現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展?fàn)恳こ滩牧舷蛑鴱?fù)合化
、高性能化、功能化
、結(jié)構(gòu)功能一體化和智能化方向發(fā)展
,各行業(yè)對材料的性能提出了越來越高的要求。在不斷開發(fā)新材料的同時(shí)
,人們也在不斷地尋求新型材料的制備方法,小型化
、自動(dòng)化
、精密化、省能源、無污染的材料制備方法成為人們追求的目標(biāo)。
現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)由于其少切屑,無切屑及近凈成形的工藝特點(diǎn),在新材料的制備中發(fā)揮了越來越大的作用。它的低耗、節(jié)能、節(jié)材,易控制產(chǎn)品孔隙度,易實(shí)現(xiàn)金屬-非金屬復(fù)合,屬-高分子復(fù)合等特點(diǎn)使其成為制取各種高性能結(jié)構(gòu)材料,特種功能材料和極限條件下工作材料的有效途徑,受到了人們的廣泛關(guān)注。
從現(xiàn)代復(fù)合材料技術(shù)的理論來看,粉末冶金復(fù)合技術(shù)從微觀上改變了單一材料的性能,依靠擴(kuò)散流動(dòng)使物質(zhì)發(fā)生遷移,同時(shí)原材料的晶體組織發(fā)生變化,最終“優(yōu)育”出高性能的復(fù)合材料。而燒結(jié)作為粉末冶金生產(chǎn)過程中最重要的工序,一直以來是人們研究的重點(diǎn),各種促進(jìn)燒結(jié)的方法不斷涌現(xiàn),對改進(jìn)燒結(jié)工藝,提高粉末冶金制品的力學(xué)性能,降低物質(zhì)與能源消耗
,起了積極的作用
。本文簡單介紹近幾年出現(xiàn)的幾種燒結(jié)新技術(shù),以期反映粉末冶金在高技術(shù)領(lǐng)域所起的重要作用
。
1
,放電等離子體燒結(jié)(Spark Plasma Sintering
,SPS)
放電等離子體燒結(jié)(SPS)也稱作等離子體活化燒結(jié)(Plasma Activated Sintering,PAS)或脈沖電流熱壓燒結(jié)(Pulse Current Pressure Sintering),是自90年代以來國外開始研究的一種快速燒結(jié)新工藝。由于它融等離子體活化,熱壓,電阻加熱為一體,具有燒結(jié)時(shí)間短,溫度控制準(zhǔn)確,易自動(dòng)化,燒結(jié)樣品顆粒均勻,致密度高等優(yōu)點(diǎn),僅在幾分鐘之內(nèi)就使燒結(jié)產(chǎn)品的相對理論密度接近100%,而且能抑制樣品顆粒的長大,提高材料的各種性能,因而在材料處理過程中充分顯示了優(yōu)越性。
將瞬間、斷續(xù)、高能脈沖電流通人裝有粉末的模具上,在粉末顆粒間即可產(chǎn)生等離子放電,由于等離子體是一種高活性離子化的電導(dǎo)氣體,因此,等離子體能迅速消除粉末顆粒表面吸附的雜質(zhì)和氣體,并加快物質(zhì)高速度的擴(kuò)散和遷移,導(dǎo)致粉末的凈化、活化、均化等效應(yīng)。第三代SPS設(shè)備采用的是開關(guān)直流脈沖電源,在50 Hz供電電源下,發(fā)生一個(gè)脈沖的時(shí)間為312 ms,由于強(qiáng)脈沖電流加在粉末顆粒間,即可產(chǎn)生諸多有利于快速燒結(jié)的效應(yīng)。首先,由于脈沖放電產(chǎn)生的放電沖擊 3波以及電子
,離子在電場中反方向的高速流動(dòng)
,可使粉末吸附的氣體逸散,粉末表面的起始氧化膜在一定程度上可被擊穿
,使粉末得以凈化、活化;其次
,由于脈沖是瞬間
、斷續(xù)、高頻率發(fā)生
,在粉末顆粒未接觸部位產(chǎn)生的放電熱
,以及粉末顆粒接觸部位產(chǎn)生的焦耳熱,都大大促進(jìn)了粉末顆粒原子的擴(kuò)散,其擴(kuò)散系數(shù)比通常熱壓條件下的要大得多,而達(dá)到粉末燒結(jié)的快速化;最后,開關(guān)快速脈沖的加入,無論是粉末內(nèi)的放電部位還是產(chǎn)生焦耳熱部位,都會快速移動(dòng),使粉末的燒結(jié)能夠均勻化。
2,微波燒結(jié)(Microwave Sintering)
微波燒結(jié)是一種利用微波加熱來對材料進(jìn)行燒結(jié)的方法。微波燒結(jié)技術(shù)是利用材料吸收微波能轉(zhuǎn)化為內(nèi)部分子的動(dòng)能和熱能,使得材料整體均勻加熱至一定溫度而實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)的一種方法,是快速制備高質(zhì)量的新材料和制備具有新的性能的傳統(tǒng)材料的重要技術(shù)手段。同常規(guī)燒結(jié)方法相比,微波燒結(jié)具有快速加熱,燒結(jié)溫度低,細(xì)化材料組織,改進(jìn)材料性能,安全無污染以及高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),因而被稱為新一代燒結(jié)方法。與傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝生產(chǎn)的工件相比,用微波燒結(jié)制成的工件具有較高的密度、硬度和強(qiáng)韌性
。短時(shí)間燒結(jié)產(chǎn)生均勻的細(xì)晶粒顯微結(jié)構(gòu),內(nèi)部孔隙很少
,孔隙形狀比傳統(tǒng)燒結(jié)的圓
,因而具有更好的延展性和韌性。微波加熱能使工件加熱均勻
,加熱速度可以高達(dá)1500/℃分鐘
,對某些材料甚至可以以很少的輸入能量實(shí)現(xiàn)2000℃以上的高溫。由于微波對大多數(shù)粉末陶瓷材料有很大的穿透性
,可以均勻地加熱工件,減小高溫?zé)Y(jié)過程中的溫度梯度
,從而降低由膨脹不均勻產(chǎn)生的材料變形
,使迅速升溫成為可能,而且在高溫下停留的時(shí)間可以大幅度縮短
,抑制晶粒的長大
,改善材料的物理,力學(xué)性能
。微波燒結(jié)始于上世紀(jì)70年代,到目前為止
,許多氧化物和非氧化物
,從低損耗陶瓷(如Y—A1203)到高損耗陶瓷 (如SiC、TiB2和BC)等的微波燒結(jié)均見報(bào)道。
3
,電場活化燒結(jié)(Field activated sintering tech—nique
,FAST)
電場活化燒結(jié)技術(shù)在燒結(jié)時(shí)要施加電場
。它有許多優(yōu)點(diǎn):經(jīng)電場活化燒結(jié)后
,顯微結(jié)構(gòu)可以細(xì)化,并可提高鋼的淬透性
。在粉末燒結(jié)中
,施加電場可固結(jié)難以燒結(jié)的粉末,它比傳統(tǒng)燒結(jié)溫度低,時(shí)間短
,但燒結(jié)制品密度高
,質(zhì)量好而且生產(chǎn)率高
。它是通過施加斷續(xù)的低電壓(~30 V)和高電流(>600 A)來實(shí)現(xiàn)脈沖放電的。脈沖放電后再施加直流電
。脈沖放電與施加直流電也可同時(shí)進(jìn)行
。施加的壓力可以是恒定的,也可以是可變的
。
從裝粉到脫模
,整個(gè)過程不到10 min就可以完成
。一般來說
,不需要添加劑或粘結(jié)劑,也不需要事先冷壓
。在大多數(shù)情況下
,燒結(jié)是在空氣中進(jìn)行的,不需要可控氣氛或事先粉末脫氣
。FAST致密化已用于液相或固相燒結(jié)的導(dǎo)電材料
,超導(dǎo)材料
,絕緣材料
,復(fù)合材料及功能梯度材料等,也可用于同時(shí)致密化與合成化合物
。
4
,金屬粉末選擇性激光燒結(jié)成形(Selective lasersintering, 5SLS)
選擇性激光燒結(jié)成形(SLS)是應(yīng)用分層制造方法
,以固體粉末材料直接成形三維實(shí)體零件
,不受材料種類的限制
,不受零件形狀復(fù)雜程度的限制
。其工藝是首先在計(jì)算機(jī)上完成符合
需要的三維CAD模型,再用分層軟件對模型進(jìn)行分層
,得到每層的截面
,采用自動(dòng)控制技術(shù),使激光有選擇地?zé)Y(jié)出與計(jì)算機(jī)內(nèi)零件截面相對應(yīng)部分的粉末
,使粉末經(jīng)燒結(jié)熔化
、冷卻
、凝固
、成形。完成一層燒結(jié)后再進(jìn)行下一層燒結(jié)
,且兩層之間燒結(jié)相連
。如此層層燒結(jié),堆積
,結(jié)果燒結(jié)部分恰好是與CAD原型一致的實(shí)體
,而未燒結(jié)部分則是松散粉末,可以起到支撐的作用
,并在最后很容易清理掉?div id="m50uktp" class="box-center"> ?晒┻x區(qū)燒結(jié)的材料非常廣泛
,有石蠟粉、塑料粉
、金屬粉和陶瓷粉等
。金屬粉末的選區(qū)激光燒結(jié)是目前選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)的研究重點(diǎn),金屬粉末在激光燒結(jié)成型所得到的零件只是一種坯體
,其機(jī)械性能和熱學(xué)性能還需通過后處理進(jìn)一步提高
。
利用金屬粉末進(jìn)行選區(qū)激光燒結(jié)成形是一個(gè)很有發(fā)展前途的工藝方法
,具有廣闊的應(yīng)用前景
。由于激光燒結(jié)金屬粉末是一個(gè)復(fù)雜的工藝過程,燒結(jié)難度較大
,激光功率
、掃描速度、掃描方式等都對燒結(jié)精度有影響
,直接制造出高精度的金屬零件是激光快速成形追求的目標(biāo)
。
5,熱振蕩活化燒結(jié)(Heat shock activated sinter—ing
,HSAS)
2003年
,西安交通大學(xué)柴東朗課題組在原位觀察 6A1—10Mg二元純金屬粉末體系的燒結(jié)過程時(shí)發(fā)現(xiàn),普通電阻加熱形成的波動(dòng)溫度場對燒結(jié)具有熱振蕩活化效應(yīng),能較大程度上提高鎂顆粒在鋁基體中的熔化速度,波動(dòng)溫度場的燒結(jié)過程要比恒溫場短很多。由于利用電阻加熱的傳統(tǒng)燒結(jié)工藝有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ),這對充分發(fā)揮現(xiàn)有的燒結(jié)設(shè)備的工作潛力,提高設(shè)備的工作效率都有直接的指導(dǎo)意義,從而可以改善燒結(jié)體的質(zhì)量,提高粉末冶金的生產(chǎn)效率,以及節(jié)約能源和降低新設(shè)備投入等等。
粉末冶金燒結(jié)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜形狀零件的高精度,批量化生產(chǎn)
,其成品率高
,加工能耗少。相信在不遠(yuǎn)的將來
,粉末冶金燒結(jié)工藝還會有更快速的發(fā)展
,各種燒結(jié)新工藝將不斷面世
,推動(dòng)社會科技的進(jìn)步
。
近年來,粉末冶金新技術(shù)
,新工藝不斷被開發(fā)出來
。德國正在研究微金屬注射成形與微陶瓷注射成形技術(shù),最小的微金屬注射成形件尺寸僅為50~tm
,比傳統(tǒng)粉末注射成形技術(shù)制得的部件更小
,促進(jìn)了微型系統(tǒng)制造技術(shù)的發(fā)展。多相噴射固結(jié)法也是一種新的自由成形技術(shù)
,可用于制造生物醫(yī)學(xué)零件,利用多相噴射固結(jié)法
,根據(jù)CT掃描得到的假體的三維描述
,就可以制造出通常外科所需零件,而無需開刀去實(shí)際測量
。將金屬粉或陶瓷粉與粘結(jié)劑混合
,形成均勻混合料,將這些混合料按技術(shù)要求進(jìn)行噴射,一層一層地形成一個(gè)零件,在部件形成之后,其中的粘結(jié)相用化學(xué)法或者加熱去除,而后燒結(jié)到最終密度。另一項(xiàng)粉末冶金新技術(shù)是美國麻省理工學(xué)院發(fā)明的三維印刷法,該法是根據(jù)印刷技術(shù),通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),將粘結(jié)劑精確沉積到一層金屬粉末上,這樣反復(fù)逐層印刷,直至達(dá)到最終的幾何形狀,由此便得到一個(gè)生坯件。生坯件經(jīng)燒結(jié)并在爐中熔滲,可達(dá)到全密度。
隨著新材料的不斷開發(fā)特別是新材料制備技術(shù)的飛速發(fā)展,粉末冶金制品越來越多地應(yīng)用于各行各業(yè)中,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,粉末冶金新技術(shù)層出不窮。我國的粉末冶金工業(yè)在產(chǎn)品數(shù)量,質(zhì)量與技術(shù)方面與先進(jìn)國家相比,尚有不小差距。因此,我們應(yīng)及時(shí)了解與掌握不斷出現(xiàn)的新技術(shù),同時(shí)開發(fā)我們自己的新技術(shù)。
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