現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展?fàn)恳こ滩牧舷蛑鴱?fù)合化、高性能化、功能化、結(jié)構(gòu)功能一體化和智能化方向發(fā)展，各行業(yè)對(duì)材料的性能提出了越來(lái)越高的要求。在不斷開(kāi)發(fā)新材料的同時(shí)，人們也在不斷地尋求新型材料的制備方法，小型化、自動(dòng)化、精密化、省能源、無(wú)污染的材料制備方法成為人們追求的目標(biāo)。
現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)由于其少切屑，無(wú)切屑及近凈成形的工藝特點(diǎn)，在新材料的制備中發(fā)揮了越來(lái)越大的作用。它的低耗、節(jié)能、節(jié)材，易控制產(chǎn)品孔隙度，易實(shí)現(xiàn)金屬-非金屬?gòu)?fù)合，屬-高分子復(fù)合等特點(diǎn)使其成為制取各種高性能結(jié)構(gòu)材料，特種功能材料和極限條件下工作材料的有效途徑，受到了人們的廣泛關(guān)注。
從現(xiàn)代復(fù)合材料技術(shù)的理論來(lái)看，粉末冶金復(fù)合技術(shù)從微觀上改變了單一材料的性能，依靠擴(kuò)散流動(dòng)使物質(zhì)發(fā)生遷移，同時(shí)原材料的晶體組織發(fā)生變化，最終“優(yōu)育”出高性能的復(fù)合材料。而燒結(jié)作為粉末冶金生產(chǎn)過(guò)程中最重要的工序，一直以來(lái)是人們研究的重點(diǎn)，各種促進(jìn)燒結(jié)的方法不斷涌現(xiàn)，對(duì)改進(jìn)燒結(jié)工藝，提高粉末冶金制品的力學(xué)性能，降低物質(zhì)與能源消耗，起了積極的作用。本文簡(jiǎn)單介紹近幾年出現(xiàn)的幾種燒結(jié)新技術(shù)，以期反映粉末冶金在高技術(shù)領(lǐng)域所起的重要作用。
1，放電等離子體燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，SPS)
放電等離子體燒結(jié)(SPS)也稱作等離子體活化燒結(jié)(Plasma Activated Sintering，PAS)或脈沖電流熱壓燒結(jié)(Pulse Current Pressure Sintering)，是自90年代以來(lái)國(guó)外開(kāi)始研究的一種快速燒結(jié)新工藝。由于它融等離子體活化，熱壓，電阻加熱為一體，具有燒結(jié)時(shí)間短，溫度控制準(zhǔn)確，易自動(dòng)化，燒結(jié)樣品顆粒均勻，致密度高等優(yōu)點(diǎn)，僅在幾分鐘之內(nèi)就使燒結(jié)產(chǎn)品的相對(duì)理論密度接近100%，而且能抑制樣品顆粒的長(zhǎng)大，提高材料的各種性能，因而在材料處理過(guò)程中充分顯示了優(yōu)越性。
將瞬間、斷續(xù)、高能脈沖電流通人裝有粉末的模具上，在粉末顆粒間即可產(chǎn)生等離子放電，由于等離子體是一種高活性離子化的電導(dǎo)氣體，因此，等離子體能迅速消除粉末顆粒表面吸附的雜質(zhì)和氣體，并加快物質(zhì)高速度的擴(kuò)散和遷移，導(dǎo)致粉末的凈化、活化、均化等效應(yīng)。第三代SPS設(shè)備采用的是開(kāi)關(guān)直流脈沖電源，在50 Hz供電電源下，發(fā)生一個(gè)脈沖的時(shí)間為312 ms，由于強(qiáng)脈沖電流加在粉末顆粒間，即可產(chǎn)生諸多有利于快速燒結(jié)的效應(yīng)。首先，由于脈沖放電產(chǎn)生的放電沖擊 3波以及電子，離子在電場(chǎng)中反方向的高速流動(dòng)，可使粉末吸附的氣體逸散，粉末表面的起始氧化膜在一定程度上可被擊穿，使粉末得以凈化、活化;其次，由于脈沖是瞬間、斷續(xù)、高頻率發(fā)生，在粉末顆粒未接觸部位產(chǎn)生的放電熱，以及粉末顆粒接觸部位產(chǎn)生的焦耳熱，都大大促進(jìn)了粉末顆粒原子的擴(kuò)散，其擴(kuò)散系數(shù)比通常熱壓條件下的要大得多，而達(dá)到粉末燒結(jié)的快速化;最后，開(kāi)關(guān)快速脈沖的加入，無(wú)論是粉末內(nèi)的放電部位還是產(chǎn)生焦耳熱部位，都會(huì)快速移動(dòng)，使粉末的燒結(jié)能夠均勻化。
2，微波燒結(jié)(Microwave Sintering)
微波燒結(jié)是一種利用微波加熱來(lái)對(duì)材料進(jìn)行燒結(jié)的方法。微波燒結(jié)技術(shù)是利用材料吸收微波能轉(zhuǎn)化為內(nèi)部分子的動(dòng)能和熱能，使得材料整體均勻加熱至一定溫度而實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)的一種方法，是快速制備高質(zhì)量的新材料和制備具有新的性能的傳統(tǒng)材料的重要技術(shù)手段。同常規(guī)燒結(jié)方法相比，微波燒結(jié)具有快速加熱，燒結(jié)溫度低，細(xì)化材料組織，改進(jìn)材料性能，安全無(wú)污染以及高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，因而被稱為新一代燒結(jié)方法。與傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝生產(chǎn)的工件相比，用微波燒結(jié)制成的工件具有較高的密度、硬度和強(qiáng)韌性。短時(shí)間燒結(jié)產(chǎn)生均勻的細(xì)晶粒顯微結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙很少，孔隙形狀比傳統(tǒng)燒結(jié)的圓，因而具有更好的延展性和韌性。微波加熱能使工件加熱均勻，加熱速度可以高達(dá)1500/℃分鐘，對(duì)某些材料甚至可以以很少的輸入能量實(shí)現(xiàn)2000℃以上的高溫。由于微波對(duì)大多數(shù)粉末陶瓷材料有很大的穿透性，可以均勻地加熱工件，減小高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中的溫度梯度，從而降低由膨脹不均勻產(chǎn)生的材料變形，使迅速升溫成為可能，而且在高溫下停留的時(shí)間可以大幅度縮短，抑制晶粒的長(zhǎng)大，改善材料的物理，力學(xué)性能。微波燒結(jié)始于上世紀(jì)70年代，到目前為止，許多氧化物和非氧化物，從低損耗陶瓷(如Y—A1203)到高損耗陶瓷 (如SiC、TiB2和BC)等的微波燒結(jié)均見(jiàn)報(bào)道。
3，電場(chǎng)活化燒結(jié)(Field activated sintering tech—nique，FAST)
電場(chǎng)活化燒結(jié)技術(shù)在燒結(jié)時(shí)要施加電場(chǎng)。它有許多優(yōu)點(diǎn):經(jīng)電場(chǎng)活化燒結(jié)后，顯微結(jié)構(gòu)可以細(xì)化，并可提高鋼的淬透性。在粉末燒結(jié)中，施加電場(chǎng)可固結(jié)難以燒結(jié)的粉末，它比傳統(tǒng)燒結(jié)溫度低，時(shí)間短，但燒結(jié)制品密度高，質(zhì)量好而且生產(chǎn)率高。它是通過(guò)施加斷續(xù)的低電壓(～30 V)和高電流(>600 A)來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖放電的。脈沖放電后再施加直流電。脈沖放電與施加直流電也可同時(shí)進(jìn)行。施加的壓力可以是恒定的，也可以是可變的。
從裝粉到脫模，整個(gè)過(guò)程不到10 min就可以完成。一般來(lái)說(shuō)，不需要添加劑或粘結(jié)劑，也不需要事先冷壓。在大多數(shù)情況下，燒結(jié)是在空氣中進(jìn)行的，不需要可控氣氛或事先粉末脫氣。FAST致密化已用于液相或固相燒結(jié)的導(dǎo)電材料，超導(dǎo)材料，絕緣材料，復(fù)合材料及功能梯度材料等，也可用于同時(shí)致密化與合成化合物。
4，金屬粉末選擇性激光燒結(jié)成形(Selective lasersintering， 5SLS)
選擇性激光燒結(jié)成形(SLS)是應(yīng)用分層制造方法，以固體粉末材料直接成形三維實(shí)體零件，不受材料種類的限制，不受零件形狀復(fù)雜程度的限制。其工藝是首先在計(jì)算機(jī)上完成符合
需要的三維CAD模型，再用分層軟件對(duì)模型進(jìn)行分層，得到每層的截面，采用自動(dòng)控制技術(shù)，使激光有選擇地?zé)Y(jié)出與計(jì)算機(jī)內(nèi)零件截面相對(duì)應(yīng)部分的粉末，使粉末經(jīng)燒結(jié)熔化、冷卻、凝固、成形。完成一層燒結(jié)后再進(jìn)行下一層燒結(jié)，且兩層之間燒結(jié)相連。如此層層燒結(jié)，堆積，結(jié)果燒結(jié)部分恰好是與CAD原型一致的實(shí)體，而未燒結(jié)部分則是松散粉末，可以起到支撐的作用，并在最后很容易清理掉。可供選區(qū)燒結(jié)的材料非常廣泛，有石蠟粉、塑料粉、金屬粉和陶瓷粉等。金屬粉末的選區(qū)激光燒結(jié)是目前選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)的研究重點(diǎn)，金屬粉末在激光燒結(jié)成型所得到的零件只是一種坯體，其機(jī)械性能和熱學(xué)性能還需通過(guò)后處理進(jìn)一步提高。
利用金屬粉末進(jìn)行選區(qū)激光燒結(jié)成形是一個(gè)很有發(fā)展前途的工藝方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。由于激光燒結(jié)金屬粉末是一個(gè)復(fù)雜的工藝過(guò)程，燒結(jié)難度較大，激光功率、掃描速度、掃描方式等都對(duì)燒結(jié)精度有影響，直接制造出高精度的金屬零件是激光快速成形追求的目標(biāo)。
5，熱振蕩活化燒結(jié)(Heat shock activated sinter—ing，HSAS)
2003年，西安交通大學(xué)柴東朗課題組在原位觀察 6A1—10Mg二元純金屬粉末體系的燒結(jié)過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)，普通電阻加熱形成的波動(dòng)溫度場(chǎng)對(duì)燒結(jié)具有熱振蕩活化效應(yīng)，能較大程度上提高鎂顆粒在鋁基體中的熔化速度，波動(dòng)溫度場(chǎng)的燒結(jié)過(guò)程要比恒溫場(chǎng)短很多。由于利用電阻加熱的傳統(tǒng)燒結(jié)工藝有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，這對(duì)充分發(fā)揮現(xiàn)有的燒結(jié)設(shè)備的工作潛力，提高設(shè)備的工作效率都有直接的指導(dǎo)意義，從而可以改善燒結(jié)體的質(zhì)量，提高粉末冶金的生產(chǎn)效率，以及節(jié)約能源和降低新設(shè)備投入等等。
粉末冶金燒結(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜形狀零件的高精度，批量化生產(chǎn)，其成品率高，加工能耗少。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，粉末冶金燒結(jié)工藝還會(huì)有更快速的發(fā)展，各種燒結(jié)新工藝將不斷面世，推動(dòng)社會(huì)科技的進(jìn)步。
近年來(lái)，粉末冶金新技術(shù)，新工藝不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)。德國(guó)正在研究微金屬注射成形與微陶瓷注射成形技術(shù)，最小的微金屬注射成形件尺寸僅為50~tm，比傳統(tǒng)粉末注射成形技術(shù)制得的部件更小，促進(jìn)了微型系統(tǒng)制造技術(shù)的發(fā)展。多相噴射固結(jié)法也是一種新的自由成形技術(shù)，可用于制造生物醫(yī)學(xué)零件，利用多相噴射固結(jié)法，根據(jù)CT掃描得到的假體的三維描述，就可以制造出通常外科所需零件，而無(wú)需開(kāi)刀去實(shí)際測(cè)量。將金屬粉或陶瓷粉與粘結(jié)劑混合，形成均勻混合料，將這些混合料按技術(shù)要求進(jìn)行噴射，一層一層地形成一個(gè)零件，在部件形成之后，其中的粘結(jié)相用化學(xué)法或者加熱去除，而后燒結(jié)到最終密度。另一項(xiàng)粉末冶金新技術(shù)是美國(guó)麻省理工學(xué)院發(fā)明的三維印刷法，該法是根據(jù)印刷技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，將粘結(jié)劑精確沉積到一層金屬粉末上，這樣反復(fù)逐層印刷，直至達(dá)到最終的幾何形狀，由此便得到一個(gè)生坯件。生坯件經(jīng)燒結(jié)并在爐中熔滲，可達(dá)到全密度。
隨著新材料的不斷開(kāi)發(fā)特別是新材料制備技術(shù)的飛速發(fā)展，粉末冶金制品越來(lái)越多地應(yīng)用于各行各業(yè)中，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，粉末冶金新技術(shù)層出不窮。我國(guó)的粉末冶金工業(yè)在產(chǎn)品數(shù)量，質(zhì)量與技術(shù)方面與先進(jìn)國(guó)家相比，尚有不小差距。因此，我們應(yīng)及時(shí)了解與掌握不斷出現(xiàn)的新技術(shù)，同時(shí)開(kāi)發(fā)我們自己的新技術(shù)。
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