从本质上讲，烧结是一种热过程，它在不熔化的情况下将压实的粉末转变为致密的固体物体。该过程首先加热压实的“生坯”，以烧掉任何残留的粘结剂，然后将温度升高到原子开始在颗粒之间扩散的点。这种原子运动会形成键，将颗粒拉在一起，消除它们之间的空隙，并导致整个部件收缩并致密化成固体块。
烧结不应被视为简单的熔化和熔合。它是一个复杂的多阶段过程，由表面能驱动的原子传输系统地消除孔隙率，从而将易碎的粉末压块转化为坚固的工程部件。
初始阶段：准备粉末压块
在主要转变发生之前，必须通过压实和清洁对部件进行适当准备。这个初始阶段为成功的致密化奠定了基础。
形成“生坯”
该过程从收集细小的金属或陶瓷粉末开始。将这些粉末在高压下压入模具中，形成“生坯”——一个具有所需形状但机械强度低、孔隙率高的易碎部件。
粘结剂烧除（脱粘）
然后，在受控气氛的炉中缓慢加热生坯。这种在相对较低温度下的初始加热旨在烧掉压实过程中使用的有机粘结剂和润滑剂。此阶段后的部件通常称为“灰坯”。
核心转变：原子扩散和致密化
这是烧结过程的核心，松散的粉末结构在此转化为固体材料。它发生在由温度、时间和材料固有的降低表面能的愿望驱动的重叠阶段中。
初始阶段：颈部形成
随着温度进一步升高（但仍低于材料的熔点），一个关键现象开始发生。单个粉末颗粒接触点处的原子变得具有移动性，并开始跨边界扩散。这会在颗粒之间形成小的桥梁或“颈部”，这一过程称为扩散键合。颗粒现在物理上连接在一起了。
中间阶段：孔道闭合
随着在高温下持续时间增加，颈部会变大。这种原子运动使颗粒中心彼此靠近，导致孔隙体积显着减小。相互连接的孔隙网络坍塌成一个由更小、孤立且更圆的空隙组成的系统。这是发生大部分致密化和收缩的阶段。
最终阶段：孔隙消除
在最后阶段，材料已经是一个主要由孤立的球形孔隙组成的固体块。现在的主要机制是原子沿着晶界缓慢扩散到这些内部孔隙的表面。在表面张力的驱动下，这个过程重新分配质量以填充剩余的空隙，进一步增加密度。
理解权衡和后果
烧结并非一个完美的过程，它涉及必须加以管理以实现所需材料性能的关键权衡。
收缩和尺寸控制
孔隙率的消除是物理上消除空隙，这意味着部件不可避免地会收缩。这种收缩可能很大，体积上通常约为 20%。必须在模具的初始设计中考虑到这种变化，对于高精度部件，通常需要进行后烧结校准或定径步骤。
晶粒长大与致密化
温度同时驱动致密化（良好）和晶粒长大（有时是不希望的）。如果晶粒过快地长大，它们可能会扫过并隔离晶粒内部的孔隙，使得去除它们变得极其困难。烧结的一个关键挑战是在控制最终晶粒尺寸的同时最大化密度，因为这对强度和韧性等机械性能有很大影响。
固相烧结与液相烧结
上述过程是固相烧结。另一种方法是液相烧结，其中添加剂在烧结温度下产生少量液体。这种液相可以通过流入孔隙来加速致密化，但如果控制不当，它也可能导致更多的晶粒长大或部件变形。
根据您的目标做出正确的选择
控制烧结过程可以使您定制部件的最终性能。您的主要目标将决定您的重点。
- 如果您的主要重点是最大密度： 您必须优化烧结的最后阶段，使用正确的高温、时间和气氛控制组合来消除孔隙率的最后痕迹。
- 如果您的主要重点是尺寸精度： 您必须从高度一致的粉末和均匀的生坯密度开始，精确预测收缩，并计划进行后烧结校准或机加工。
- 如果您的主要重点是机械强度： 您必须仔细平衡致密化过程与晶粒长大，通常使用较低的温度和较长的时间来实现细晶粒、完全致密的微观结构。
最终，掌握烧结在于理解和控制将简单粉末构建成固体部件的原子级变化。
摘要表：
| 烧结阶段 | 关键事件 | 主要结果 |
|---|---|---|
| 初始阶段 | 通过原子扩散形成颈部 | 颗粒键合，部件获得初始强度 |
| 中间阶段 | 孔道闭合 | 发生主要收缩和致密化 |
| 最终阶段 | 孤立孔隙消除 | 部件达到接近理论密度 |
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