中國(guó)粉體網(wǎng)訊 粉末冶金是使用金屬粉末作為原料在成型和燒結(jié)后生產(chǎn)金屬材料、復(fù)合材料和各種類型的產(chǎn)品的技術(shù)。粉末冶金過(guò)程主要包括粉體預(yù)處理、粉體壓制、粉末燒結(jié)、后處理等環(huán)節(jié)。其中，粉末燒結(jié)，是使壓坯或松裝粉末體進(jìn)一步結(jié)合起來(lái)，以提高強(qiáng)度及其他性能的一種高溫處理工藝。其產(chǎn)品在航空航天、機(jī)械、模具、醫(yī)療等行業(yè)有大量的應(yīng)用。
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1 粉末燒結(jié)過(guò)程分析
粉末燒結(jié)是系統(tǒng)自由能降低的過(guò)程，表現(xiàn)為燒結(jié)頸和顆粒表面平直化、系統(tǒng)總表面積和表面能減少、空隙總體積和總表面積減少、晶粒內(nèi)晶格畸變的消除。粉體燒結(jié)進(jìn)程是由表面擴(kuò)散、粘性流動(dòng)、蒸發(fā)凝聚、體積擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散耦合形成的。其中粉體由最初的接觸到燒結(jié)頸的形成主要的擴(kuò)散機(jī)制為表面擴(kuò)散，燒結(jié)頸的長(zhǎng)大階段是由體積擴(kuò)散為主，孔洞的收縮是以體積擴(kuò)散和空位擴(kuò)散為主。
粉體顆粒燒結(jié)分為三個(gè)階段：(1)顆粒粘結(jié)（初期）：顆粒之間由點(diǎn)接觸或面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫w結(jié)合，形成一定強(qiáng)度的燒結(jié)頸，導(dǎo)致強(qiáng)度和導(dǎo)電性增加；(2)燒結(jié)頸長(zhǎng)大階段（中期）：顆粒之間通過(guò)原子擴(kuò)散等使燒結(jié)頸長(zhǎng)大，形成連通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，顆粒之間距離減小，孔隙率整體減少；(3)閉孔的球化和縮小階段（后期）：孔洞多為閉孔，且數(shù)量增多，燒結(jié)體發(fā)生緩慢收縮，主要以閉孔的減少和收縮為主。
金屬粉末燒結(jié)元件（圖片來(lái)源：安泰科技）
2 粉末冶金燒結(jié)質(zhì)量影響因素
影響燒結(jié)體性能的因素有許多，包括粉體的特性、成型和燒結(jié)條件。燒結(jié)條件的因素包括加熱速率，燒結(jié)溫度和時(shí)間，冷卻速度，燒結(jié)氣氛和壓力條件。燒結(jié)溫度和時(shí)間長(zhǎng)短可影響燒結(jié)體的孔隙率，密度，強(qiáng)度和硬度。燒結(jié)溫度高，加熱時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)降低產(chǎn)品性能，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品燒焦缺陷，同時(shí)低燒結(jié)溫度或長(zhǎng)時(shí)間加熱可能會(huì)由于燒結(jié)過(guò)程而導(dǎo)致性能下降。
通常用于粉末冶金的燒結(jié)氣氛是減少氣氛、真空、氫氣氛等；燒結(jié)氣氛直接影響燒結(jié)體的性能；在還原氣氛中燒結(jié)可以防止壓塊的燃燒并且允許表面氧化物的還原。例如，鐵和銅基產(chǎn)品通常使用氣體或氨分解，而硬質(zhì)合金和不銹鋼通常使用純氫�；钚越饘倩螂y熔金屬（例如鈹，鈦，鋯，鉭），含有TiC合金和不銹鋼的硬質(zhì)合金可用于真空燒結(jié)。
3 金屬粉末燒結(jié)技術(shù)分析
3.1 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）
選擇性激光燒結(jié)（SLS）是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個(gè)工藝過(guò)程包括CAD模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。SLS技術(shù)的快速成型系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖1。
圖1 SLS技術(shù)的快速成型系統(tǒng)工作原理（圖片來(lái)源：冶金叢刊）
采用金屬粉末進(jìn)行快速成型是激光快速成型由原型制造到快速直接制造的趨勢(shì)，它可以大大加快新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度，具有廣闊的應(yīng)用前景。金屬粉末的選區(qū)燒結(jié)方法中，常用的金屬粉末3種：
（1）金屬粉末和有機(jī)粘結(jié)劑的混合體
按一定比例將兩種粉末混合均勻，然后用激光束對(duì)混合粉末進(jìn)行選擇燒結(jié)。
（2）兩種金屬粉末的混合體
其中一種熔點(diǎn)較低起粘結(jié)劑的作用。其燒結(jié)成型類似于液相燒結(jié)，激光能量將復(fù)合組分中低熔點(diǎn)的成分熔化，形成的液相將固相浸潤(rùn)，冷卻后低熔點(diǎn)液相凝固將高熔點(diǎn)組分粘結(jié)起來(lái)。
（3）單一的金屬粉末
對(duì)單元系燒結(jié)，特別是高熔點(diǎn)的金屬，在較短的時(shí)間內(nèi)需要達(dá)到熔融溫度，需要很大功率的激光器。其存在的最大問(wèn)題是因組織結(jié)構(gòu)多孔導(dǎo)致制件密度低、機(jī)械性能差。
3.2 選擇性激光熔融技術(shù)（SLM）
SLM是近年來(lái)誕生的金屬粉末的快速成型技術(shù)，用它能直接成型出接近完全致密度的金屬零件。SLM技術(shù)克服了SLS技術(shù)制造金屬零件工藝過(guò)程復(fù)雜的困擾。
SLM技術(shù)是利用光斑直徑為100μm以內(nèi)的高能激光束直接熔化金屬粉末，一層一層的選區(qū)熔化堆積，最終形成具有冶金結(jié)合、組織致密的金屬零件，SLM技術(shù)原理示意圖，如圖2所示。
圖2 SLM技術(shù)成型原理示意圖
SLM是金屬3Ｄ打印技術(shù)的重要研究方向，可直接成型縷空點(diǎn)陣、中空夾層、一體化等復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)零件。目前，SLM技術(shù)成型已開(kāi)始應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、模具、醫(yī)療等領(lǐng)域。
3.3 微波燒結(jié)技術(shù)
微波燒結(jié)是一種高效節(jié)能、清潔環(huán)保的燒結(jié)方法，可以使燒結(jié)產(chǎn)品獲得更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，已經(jīng)得到世界認(rèn)可，被稱為新一代的燒結(jié)技術(shù)。經(jīng)過(guò)近十幾年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于金屬粉末的微波燒結(jié)機(jī)理研究取得一定進(jìn)展。
微波加熱是通過(guò)分子或原子與電磁場(chǎng)的相互作用使材料自身產(chǎn)生熱能，燒結(jié)過(guò)程中，顆粒黏結(jié)面上發(fā)生質(zhì)與量的變化以及燒結(jié)體內(nèi)孔隙的球化與縮小，這些過(guò)程都是以物質(zhì)遷移為基礎(chǔ)，即物質(zhì)遷移是燒結(jié)頸長(zhǎng)大的根本原因，所以明確物質(zhì)遷移方式對(duì)研究金屬粉末在微波場(chǎng)中的燒結(jié)行為至關(guān)重要。
圖3 微波穿透金屬粉末示意圖（圖片來(lái)源：粉末冶金技術(shù)）
金屬粉末微波加熱技術(shù)的理論仍處于探索研究階段，對(duì)于微波燒結(jié)中所觀察到的一些特殊現(xiàn)象及物理化學(xué)變化機(jī)理尚缺乏深入研究與認(rèn)識(shí)；研究手段相對(duì)缺乏，對(duì)一些微波效應(yīng)還無(wú)法獲得直接證據(jù)，停留在推測(cè)階段。
4 小結(jié)
近年來(lái)，隨著材料、設(shè)備、模具、工藝、自動(dòng)化技術(shù)等逐漸發(fā)展與成熟，粉末冶金的應(yīng)用越來(lái)越廣，已經(jīng)成為消費(fèi)電子、汽車(chē)等行業(yè)備受關(guān)注的一種工業(yè)新技術(shù)。關(guān)于金屬粉末燒結(jié)技術(shù)也越來(lái)越受到關(guān)注。我們相信, 隨著人們對(duì)激光燒結(jié)金屬粉末成型機(jī)理的掌握, 對(duì)各種金屬材料最佳燒結(jié)參數(shù)的獲得, 以及專用的快速成型材料的出現(xiàn),金屬燒結(jié)技術(shù)的研究和引用必將進(jìn)入一個(gè)新的境界。
參考來(lái)源：
【1】 石磊.鉬銅合金活化燒結(jié)技術(shù)研究.2020.
【2】 邵娟，等.淺析金屬粉末選擇性激光燒結(jié)快速成型技術(shù).冶金叢刊.2007.
【3】 莊天涯，等.金屬粉末微波燒結(jié)機(jī)理研究進(jìn)展.粉末冶金技術(shù).2019.
【4】 周松.基于SLM的金屬3D打印輕量化技術(shù)及其應(yīng)用研究.
【5】 Admin. 粉末冶金燒結(jié)質(zhì)量的影響因素及燒結(jié)方法.
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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