烧结工艺有哪些？固相与液相及加压技术的指南

从核心来看，烧结工艺主要根据两个关键轴进行分类：材料的物理状态（固态与液态）和外力的施加（无压与加压辅助）。尽管存在许多具体技术，例如直接金属激光烧结（DMLS）或热压，但它们都是基于这些基本原理的变体，旨在减少孔隙率并将颗粒粘合形成一个连贯的固体块。

要理解烧结的全貌，需要超越简单的名称列表。关键在于首先问：“是否存在液相？”其次问：“是否施加了外部压力？”回答这两个问题将揭示该工艺的核心机制和权衡。

基本划分：固相与液相

烧结类型之间最显著的区别在于材料在加热过程中是完全保持固态，还是有意引入液相。这种选择决定了最终部件的速度、温度和微观结构。

在固相烧结中，也称为固态烧结，粉末压坯在整个加热周期中完全保持固态。

驱动力是表面能的降低。在高温下，原子在相邻颗粒的边界处扩散，导致它们结合并生长在一起，从而缓慢消除它们之间的孔隙空间。

当材料纯度至关重要时，通常首选此方法，因为无需添加剂来产生液相。

液相烧结涉及在烧结温度下存在少量液相。这种液体通常由熔点低于主粉末材料的添加剂形成。

液体润湿固体颗粒，毛细作用将它们拉在一起，极大地加速了致密化。液体还充当快速传输介质，使材料溶解并重新沉淀，填充剩余的空隙。

与相同材料的固相烧结相比，LPS通常可以在较低温度下更快地进行加工。

第二个主要分类是基于是否将外部压力与热量结合使用。这种选择直接影响最终密度、加工时间和设备成本。

这是最常见和最直接的方法，其中压实的粉末“生坯”在炉子或窑炉中简单加热，不施加任何外部压力。

热量是致密化的唯一驱动力。该技术广泛用于瓷器和其他陶瓷等材料，这些材料不值得高成本和复杂性。

在这种方法中，在加热的同时对粉末压坯施加外部压力。热压是此类的一个主要例子。

热量和压力的结合显著加速了致密化，允许使用较低的温度或较短的循环时间。这使得零件具有更高的密度、更细的晶粒结构和优越的机械性能。

没有一种烧结工艺是普遍优越的。最佳选择取决于材料要求、生产成本和所需最终性能之间的平衡。

无压烧结由于窑炉和炉子的成本较低，因此更简单、更便宜。然而，它可能需要更高的温度和更长的时间才能达到完全致密，这可能导致不希望的晶粒生长或残余孔隙率。

相反，加压辅助烧结可产生卓越的密度和机械性能，但需要复杂、高成本的设备，如热压机。

液相烧结 (LPS) 具有显著的速度优势，并且可以通过降低所需温度来降低能源成本。其权衡是向最终材料中引入了第二相，这必须仔细控制。

固相烧结 (SSS) 生产出更纯净的最终部件，但从根本上说是一种较慢的扩散控制过程，需要更多的时间和热能。

在这些基本原理的基础上，已经开发出几种先进的专业工艺，用于特定的应用。

这是一种增材制造（3D打印）技术。高功率激光扫描金属粉末床，逐层局部熔化并融合颗粒，以构建复杂的零件。

DMLS本质上是一种高度局部化和快速的烧结过程，通常涉及瞬态液相，它允许直接从数字模型创建复杂的金属部件。

这种专业工艺适用于玻璃等无定形材料。致密化不是通过原子扩散发生，而是通过受热颗粒软化并在表面张力作用下流动在一起，就像非常浓稠的液体液滴合并一样。

选择正确的工艺需要将技术能力与项目的主要目标对齐。

最终，有效的材料设计涉及将烧结工艺与材料的独特性能和最终应用的性能要求相匹配。

工艺类别	关键机制	典型应用	主要权衡
固相烧结 (SSS)	原子扩散在没有液相的情况下粘合颗粒。	高纯度陶瓷、技术材料。	过程较慢，纯度较高。
液相烧结 (LPS)	液相通过毛细作用加速粘合。	硬质合金、某些陶瓷。	速度更快，但引入第二相。
无压烧结	仅靠热量在炉中驱动致密化。	瓷器、成本效益高的零件。	更简单、更便宜，但可能存在残余孔隙率。
加压辅助烧结（例如热压）	结合热量和压力以实现快速致密化。	高性能陶瓷、复合材料。	密度更高，但设备成本更高。
专业（例如 DMLS）	基于激光，逐层熔合以形成复杂形状。	金属部件的增材制造。	复杂零件，但需要专业设备。