中國粉體網(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,、復合材料和各種類型的產(chǎn)品的技術(shù),。粉末冶金過程主要包括粉體預處理、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一步結(jié)合起來，以提高強度及其他性能的一種高溫處理工藝,。其產(chǎn)品在航空航天,、機械、模具,、醫(yī)療等行業(yè)有大量的應用,。
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1 粉末燒結(jié)過程分析
粉末燒結(jié)是系統(tǒng)自由能降低的過程，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)進程是由表面擴散,、粘性流動、蒸發(fā)凝聚,、體積擴散和晶界擴散耦合形成的,。其中粉體由最初的接觸到燒結(jié)頸的形成主要的擴散機制為表面擴散，燒結(jié)頸的長大階段是由體積擴散為主,，孔洞的收縮是以體積擴散和空位擴散為主,。
粉體顆粒燒結(jié)分為三個階段：(1)顆粒粘結(jié)（初期）：顆粒之間由點接觸或面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫w結(jié)合,，形成一定強度的燒結(jié)頸，導致強度和導電性增加,；(2)燒結(jié)頸長大階段（中期）：顆粒之間通過原子擴散等使燒結(jié)頸長大,，形成連通的網(wǎng)絡結(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)溫度和時間,，冷卻速度，燒結(jié)氣氛和壓力條件,。燒結(jié)溫度和時間長短可影響燒結(jié)體的孔隙率,，密度，強度和硬度,。燒結(jié)溫度高,，加熱時間長，會降低產(chǎn)品性能,，甚至導致產(chǎn)品燒焦缺陷,，同時低燒結(jié)溫度或長時間加熱可能會由于燒結(jié)過程而導致性能下降。
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,。活性金屬或難熔金屬（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,。其整個工藝過程包括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)工作原理見圖1,。
圖1 SLS技術(shù)的快速成型系統(tǒng)工作原理（圖片來源：冶金叢刊）
采用金屬粉末進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，它可以大大加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度,，具有廣闊的應用前景,。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,，然后用激光束對混合粉末進行選擇燒結(jié),。
（2）兩種金屬粉末的混合體
其中一種熔點較低起粘結(jié)劑的作用。其燒結(jié)成型類似于液相燒結(jié),，激光能量將復合組分中低熔點的成分熔化,，形成的液相將固相浸潤，冷卻后低熔點液相凝固將高熔點組分粘結(jié)起來,。
（3）單一的金屬粉末
對單元系燒結(jié),，特別是高熔點的金屬，在較短的時間內(nèi)需要達到熔融溫度,，需要很大功率的激光器,。其存在的最大問題是因組織結(jié)構(gòu)多孔導致制件密度低、機械性能差,。
3.2 選擇性激光熔融技術(shù)（SLM）
SLM是近年來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程復雜的困擾,。
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,，可直接成型縷空點陣、中空夾層,、一體化等復雜輕量化結(jié)構(gòu)零件,。目前，SLM技術(shù)成型已開始應用于航空、航天,、汽車,、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)品獲得更精細的微觀結(jié)構(gòu)和力學性能,，已經(jīng)得到世界認可,，被稱為新一代的燒結(jié)技術(shù)。經(jīng)過近十幾年的發(fā)展,，國內(nèi)外學者對于金屬粉末的微波燒結(jié)機理研究取得一定進展,。
微波加熱是通過分子或原子與電磁場的相互作用使材料自身產(chǎn)生熱能，燒結(jié)過程中,，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)頸長大的根本原因,，所以明確物質(zhì)遷移方式對研究金屬粉末在微波場中的燒結(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，對于微波燒結(jié)中所觀察到的一些特殊現(xiàn)象及物理化學變化機理尚缺乏深入研究與認識,；研究手段相對缺乏,，對一些微波效應還無法獲得直接證據(jù)，停留在推測階段,。
4 小結(jié)
近年來,，隨著材料、設備,、模具,、工藝、自動化技術(shù)等逐漸發(fā)展與成熟,，粉末冶金的應用越來越廣,，已經(jīng)成為消費電子、汽車等行業(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)也越來越受到關(guān)注,。我們相信, 隨著人們對激光燒結(jié)金屬粉末成型機理的掌握, 對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入一個新的境界。
參考來源：
【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)機理研究進展.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.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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