中国粉体网讯 粉末冶金是使用金属粉末作为原料在成型和烧结后生产金属材料、复合材料和各种类型的产品的技术。粉末冶金过程主要包括粉体预处理、粉体压制、粉末烧结、后处理等环节。其中，粉末烧结，是使压坯或松装粉末体进一步结合起来，以提高强度及其他性能的一种高温处理工艺。其产品在航空航天、机械、模具、医疗等行业有大量的应用。
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1 粉末烧结过程分析
粉末烧结是系统自由能降低的过程，表现为烧结颈和颗粒表面平直化、系统总表面积和表面能减少、空隙总体积和总表面积减少、晶粒内晶格畸变的消除。粉体烧结进程是由表面扩散、粘性流动、蒸发凝聚、体积扩散和晶界扩散耦合形成的。其中粉体由最初的接触到烧结颈的形成主要的扩散机制为表面扩散，烧结颈的长大阶段是由体积扩散为主，孔洞的收缩是以体积扩散和空位扩散为主。
粉体颗粒烧结分为三个阶段：(1)颗粒粘结（初期）：颗粒之间由点接触或面接触转变为晶体结合，形成一定强度的烧结颈，导致强度和导电性增加；(2)烧结颈长大阶段（中期）：颗粒之间通过原子扩散等使烧结颈长大，形成连通的网络结构，颗粒之间距离减小，孔隙率整体减少；(3)闭孔的球化和缩小阶段（后期）：孔洞多为闭孔，且数量增多，烧结体发生缓慢收缩，主要以闭孔的减少和收缩为主。
金属粉末烧结元件（图片来源：安泰科技）
2 粉末冶金烧结质量影响因素
影响烧结体性能的因素有许多，包括粉体的特性、成型和烧结条件。烧结条件的因素包括加热速率，烧结温度和时间，冷却速度，烧结气氛和压力条件。烧结温度和时间长短可影响烧结体的孔隙率，密度，强度和硬度。烧结温度高，加热时间长，会降低产品性能，甚至导致产品烧焦缺陷，同时低烧结温度或长时间加热可能会由于烧结过程而导致性能下降。
通常用于粉末冶金的烧结气氛是减少气氛、真空、氢气氛等；烧结气氛直接影响烧结体的性能；在还原气氛中烧结可以防止压块的燃烧并且允许表面氧化物的还原。例如，铁和铜基产品通常使用气体或氨分解，而硬质合金和不锈钢通常使用纯氢。活性金属或难熔金属（例如铍，钛，锆，钽），含有TiC合金和不锈钢的硬质合金可用于真空烧结。
3 金属粉末烧结技术分析
3.1 选择性激光烧结技术（SLS）
选择性激光烧结（SLS）是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。SLS技术的快速成型系统工作原理见图1。
图1 SLS技术的快速成型系统工作原理（图片来源：冶金丛刊）
采用金属粉末进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趋势，它可以大大加快新产品的开发速度，具有广阔的应用前景。金属粉末的选区烧结方法中，常用的金属粉末3种：
（1）金属粉末和有机粘结剂的混合体
按一定比例将两种粉末混合均匀，然后用激光束对混合粉末进行选择烧结。
（2）两种金属粉末的混合体
其中一种熔点较低起粘结剂的作用。其烧结成型类似于液相烧结，激光能量将复合组分中低熔点的成分熔化，形成的液相将固相浸润，冷却后低熔点液相凝固将高熔点组分粘结起来。
（3）单一的金属粉末
对单元系烧结，特别是高熔点的金属，在较短的时间内需要达到熔融温度，需要很大功率的激光器。其存在的最大问题是因组织结构多孔导致制件密度低、机械性能差。
3.2 选择性激光熔融技术（SLM）
SLM是近年来诞生的金属粉末的快速成型技术，用它能直接成型出接近完全致密度的金属零件。SLM技术克服了SLS技术制造金属零件工艺过程复杂的困扰。
SLM技术是利用光斑直径为100μm以内的高能激光束直接熔化金属粉末，一层一层的选区熔化堆积，最终形成具有冶金结合、组织致密的金属零件，SLM技术原理示意图，如图2所示。
图2 SLM技术成型原理示意图
SLM是金属3Ｄ打印技术的重要研究方向，可直接成型缕空点阵、中空夹层、一体化等复杂轻量化结构零件。目前，SLM技术成型已开始应用于航空、航天、汽车、模具、医疗等领域。
3.3 微波烧结技术
微波烧结是一种高效节能、清洁环保的烧结方法，可以使烧结产品获得更精细的微观结构和力学性能，已经得到世界认可，被称为新一代的烧结技术。经过近十几年的发展，国内外学者对于金属粉末的微波烧结机理研究取得一定进展。
微波加热是通过分子或原子与电磁场的相互作用使材料自身产生热能，烧结过程中，颗粒黏结面上发生质与量的变化以及烧结体内孔隙的球化与缩小，这些过程都是以物质迁移为基础，即物质迁移是烧结颈长大的根本原因，所以明确物质迁移方式对研究金属粉末在微波场中的烧结行为至关重要。
图3 微波穿透金属粉末示意图（图片来源：粉末冶金技术）
金属粉末微波加热技术的理论仍处于探索研究阶段，对于微波烧结中所观察到的一些特殊现象及物理化学变化机理尚缺乏深入研究与认识；研究手段相对缺乏，对一些微波效应还无法获得直接证据，停留在推测阶段。
4 小结
近年来，随着材料、设备、模具、工艺、自动化技术等逐渐发展与成熟，粉末冶金的应用越来越广，已经成为消费电子、汽车等行业备受关注的一种工业新技术。关于金属粉末烧结技术也越来越受到关注。我们相信, 随着人们对激光烧结金属粉末成型机理的掌握, 对各种金属材料最佳烧结参数的获得, 以及专用的快速成型材料的出现,金属烧结技术的研究和引用必将进入一个新的境界。
参考来源：
【1】 石磊.钼铜合金活化烧结技术研究.2020.
【2】 邵娟，等.浅析金属粉末选择性激光烧结快速成型技术.冶金丛刊.2007.
【3】 庄天涯，等.金属粉末微波烧结机理研究进展.粉末冶金技术.2019.
【4】 周松.基于SLM的金属3D打印轻量化技术及其应用研究.
【5】 Admin. 粉末冶金烧结质量的影响因素及烧结方法.
（中国粉体网编辑整理/星耀）
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