先进成型及烧结技术课件.ppt

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,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,1.2 一般的粉末冶金工艺的主要环节,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。,1.3 粉末冶金的发展历程及特点,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、制品 (3) 粉末冶金制品是一种少切屑无切屑的加工工艺。,粉末冶金成型的主要缺点： 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,汽车尾气过滤器：材料硬度大，孔隙多且细小。难加工。,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。,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,模压成型零件,零件,冷等静压成型零件,注射成型零件,(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,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。,(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,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,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。,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,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）,(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,(3) 注射成型方法（ ）,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,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。,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,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。,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40，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。,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。,(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（）：水、油、气作介质 热等静压（）：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,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。,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。,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：应保证尽量形成闭孔,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。,(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。,(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100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,爆炸成型可分为直接加压和间接加压两种方式,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：、等可直接获得接近理论密度的制品。,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。,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”。,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,3.2 反应烧结技术（ ） 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3N4，22及其复合材料等。,(1) 反应烧结3N4,基本反应：3 (s) + 2N2 (g) 3N4 (s) 将或者与3N4的混合物成型后在1200左右通过氮化处理而获得3N4制品,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,气耗定升温法（ ） 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3N4等 + + N2 + 3N4,3.3 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。,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。,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、3N4等。 例：预制备在熔体中浸清可形成高 质量的反应结合（）,定向复合材料的熔浸制造工艺： 2复合材料（超高温复合材料） 基本反应： (1.5) + 0.5B4C 2 + 0.5 由于反应过程2具有定向生长的能力，因此2为板条状，同时，产物中有金属残余，可调节材料性能。 主要性能： 成 分：2（含量：3 12%） 弯曲强度：800 900 断裂韧性：15 m1/2 杨氏模量：350 400,3.4 等离子放电烧结（）,等离子放电烧结是一种物理激活烧结，它是利用粉末颗粒间在大电流作用下产生的高温火花放电形成的等离子体的激活效应来促进烧结过程快速生成的，从本质上是加速了烧结颈部的形成和生长。放电烧结工艺主要特点是： 烧结温度低，烧结速度快 烧结压力低 材料制品密度高、结构优良 烧结过程中的主要效应包括：电流通过模具和粉末产生的焦耳热粉末颗粒间放电高温等离子体。,材料合成的新方法,场作用下的原子扩散加快 加快材料合成过程 提高材料纯度 降低合成工艺温度 细小的合成产品,制备高纯度、纳米晶粉末,过程中的原子扩散,上压头,下压头,800, 5,750 , 5,850, 5,(0-20 : 2 , 2045),. （2，3）,. (,2),双加热模式快速烧结技术,相互独立的二套内、外加热系统的匹配是在快速升温条件下实现均温场的关键和难点。,将大电流加热和辐射加热结合以大电流内加热实现快速、活化烧结以辐射外加热实现温度场均匀分布,双加热模式的优化配置双加热模式快速烧结装备,（a）0 （b）1,T 64V,（c）5 （d）10,64 64V,(a) ; (b) .,64V,3.5 增材制造技术（ 3D打印）,3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样。,它是一种数字模型文件为基础，运用特定的材料，通过打印一层层的材料来制造三维的物体。,可用于打印的介质种类多样： 塑料、金属、陶瓷以及橡胶类物质。可以结合不同材料体系，打印出多叠成梯度材料（）。,3D打印思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广。19世纪末，美国研究出了的照相雕塑和地貌成形技术，产生了3D打印核心制造思想。20世纪80年代以前，三维打印机数量很少，主要用来打印像珠宝、玩具、工具、厨房用品之类的东西。主要打印塑料模型。1979年，美国科学家 获得类似“快速成型”技术的专利。20世纪80年代中期，选择性激光烧结（）由美国得克萨斯州大学奥斯汀分校的卡尔博士开发出来并获得专利。到20世纪80年代后期，美国科学家发明了一种可打印出三维效果的打印机，并已将其成功推向市场，3D打印技术发展成熟并被广泛应用。1995年，麻省理工创造了“三维打印”一词，当时的毕业生 和 修改了喷墨打印机方案，溶剂挤压到粉末床上实现三维制造。2003年以来三维打印技术不断发展，主要集中在开发无机材料的打印和成型方面。,3D打印机技术历史,3D打印机技术的发展,微型3D打印机：德国研制出最高速的纳米级别微型3D打印机 。 能制作纳米级别的微型结构，以最高的分辨率，打印出不超过人类头发直径的三维物体。最大的3D打印机:华中科技大学研发出全球最大的“3D打印机”。可加工零件长宽最大尺寸均达到1.2米。将复杂的零件制造变为简单的由下至上的二维叠加，大大降低了设计与制造的复杂度，让一些传统方式无法加工的奇异结构制造变得快捷。彩印3D打印机：使用光硬化性树脂的类型，包括用激光硬化光硬化性树脂液面的类型、从喷嘴喷出光硬化性树脂后照射光进行硬化的类型（这种类型的造型材料还可以使用蜡）、向薄膜上的光硬化性树脂照射经过掩模的光的类型。可以使用青色、洋红、黄色、黑色4种颜色的树脂材料，实现600万色以上的颜色。,3D打印的技术： 选择性激光烧结（ ，） 直接金属激光烧结、 熔融沉积成型（ ，） 立体平版印刷（ ,3 ） 数字光处理（ ， ） 熔丝制造、 电子束熔化成型、 选择性热烧结,1、数字光处理（ ， ）：使用“喷墨”的方式：采用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外光下固化。然后进行下一层打印堆叠。2、熔融沉积成型（ ，） ：在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式形成薄层，逐层叠加。3、选择性激光烧结（ ，）以粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，用激光熔铸成指定形状，4、电子束熔化成型：利用真空中的电子流熔化粉末微粒。,3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的，打印原理是一样的。 3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型，然后在进行打印输出。,3D打印与激光成型技术一样，采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层的打印过程分为两步： 首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型。,数字光处理（ ， ）,数字光处理（ ， ）,3D打印技术的应用,课程论文-2,特种烧结技术研究进展先进成型技术进展等静压成型与烧结研究进展纳米材料的特殊烧结技术3D打印与快速成型技术增材制造技术研究进展,