第五章 粉末的烧结
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陶瓷工艺学第五章全解
2018年10月25日
5.2.4 烧结参数对于烧结样品性能的影响
5.2.4.1 材料参数对烧结的影响
烧结粉体的特征，如颗粒尺寸、尺寸分布、颗粒形状、颗粒团聚 体以及团聚程度都严重影响着致密化过程以及烧结制品的显微结 构。理想的颗粒品质是尺寸小、无团聚、等轴颗粒形状、尺寸分 布范围小、纯度高。 (1) 颗粒尺寸对烧结的影响 原始粉料中的颗粒尺寸越小，致密化速率越快。这种观点可以根据 有关的分形理论来解释。该分形理论指出，对于由固相颗粒组成的 两相或多相系统中，颗粒具有相同的特征，但尺寸不同，在一定温 度下进行的烧结过程中，这些颗粒具有相似的几何特征变化，使这 些变化产生所需的时间可以通过简单的定律来判断。
2018年10月25日
(2) 粉体结块和团聚对烧结的影响
结块(agglomerates)的概念是指小部分的颗粒通过表面力和/或固体 桥接作用结合在一起；而团聚(aggregates)描述的是颗粒经过牢固 结合和/或严重反应形成的粗大颗粒。结块和团聚形成的粗大颗粒 都是通过表面力结合的。单位质量的表面力与颗粒尺寸成反比。 因此，对于亚微尺寸以下的粉体颗粒，结块和团聚问题非常严重。
2018年10月25日
在煅烧过程中形成的固相桥接主要是由于固相颗粒之间的部分烧 结或颈部生长。 如果在颗粒制备过程中已经形成了松散的结块体，煅烧过程的热 处理将使这些结块体转变成更加坚硬的团聚体。
由于烧结颈部的尺寸随着煅烧温度的升高而增大，团聚体的结合 强度随着温度的升高而提高。通常通过球磨，利用机械能来破坏 这些团聚体。
2018年10月25日
一般来讲，烧结样品的原始粉体粒度分布在0.1～100µm 之间；其总表面能为500～0.5 J/mol。而一般粉体氧化 后的表面能变化基本上在300～1500 kJ/mol范围。 因此这样的粉体的总表面能本身就比较小，如果要利用本身数 值就不大的总表面能的减小来完成烧结的话，控制烧结工艺参 数就显得非常必要。
5.2.4 烧结参数对于烧结样品性能的影响
5.2.4.1 材料参数对烧结的影响
烧结粉体的特征，如颗粒尺寸、尺寸分布、颗粒形状、颗粒团聚 体以及团聚程度都严重影响着致密化过程以及烧结制品的显微结 构。理想的颗粒品质是尺寸小、无团聚、等轴颗粒形状、尺寸分 布范围小、纯度高。 (1) 颗粒尺寸对烧结的影响 原始粉料中的颗粒尺寸越小，致密化速率越快。这种观点可以根据 有关的分形理论来解释。该分形理论指出，对于由固相颗粒组成的 两相或多相系统中，颗粒具有相同的特征，但尺寸不同，在一定温 度下进行的烧结过程中，这些颗粒具有相似的几何特征变化，使这 些变化产生所需的时间可以通过简单的定律来判断。
2018年10月25日
(2) 粉体结块和团聚对烧结的影响
结块(agglomerates)的概念是指小部分的颗粒通过表面力和/或固体 桥接作用结合在一起；而团聚(aggregates)描述的是颗粒经过牢固 结合和/或严重反应形成的粗大颗粒。结块和团聚形成的粗大颗粒 都是通过表面力结合的。单位质量的表面力与颗粒尺寸成反比。 因此，对于亚微尺寸以下的粉体颗粒，结块和团聚问题非常严重。
2018年10月25日
在煅烧过程中形成的固相桥接主要是由于固相颗粒之间的部分烧 结或颈部生长。 如果在颗粒制备过程中已经形成了松散的结块体，煅烧过程的热 处理将使这些结块体转变成更加坚硬的团聚体。
由于烧结颈部的尺寸随着煅烧温度的升高而增大，团聚体的结合 强度随着温度的升高而提高。通常通过球磨，利用机械能来破坏 这些团聚体。
2018年10月25日
一般来讲，烧结样品的原始粉体粒度分布在0.1～100µm 之间；其总表面能为500～0.5 J/mol。而一般粉体氧化 后的表面能变化基本上在300～1500 kJ/mol范围。 因此这样的粉体的总表面能本身就比较小，如果要利用本身数 值就不大的总表面能的减小来完成烧结的话，控制烧结工艺参 数就显得非常必要。
粉末烧结原理
粉末烧结原理
粉末烧结是一种常见的金属材料制备工艺，通过高温加热和压力作用，将金属粉末颗粒相互结合，形成致密的块状材料。
这种制备方法被广泛应用于粉末冶金、陶瓷制备、复合材料制备等领域。
下面将介绍粉末烧结的原理及其在材料制备中的应用。
首先，粉末烧结的原理是基于固态扩散和颗粒间的结合作用。
在烧结过程中，粉末颗粒表面发生固态扩散，使得颗粒间的空隙逐渐减小，最终形成致密的结构。
同时，高温和压力的作用使得颗粒间发生结合，形成坚固的结构。
这种固态扩散和颗粒结合作用是粉末烧结的基本原理。
其次，粉末烧结在材料制备中具有重要的应用价值。
首先，粉末烧结可以制备高性能的工程材料。
通过粉末烧结，可以制备出具有良好力学性能、耐磨性、耐腐蚀性的材料，广泛应用于航空航天、汽车制造、机械加工等领域。
其次，粉末烧结还可以制备具有特殊功能的材料。
例如，通过粉末烧结可以制备出具有磁性、导电性、导热性等特殊功能的材料，用于电子器件、磁性材料等领域。
因此，粉末烧结在材料制备中具有广泛的应用前景。
总之，粉末烧结是一种重要的材料制备工艺，其原理是基于固态扩散和颗粒结合作用。
粉末烧结在材料制备中具有重要的应用价值，可以制备高性能的工程材料和具有特殊功能的材料。
随着材料科学的发展，粉末烧结技术将会得到进一步的发展和应用，为各个领域提供更加优质的材料产品。
粉末冶金 课程 第五章 烧结
◆以烧结钢为例 ：
Fe粉+石墨粉烧结→γ-Fe (A) →冷却→ 机械
混合物 （F+Fe3 C— 烧结钢）
A F+A F F+Fe3C Fe C0 C%→ A+Fe3C
二、互不溶系固相烧结（P252）
• 特点：组元间互不溶解，但通过烧结可制得用
“熔铸法”不能得到的“假合金” 例：Cu-W、Ag-W、 Cu-C、Ag-CdO等
有限固溶系相图
完全不互溶系相图
3) 多元系液相烧结 T低熔组元<T烧<T高熔组元 分为:
.
(1)
烧结过程始终存在液相系统
如:
WC-Co、TiC-Ni、W-Cu-Ni、W-Cu （ 2） 烧结后期液相消失系统
如：Cu-Sn、Cu-Pb、Fe-Ni-Al
（3）熔浸
为液相烧结特例，这时多孔固相骨架的烧结和低
小表示：
.
F=mt / m∞ mt —在t时间内，通过界面的物质量。
m∞—t→∞时，通过界面的物质量。
F=0-1，F=1时，相当于完全合金化。
◆P251、表4-5列出了Cu-52%Ni混合粉烧结工艺条件
和粒度大小对烧结时合金化进程的影响
0.39
②
③
L
温 度
.
L
L+A L
L+B
α+L
α
Cu 52Ni% %Ni Ni
熔金属浸透骨架后的液相烧结同时存在。
3、烧结理论的发展（略）
• 烧结理论研究围绕两个最基本问题：
1）烧结为什么会发生？ 即烧结的原动力或热力学问题 2）烧结是怎样进行的？ 即烧结的机构和动力学问题
.
目前，烧结理论的发展滞后于粉末冶金技术本身的发 展。
第五章 烧结-1
2. 中温阶段（300～950℃）
• 任务：脱水、分解、氧化、晶型转变
• 结构水排除（高岭土） Al2O3 . 2SiO2 . 2H2O
Al2O3 . 2SiO2＋2H2O
• 碳酸盐分解
✓由原料中带入
✓分解反应
500～850℃
MgCO3
MgO＋CO2
CaCO3 850～1050℃CaO＋CO2
MgCO3 . CaCO3 730～950℃ CaO＋MgO＋2CO2
研究表明，较小的颗粒尺寸分布范围是获取高烧结密度的必要条件。
二、影响陶瓷材料烧结的工艺参数
（1）烧成温度对产品性能的影响
烧成温度是指陶瓷坯体烧成时获得最优性质时的相应温度，即操作 时的止火温度。
烧成温度的高低直接影响晶粒尺寸和数量。对固相扩散或液相重结 晶来说，提高烧成温度是有益的。然而过高的烧成温度对特瓷来说，会因总 体晶粒过大或少数晶粒猛增，破坏组织结构的均匀性，因而产品的机电性能 变差。
颗粒间由点接触转变为面接触，孔隙缩小，连通孔 隙变得封闭，并孤立分布。 ③ 小颗粒间率先出现晶界，晶界移动，晶粒长大。
2）烧结后期阶段 ① 孔隙的消除：晶界上的物质不断扩散到孔隙处， 使孔隙逐渐消除。 ② 晶粒长大：晶界移动，晶粒长大。
➢ 烧结的分类：
烧结
固相烧结（只有固相传质） 液相烧结（出现液相） 气相烧结（蒸汽压较高）
颗粒形状和液相体积含量对颗粒之间作用力的影响 只有在大量液相存在的情况下，才能使这些具有一定棱角形状 的陶瓷粉体之间形成较高的结合强度。
（4）颗粒尺寸分布对烧结的影响
颗粒尺寸分布对最终烧结样品密度的影响可以通过分析有关的动力学 过程来研究，即分析由不同尺寸分布的坯体内部，在烧结过程中“拉出气孔” （pore drag）和晶粒生长驱动力之间力的平衡作用。
烧结动力学
许多现代技术陶瓷，如氧化铝和AlN 电子基片、氧化铝和SiC机械密封件、氧化 铝和Si3N4电热塞、氮化硅/sialon结构部件、 ZnO压敏电阻等，也都采用液相烧结工艺 制备。
◎液相浸润
固相被液相很好浸润是实现液相烧 结的基本要求。
固相被液相浸润取决于系统的温度 和化学反应。
Θ角越小，固相越容易被液相浸润。
◎液相烧结又可依据固相、液相和气 孔相的相对体积进一步划分为液相烧结、 粘滞复相烧结和粘滞玻璃相烧结三类。
粘滞复相 烧结区
固相烧结 液相烧结区
粘滞玻璃相烧结
Ⅲ
Ⅱ
Ⅰ
液相烧结区
二、固相烧结
◎固相烧结是没有液相参加，或液相 量极少不起作用的烧结。
◎固相烧结过程中主要发生晶粒中心 相互靠近，晶粒长大，减小粉末压实体的 尺寸以及排出气孔等变化。
第五章 烧结动力学
烧结——是指粉状物料在高温作用下， 气孔排出，体积收缩，逐渐变成坚固整体 的过程。
烧结的目的是使坯体致密化，并获得 预期的显微结构和性能。
烧结过程中，陶瓷坯体将发生复杂的 物理化学变化，并受多种动力学因素制约。
一、烧结类型划分
◎按烧结方式，可划分为无压烧结和 施加外力烧结两类。
◎按烧结机理，可划分为固相烧结和 液相烧结两种类型。
气孔体积及界面面积减小引起的吉布斯自 由能的降低（Kelvin，1987）。
5. 颗粒粗化 烧结总是伴随着微观结构的粗化。 由于驱动力降低以及使扩散路径变长，
晶粒粗化将降低烧结速率，从而使动力学 过程变慢。
由于质量守恒，若颗粒平均尺寸增加， 晶粒数必然减少。
位于晶界的气孔（或其他夹杂物）具 有保持在晶界的倾向，这是由于它的存在 会减小晶界能。
气孔
◎液相浸润
固相被液相很好浸润是实现液相烧 结的基本要求。
固相被液相浸润取决于系统的温度 和化学反应。
Θ角越小，固相越容易被液相浸润。
◎液相烧结又可依据固相、液相和气 孔相的相对体积进一步划分为液相烧结、 粘滞复相烧结和粘滞玻璃相烧结三类。
粘滞复相 烧结区
固相烧结 液相烧结区
粘滞玻璃相烧结
Ⅲ
Ⅱ
Ⅰ
液相烧结区
二、固相烧结
◎固相烧结是没有液相参加，或液相 量极少不起作用的烧结。
◎固相烧结过程中主要发生晶粒中心 相互靠近，晶粒长大，减小粉末压实体的 尺寸以及排出气孔等变化。
第五章 烧结动力学
烧结——是指粉状物料在高温作用下， 气孔排出，体积收缩，逐渐变成坚固整体 的过程。
烧结的目的是使坯体致密化，并获得 预期的显微结构和性能。
烧结过程中，陶瓷坯体将发生复杂的 物理化学变化，并受多种动力学因素制约。
一、烧结类型划分
◎按烧结方式，可划分为无压烧结和 施加外力烧结两类。
◎按烧结机理，可划分为固相烧结和 液相烧结两种类型。
气孔体积及界面面积减小引起的吉布斯自 由能的降低（Kelvin，1987）。
5. 颗粒粗化 烧结总是伴随着微观结构的粗化。 由于驱动力降低以及使扩散路径变长，
晶粒粗化将降低烧结速率，从而使动力学 过程变慢。
由于质量守恒，若颗粒平均尺寸增加， 晶粒数必然减少。
位于晶界的气孔（或其他夹杂物）具 有保持在晶界的倾向，这是由于它的存在 会减小晶界能。
气孔
第5章 粉末的烧结
经几何变换和微分处理，得特征方程： 经几何变换和微分处理，得特征方程：
x2/a = (3/2)γ/η.t 或： (x/a)2 = (3/2)γ/(ηa).t x2 与 t成线性关系 成线性关系 → 2ln(x/a) = A + ln t
Kuczynski得到： 得到： 得到 x2/a = kγ/η▪t （与Frenkle结论相同） 结论相同） ▪ 结论相同
当球径比烧结颈半径大很多时， 当球径比烧结颈半径大很多时，球表面与平面 的蒸汽压差Pˊ=P 可以忽略不计。 的蒸汽压差Pˊ=Pa-P o可以忽略不计。
故烧结颈与球表面的蒸汽压差为： 故烧结颈与球表面的蒸汽压差为： P= - P a γΩ/(KTρ) （P o用Pa代替） 代替） 单位时间内凝聚在烧结颈表面的物质量由Langmuir公式计算： 公式计算： 单位时间内凝聚在烧结颈表面的物质量由 公式计算 m=△P(M/2πRT)1/2（M为原子量） △ 为原子量） 为原子量 颈长大速度： dV / dt = A (m / d) 长大速度：
§5.3 烧结热力学
• 烧结前存在于粉末或粉末坯块内的过剩自 烧结前存在于粉末或粉末坯块内的过剩自 由能包括表面能和晶格畸变能， 由能包括表面能和晶格畸变能，前者指同 气氛接触的颗粒和孔隙的表面自由能， 气氛接触的颗粒和孔隙的表面自由能，后 者指颗粒内由于存在过剩空位、 者指颗粒内由于存在过剩空位、位错及内 应力所造成的能量增高。 应力所造成的能量增高。 • 表面能比晶格畸变能小，但是，对烧结过 表面能比晶格畸变能小，但是， 特别是早期阶段， 程，特别是早期阶段，作用较大的主要是 表面能。 表面能。
一、粉末烧结的扩散理论
1.粉末烧结时的扩散
Q ) D = D0 exp(− RT
粉末烧结原理
粉末烧结原理粉末冶金是一种重要的金属材料制备技术，而粉末烧结则是粉末冶金中的一项关键工艺。
粉末烧结是指将金属或非金属粉末在一定的温度、压力和时间条件下进行加热压制，使粉末颗粒之间发生冶金结合，从而形成致密的块状材料的工艺过程。
下面将详细介绍粉末烧结的原理。
首先，粉末烧结原理的第一步是粉末的预处理。
通常情况下，粉末材料需要经过混合、干燥和成型等工艺步骤，以确保粉末颗粒的均匀性和成型性。
在混合过程中，不同种类的粉末可以被混合在一起，以获得特定性能的材料。
然后，干燥工艺可以去除粉末中的水分，有利于后续的成型工艺。
最后，成型工艺将粉末压制成特定形状的坯料，为后续的烧结工艺做好准备。
其次，粉末烧结的第二步是烧结过程。
在烧结过程中，粉末坯料被置于高温环境中，通常伴随着一定的压力。
在高温下，粉末颗粒之间会发生扩散和结合的过程，从而形成致密的晶粒结构。
在烧结过程中，温度、压力和时间是三个重要的参数，它们将直接影响到烧结后材料的密度、晶粒大小和性能。
最后，粉末烧结的第三步是后处理工艺。
烧结后的材料通常需要进行热处理、表面处理和精加工等工艺步骤，以进一步提高材料的性能和精度。
热处理可以消除烧结过程中产生的残余应力和缺陷，提高材料的强度和韧性。
表面处理可以改善材料的耐腐蚀性能和外观质量。
精加工则可以使材料达到特定的尺寸和形状要求。
总之，粉末烧结是一种重要的材料制备工艺，它通过预处理、烧结和后处理三个步骤，将粉末材料转化为致密的块状材料。
粉末烧结工艺可以制备出具有特定性能和形状的材料，广泛应用于汽车、航空航天、电子、医疗器械等领域。
通过对粉末烧结原理的深入了解，可以更好地掌握这一重要工艺，为材料制备和应用提供技术支持。
粉末烧结原理
粉末烧结原理
粉末烧结是一种常用的金属粉末加工技术，用于将细粉末颗粒通过加热和压制的方式，形成致密的固体材料。
其工作原理可简述如下：
1. 粉末制备：首先需要选择合适的金属粉末或其混合物，这些粉末通常具有较小的粒径和均匀的颗粒大小。
粉末制备过程可以包括球磨、气雾化、水热合成等手段，以获得所需的粉末。
2. 粉末混合：将所选的金属粉末混合均匀，以确保最终烧结体具有均一的组织结构和化学成分。
3. 压制成型：将混合的金属粉末置于模具中，并施加高压力以压制粉末。
压制的目的是使粉末颗粒之间发生变形，并使颗粒间的物理接触增加，促进后续烧结过程中的颗粒结合。
4. 烧结：将已压制成型的粉末坯体置于高温环境中进行加热处理。
在加热过程中，金属粉末颗粒之间发生扩散和结合，生成新的结晶颗粒，并形成致密的固体结构。
具体的烧结温度和时间取决于所使用的粉末和目标材料。
5. 冷却处理：完成烧结过程后，将烧结体从高温环境中取出，并进行冷却处理，使其达到室温。
冷却过程有助于固化和稳定烧结体的结构，并提高其力学性能。
总的来说，粉末烧结通过压制和加热金属粉末，使其颗粒结合并形成坚固的体材料。
这种方法可用于制备各种金属材料，具
有较高的加工效率和良好的成型能力，广泛应用于金属制造和材料工程领域。
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烧结温度及时间对W合金密度的影响
无压烧结
• 是将预压成形粉末在大气压力下或在较低的气体 压力下进行烧结的方法。这种方法具有制作复杂 形状制品、生产组织容易等优点，但制品气孔率 高、收缩率大、机械强度低。常压烧结时，烧结 体中有相当多的液相存在，也可归属于液相烧结 方法。在粉末冶金中，液相烧结的要求源于致力 于获得高密度、低气孔率的烧结材料，因为有液 相参与的烧结，在烧结收缩压力作用下，液相将 渗入孔隙，使气孔率得到降低。
热压烧结（简称热压）
• 是利用耐高温模具，在加热的同时加压的烧结方法。这 种方法可以将常压下难以烧结的粉末进行烧结；可以在 较低的温度下烧结出接近理论密度的烧结体；可以在短 时间内达到致密化，烧结体的强度也较高。热压烧结时， 驱动力除表面张力外，又加上了外压的作用。在外压下， 粉粒间接触部位产生塑性流动或蠕变，使颗粒间距缩短， 缩颈长大的动力学过程进行得更为方便。在热压烧结的 基础上，又发展出了热等静压方法。该法是以气体为压 力介质，将粉料一边进行各向同性压缩，一边加热的烧 结方法。目前，采用热等静压法，工业上已进入烧结超 硬合金和氧化铝系工具的阶段。
烧结热力学
• 从热力学的观点看，粉末烧结是系统自由能减小 的过程，即烧结体相对于粉末体在一定条件下处 于能量较低的状态。烧结系统自由能的降低，是 烧结过程的原动力，包括以下几个方面： • （1）由于颗粒结合面（烧结颈）的增大和颗粒表 面的平直化，粉末体的总比表面积和总表面自由 能减小。 • （2）粉末体内孔隙的总体积和总表面积减小。 • （3）粉末颗粒内晶格畸变的消除。
蒸发与凝聚
• 蒸发与凝聚机构要以粉末在高温时具有较 大饱和蒸气压为先决条件，蒸气压差使原 子从球的表面蒸发，重新在烧结颈凹面上 凝聚下来，由此引起烧结颈长大。
各种烧结理论模型简介
烧结动力学方程通式
• 以上讨论了烧结的各种理论模型，可以得出一个 烧结动力学方程通式： xm / an = F（T）· t 式中 x——烧结颈半径； a——粉末颗粒半径； F（T）——烧结温度的函数； t——烧结时间； m、n——指数。
体积扩散
• 烧结颈与颗粒内部的空位浓度梯度是导致 空位和原子定向移动的动力，空位由烧结 颈表面向邻近的球表面发生体积扩散，即 物质沿相反方向向烧结颈迁移。
晶界扩散
• 如果颗粒接触面上未形成晶界，空位只能 从烧结颈通过颗粒内向表面扩散，即原子 由颗粒表面填补烧结颈区。如果有晶界存 在，烧结颈边缘的过剩空位将扩散到晶界 上消失，结果是颗粒间距缩短，发生收缩。
F（T）虽是温度的函数，但在不同的烧结机构中 包含不同的物理常数，例如扩散系数（包括体积扩散系数 Dv、表面扩散系数Ds、晶界扩散系数Db），比表面能γ， 粘性系数η，以及饱和蒸气压P0，这些常数均与温度有关。 各种烧结机构特征方程的区别主要反映在指数m与n的不同 搭配上。 从动力学方程式中可以看出，烧结颈的长大最终 主要取决于烧结温度T和烧结时间t，也与粉末颗粒尺寸a 有关，粉末颗粒越细小，烧结颈长大越快。
表面扩散
• 通过颗粒表面层原子的扩散来完成物质迁 移，可以在较低的温度下发生。事实上， 烧结过程中颗粒的相互联结，首先是在颗 粒表面上进行的，由于表面原子的扩散， 颗粒粘结面扩大，颗粒表面的凹处逐渐被 填平。粉末极大的表面积和高的表面能， 是粉末烧结的一切表面现象的热力学本质。 粉末愈细，比表面愈大，表面的活性原子 数愈多，表面扩散就愈容易进行。
整形与复压
• 为了提高零件的尺寸精度和表面质量， 可采用整形；为了提高零件的密度， 可采用复压；为了改变零件的形状或 表面形状，可采用精压。
浸渍
• 是利用烧结件的多孔性的毛细现象，浸入 各种液体。如为了润滑目的，可浸润滑油、 聚四氟乙烯溶液、铅溶液等；为了提高强 度和防腐能力，可浸铜溶液；为了表面保 护可浸树脂或清漆等。
液相 烧结
烧结温度对W-Cu相对密度的影响
保温时间对W-Cu相对密度的影响
烧结温度对W合金组织的影响
(b)
(c)
30μm
不同烧结温度时I 号试样扫描电镜照片 (a) 1445℃ (b)1465℃ (c) 1480℃
烧结与真空热处理后W合金组织
(a) (b)
a) I号试样
(b) II号试样
第五章
• • • • • •
粉末的烧结
粉末烧结后的变化 烧结过程 烧结热力学 烧结动力学 烧结理论模型 烧结方法
烧结后粉末坯的变化
烧结过程
• 烧结是粉末冶金制品制备的第三个阶段。 它是一种使成形的粉末坯件达到强化和致 密化的高温处理工艺。在烧结过程中，粉 末体经历了一系列的物理变化。图6-3-11 给出了松散的球形铜粉粒在烧结过程中的 行为。粉末的等温烧结过程大致可以划分 为①粘结阶段、 ②烧结颈长大阶段、 ③ 闭孔隙球化和缩小阶段三个阶段。
〇
▼
◆
〇 〇
〇
▲ ▼
〇Ti Al ▲Al3Ti ▼TiAl ◆Ti3Al
t=0h
▼
t=0.5h t=1h t=3h t=4h t=10h 20 40 60 80 100
2,
图9
球磨不同时间粉末在450℃保温1h后的XRD图
(b) (a)
图7 不同烧结条件下烧结后的TiAl基合金组织的扫描电镜照片 （a）1250℃保温2h烧结 （b）1300℃保温2.5h烧结
粘性流动
• 晶体粉末烧结早期的粘结，即烧结颈长大， 可看作在表面张力的作用下，颗粒发生类 似粘性液体的流动，结果使系统的总表面 积减小，表面张力所做的功转换成粘性流 动对外散失的能量。
塑性流动
• 烧结颈的形成和长大的过程也可以看成是 金属粉末在表面张力作用下发生塑性变形 的结果。粉末在表面张力作用下产生缓慢 的流动，类似于金属在高温下的蠕变，所 不同的只是表面张力随着烧结的进行逐渐 减小，因此烧结速度逐渐变慢。
(d) (c)
图7 不同烧结条件下烧结后的TiAl基合金组织的扫描电镜照片 （c）1300℃保温6h烧结 （d）1300℃保温8.5h烧结
烧结后处理
• 为进一步提高烧结制品的使用性能、尺寸 和形状精度，烧结后还需对制品进行整形、 机械加工、热处理等后续工序。金属粉末 压坯烧结后进行的处理，叫做后处理。后 处理种类很多，由产品要求来决定。
反应烧结
• Ti、Al扩散反应机理
Al Ti a) TiAl3 TiAl2 TiAl Ti3Al Ti b) TiAl Ti3Al
Al TiAl3 Ti
c)
d)
图8 Ti/Al层片扩散反应过程示意图 a) 反应前 b) 反应初期 c) 反应中期 d) 反应后期
〇 ◆ 〇 ◆ 〇 ▲ ▼ ▼ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ 〇
粉末颗粒的接触和颈长
烧结温度对烧结体性能的影响示意图
烧结时间对烧结体密度的影响
烧结坯达到相同密度时 烧结时间与温度的关系
烧结方法
• 烧结方法大致可以分成两类。在烧结过程中有明显液相 出现的方法被称为液相烧结；而烧结过程中无明显液相 出现的方法被称为固相烧结。在固相烧结中，按烧结体 系组元的多少，可进一步分为单元系烧结和多元系固相 烧结。单元系烧结是指纯金属或化合物在其熔点以下进 行的固相烧结过程，在整个过程中不出现新的组成物和 新相，也不发生凝聚态的改变。而多元系固相烧结则是 指由两种或两种以上组元构成的烧结体系，在低熔点组 分熔点以下进行的固相烧结过程。 • 若根据烧结时有无化学反应，所施加压力高低来分类， 烧结过程还可分为反应烧结、常压烧结、热压烧结和热 等静压烧结等。
烧结热力学
• 总之，烧结前存在于粉末或粉末坯块内的 过剩自由能包括表面能和晶格畸变能，前 者指同气氛接触的颗粒和孔隙的表面自由 能，后者指颗粒内由于存在过剩空位、位 错及内应力所造成的能量增高。表面能比 晶格畸变能小，但是，对烧结过程，特别 是早期阶段，作用较大的主要是表面能。
粉末烧结的扩散理论
合金粉的 固相烧结
100
sintering time 2h sintering time 1h
95
Relative density (%)
90
85
80 750
800
850
900
950
1000
sintering temperature (℃ )
烧结温度和烧结时间对球磨3 h的Cu-Cr复合粉末烧结致密度的影响
图6-3-11 三个球形颗粒烧结模型的示意 a）初始点接触 b）烧结颈长大 c）孔隙球化
粘结阶段
• 烧结初期，颗粒间的原始接触点或面转变 成晶体结合，即通过成核、结晶长大等原 子迁移过程形成烧结颈。在这一阶段中， 颗粒内的晶粒不发生变化，颗粒外形也基 本未变，整个烧结体不发生收缩，密度增 加也极微，但是烧结体的强度和导电性由 于颗粒结合面增大而有明显增加。
1.粉末烧结性与驱动力
Q D D0 exp( ) RT
2.颗粒系统的烧结性与本征热力学驱动力
G GP Gd
G SV[WmSP 6(Wm / )
2/ 3
]
G SVWm SP
DV (2d )
3
1烧结驱动力ຫໍສະໝຸດ 烧结动力学• 烧结过程中，颗粒粘结面上发生的量与质 的变化以及烧结体内孔隙的球化与缩小等 过程都是以物质的迁移为前提的。烧结机 构就是研究烧结过程中各种可能的物质迁 移方式及速率的。烧结时物质迁移的各种 可能的过程如下：①表面扩散 、②体积扩 散 、③晶界扩散 、④粘性流动 、⑤塑性 流动 、⑥蒸发与凝聚 。
烧结颈长大阶段
• 原子向颗粒结合面的大量迁移使烧结颈扩 大，颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙网 络。同时由于晶粒长大，晶界越过孔隙移 动，而被晶界扫过的地方，孔隙大量消失。 烧结体收缩，密度和强度增加是这个阶段 的主要特点。
闭孔隙球化和缩小阶段
• 当烧结体密度达到90%以后，多数孔隙被完 全分隔，闭孔数量大为增加，孔隙形状趋 近球形并不断缩小。在这个阶段，整个烧 结体仍可缓慢收缩，但主要是靠小孔的消 失和孔隙数量的减少来实现。这一阶段可 以延续很长时间，但是仍残留少量的隔离 小孔隙不能消除。