五页，2022年，8月28日第十三页，共六十五页，2022年，8月28日第十四页，共六十五页，2022年，8月28日(2)成型前的原料处理

原料的预处理是为了调整和改善粉末原料的物理、化学特性，使之适应后续加工工艺和产品性能的需要。

主要的原料的预处理工艺包括：

煅烧：除去杂质、提高纯度；改变晶型，增加晶粒度等

原料塑化：除去杂质、提高纯度；改变晶型，增加晶粒度等

造粒：普通造粉、压制造粉、喷雾造粉第十五页，共六十五页，2022年，8月28日2.2粉料成型法(1)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）。特点：工艺简单，易于自动化。缺点：复杂形状的零件难以制备。第十六页，共六十五页，2022年，8月28日(2)等静压成型

特点：a.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c.模具成本低廉第十七页，共六十五页，2022年，8月28日主要工艺有：

湿式等静压成型和干袋式等静压成型模具的制造是最为关键的因素第十八页，共六十五页，2022年，8月28日2.3塑性成型法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b.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。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末，都需使用有机增塑剂提高混合粉末塑性、便于成型。第十九页，共六十五页，2022年，8月28日

挤压成型的特点：

a.中空的管件，及复杂形状的试件

b.纵向成型体和横向密度均匀

c.工艺连续性强第二十页，共六十五页，2022年，8月28日影响挤压成型工艺的主要因素:

a.增塑剂含量的影响，增塑剂多，挤压压力下降

b.预压压力的影响，预压压力大，挤压压力增大

c.挤压温度的影响，温度高，挤压压力下降

d.挤压进度，（过快的速度造成挤压件断裂）第二十一页，共六十五页，2022年，8月28日(2)轧制成型（轧膜成型）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。可分冷轧和热轧工艺。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）b.成分精确，组织均匀c.工艺简单，节省能源，成材率高AlNAl第二十二页，共六十五页，2022年，8月28日第二十三页，共六十五页，2022年，8月28日第二十四页，共六十五页，2022年，8月28日(3)注射成型方法（Injectionmolding）

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：a.成型剂的配制与添加b.成型剂的脱出第二十五页，共六十五页，2022年，8月28日第二十六页，共六十五页，2022年，8月28日第二十七页，共六十五页，2022年，8月28日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，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。第二十八页，共六十五页，2022年，8月28日2.4浆料成型法

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，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新的浆料成型工艺：压力注浆工艺离心注浆工艺真空注浆工艺等

第二十九页，共六十五页，2022年，8月28日2.5流延成型工艺

一种动态连续的注浆成型工艺。将料浆由料斗槽中流入基材上，由刮刀控制膜的厚度，成膜后的浆料经烘干后得到膜坯，烧结后得到薄的片材。主要用于制备厚度小于0.05m的薄片。如多层膜电容器等，主要工艺控制包括粉末粒度（细粉最好），料浆流动性好。第三十页，共六十五页，2022年，8月28日2.6热致密化成型技术

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，成型压力低，时间短，制品晶粒细小、密度高。(1)热压在高温条件下，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40MPa，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

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。第三十一页，共六十五页，2022年，8月28日

间接加热：则是将待压粉末置于模具中，模具放在高温炉内加压达到指定温度。高温炉可以是高、中频感应炉，碳管炉或电阻炉。第三十二页，共六十五页，2022年，8月28日(2)热等静压等静压技术是当代粉末冶金技术发展的成果之一。压力通过传力介质均匀地作用于待压粉末上，可形成结构均匀、性能优良的制品。

冷等静压（CIP）：水、油、气作介质

热等静压（HIP）：一般以气作介质主要优点：a.能够制备复杂形状的构件（模具设计十分重要）b.压坯密度分布均匀c.压坯强度高，便于加工运输d.制品密度高，性能优良缺点：a.坯体表面光洁度不高，需修坯处理b.生产效率不高，模具寿命短第三十三页，共六十五页，2022年，8月28日第三十四页，共六十五页，2022年，8月28日热等静压的工作制度压力控制：一般没有特殊的升压和降压制度，在一定时间内达到工作压力即可，但一般迟于工作温度。

温度制度：依照物料对温度的要求而制度，一般可实现快速升温。第三十五页，共六十五页，2022年，8月28日烧结—热等静压法

为了克服常规热等静压技术对模具（或成为包套）的特殊要求，发展了一种自包套热等静压技术：烧结—热等静压法。它是将模压或冷等静压后的制品砌坯放入热等静压中，将脱腊、预烧和热等静压结合起来一步实现高密度制品的获得。第三十六页，共六十五页，2022年，8月28日影响热等静压工艺的主要因素

(1)热等静压的温度，一般低于常规烧结（约为熔点的0.5）

(2)热等静压压力的影响，高的压力可获得很高的致密度

(3)包套制备技术的影响

预制包套：保证包套密封性，选择适合的包套材料

烧结—HIP：应保证尽量形成闭孔

第三十七页，共六十五页，2022年，8月28日2.7特殊的致密化成型技术喷射成型喷射成型是将喷射沉积与成形技术相结合而发展起来的一种新型的制粉成型一体化新工艺。该工艺用于制备各种板、带材、棒、管材等。

基本原理：熔体被高压惰性气体粉碎并雾化成微粒，直接喷射在低温衬底表面，这些微粒被撞扁形成片状物经沉积、聚积、凝固成为沉淀物。

主要特点：a.材料界面污染少，具有极细的晶粒结构。适当控制冷却速度还可以制备出准晶结构或非晶结构的物质。材料成分均匀、杂质偏析少。b.能够制成多层复合金属材料或复合材料。第三十八页，共六十五页，2022年，8月28日(2)喷射成型工艺将喷射成型的基本原理同各种工艺相结合发展了喷射轧制技术、喷射锻造工艺、喷射离心沉积工艺等。第三十九页，共六十五页，2022年，8月28日第四十页，共六十五页，2022年，8月28日

(3)爆炸成型

在成型过程中，为了获得高的初坯密度或最终密度，成型压力扮演了一个重要的角色。常规工艺一般仅能获得百兆帕以下的成形压力。但是研究发现，在极端条件下获得的极高的压力可得到极高的成形密度。一个典型的例子就是利用爆炸产生的冲击压力来实现材料成形。爆炸过程中，一般可以产生100MPa的冲击压力，在如此高的压力下，材料的变形性质发生了根本的变化，塑性流动极快，脆性材料也可具有塑性流动性。不论是金属、陶瓷，还是复合材料均可采用爆炸成型工艺第四十一页，共六十五页，2022年，8月28日爆炸成型可分为直接加压和间接加压两种方式

第四十二页，共六十五页，2022年，8月28日爆炸成型中，爆炸冲击速度（即能量）是最重要的工艺参数，能量越大，制品的密度越高。对某些金属材，如：Cu、Ni、Ti等可直接获得接近理论密度的制品。

第四十三页，共六十五页，2022年，8月28日3．先进的烧结致密化技术3.1概述

一般而言，烧结是粉末冶金技术中的最后一道主要工序，对制品的性能起着决定性作用，材料的主要物理—化学性能都与烧结过程有着密切的联系。

烧结的分类

烧结是粉末坯体在高温作用下，通过颗粒间的复杂的物理—化学变化而形成具有合理结构晶型和组织的工艺过程。按照烧结过程的机理分类可分为：

单元系烧结：一般为固相烧结，如高熔点金属、单相陶瓷等

多元系烧结：低于低共熔点的固相烧结（无限固溶、有限固溶、完全不溶）

溶浸：一种烧结的特例，通过溶化后浸入骨架材料而致密化。

第四十四页，共六十五页，2022年，8月28日烧结过程研究中，最基本的问题是：

a.烧结驱动力问题

b.烧结的过程动力学

烧结的基本过程可包括：颗粒的粘结形成颈部

颈部的长大形成闭孔，闭孔的球化和缩小。烧结的动力学机制可以包括：粘性流动、蒸发凝聚、体积扩散、表面扩散、晶界扩散、扩散过程、塑性流动任何一种机制都不可能全面地描述烧结过程，从本质上讲，烧结过程是一个复杂的过程，是多种机制共同作用的结果。由此而提出了“综合作用烧结理论”。第四十五页，共六十五页，2022年，8月28日第四十六页，共六十五页，2022年，8月28日烧结工艺可以分为：

(1)无压固相烧结

(2)机械压力烧结：如热压、热挤压、热扎等

(3)气压烧结：低压烧结、热等静压烧结

(4)反应烧结

(5)液相烧结

(6)熔浸烧结工艺

(7)特种烧结技术：如微波烧结、激光烧结、

等离子放电烧结、场辅助烧结等

发展方向：高效快速烧结技术第四十七页，共六十五页，2022年，8月28日3.2反应烧结技术（ReactionSintering）

利用高温烧结过程中的化学反应来实现活化烧结，从而在较低的温度

下得到高度致密的材料。是制备可设计材料的典型方法。

主要特点是：反应烧结制品的成分可以通过预先设计而确定

材料制品的显微结构优良、晶粒细小而均匀

烧结收缩小，可制备近净成型材料

材料强度高于无压烧结制品

反应烧结技术与热压或热等静压技术相结合可获得更加广泛的应用

采用反应烧结技术已成功地制备了Si3N4，SiC，Si2ON2及其复合材料等。

第四十八页，共六十五页，2022年，8月28日

(1)反应烧结Si3N4

基本反应：3Si(s)+2N2(g)→Si3N4(s)将Si或者Si与Si3N4的混合物成型后在1200℃左右通过氮化处理而获得Si3N4制品第四十九页，共六十五页，2022年，8月28日主要工艺控制要点是：

反应过程速度控制最为重要，主要通过控制烧结温度而达到控制反应速度的目的。一般可分为两种升温制度：

分段升温法

第五十页，共六十五页，2022年，8月28日气耗定升温法（Nitrogan-DemandNitriding）

根据反应过程中氮气的消耗情况而确定升温制度。

反应烧结工艺还可制备复合材料如SiC/Si3N4等

SiC+Si+N2------SiC+Si3N4第五十一页，共六十五页，2022年，8月28日3.3熔浸烧结工艺

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，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缩、工艺时间短，可制备近净成型制品。这种工艺可以制备难熔金属—易熔金属复合体（假合金）—金属陶瓷复合材料等。第五十二页，共六十五页，2022年，8月28日

采用熔浸工艺制备的材料体系必须具备如下条件：

两种材料熔点相差大，否则会造成零件变形

两种材料应具有良好的浸润性，浸润角小于90

两种材料间不会发生相互溶解或溶解度不大。

主要熔浸工艺包括：接触法、全部熔浸法、部分熔浸法，为了提高熔浸速度，还可采用真空或压力辅助。第五十三页，共六十五页，2022年，8月28日反应熔浸工艺：在熔浸工艺中，如果两种材料可以发生化学反应，则可以很好地形成反应浸润，大大提高熔浸速度并改善材料的结构。

反应熔浸工艺的主要特点具有：

材料体系润湿性好，可获得优良的材料结构。

熔浸温度低、节省能耗。

可制备高熔点材料体系，如SiC、Si3N4等。

例：SiC+C预制备在Si熔体中浸清可形成高

质量的反应结合SiC（RBSC）第五十四页，共六十五页，2022年，8月28日

定向复合材料的熔浸制造工艺：

ZrB2/ZrC/Zr复合材料（超高温复合材料）

基本反应：

(1.5+x)Zr+0.5B4C→ZrB2+0.5ZrC+xZr

由