烧结的最后阶段是该过程的顶峰，在此阶段，粉末压坯（其致密度已达到理论密度的90%以上）进行最终的孔隙消除。在此阶段，中间阶段形成的相互连通的孔隙网络已经坍塌，留下了孤立的球形孔隙。主要目标是收缩和去除这些最后的空隙，以获得几乎完全致密的固体部件，但必须平衡这一目标与快速晶粒生长的风险。
最后阶段烧结的核心挑战是一场与时间的赛跑：你必须消除剩余的孤立孔隙，否则快速的晶粒生长会将这些孔隙困在晶粒内部，从而永久限制部件可达到的最大密度和性能。
从中间阶段到最后阶段：关键的转变
烧结过程是一个连续体，但从中阶段到最后阶段的转变以材料内部结构或微观结构发生重大变化为标志。
中间阶段结构
在过程的中途，颗粒已经熔合，并且已经发生了显著的致密化。其定义特征是沿着晶界延伸的相互连通的圆柱形孔隙网络。在此阶段，密度通常会从大约70%迅速增加到90%以上。
最后阶段的开始
当这些相互连通的孔隙通道收缩并变成孤立的、独立的空隙时，最后阶段就开始了。此时，材料是一个包含离散的、通常是球形的孔隙的固体基体。致密化的速率会大大减慢。
最后阶段的关键机制
由于材料现在大部分是固态的，最后的转变是由微小的原子运动驱动的，这些运动旨在最小化残留在孔隙中的剩余表面能。
孔隙消除和致密化
最终致密化的驱动力是表面能的降低。原子从晶界的高能、弯曲表面扩散到孔隙表面，导致孔隙收缩并最终消失。这种质量传输主要通过晶格扩散发生，这是一种原子通过晶粒自身的晶体结构移动的过程。
晶粒生长的挑战
同时，晶粒倾向于长大以减少晶界总面积，这也降低了系统的能量。这种快速晶粒生长是最后阶段的一个定义性且通常是有问题的特征。
晶界移动的速度可能快于它们所包含的孔隙。如果晶界与孔隙分离，该孔隙就会被困在单个晶粒的内部。
被困孔隙率：限制因素
一旦孔隙被困在晶粒内，就极难去除。消除孔隙所需的扩散路径更长，效率也更低。这种夹带的孔隙率有效地为部件的最终密度设定了上限，这就是控制晶粒生长至关重要的原因。
理解权衡
最后阶段不仅仅是一个被动的过程；它涉及决定部件最终性能的关键权衡。
密度与晶粒尺寸
实现最大密度与保持细小晶粒结构之间存在直接冲突。促进最终孔隙去除的条件（高温、长时间保持）与促进剧烈晶粒生长的条件完全相同。由于较小的晶粒通常能带来更好的机械性能（如强度和韧性），因此必须做出妥协。
液相的作用
在某些工艺中，例如固相烧结液相烧结，存在液态添加剂。在最后阶段，这种液体在毛细管压力下流入最后剩余的孔隙中。这可以有效地填充空隙并加速致密化，通常比固相烧结更容易实现接近完全致密。
目标不总是100%致密
尽管常常是目标，但达到100%理论致密化并非总是必需或可取的。对于许多功能部件而言，最终密度达到95-99%，并带有少量残留的微孔隙率，即可提供所需的性能和尺寸精度。关键是确保这种孔隙率受到控制且无害。
为您的目标做出正确的选择
控制最后阶段对于设计出具有所需微观结构和性能特征的部件至关重要。
- 如果您的主要重点是实现最大密度（>99%）： 您必须仔细管理加热曲线，以使孔隙附着在晶界上，使它们在晶界分离之前收缩。
- 如果您的主要重点是优化机械强度： 您可能需要限制最终烧结温度或时间，或使用晶粒生长抑制剂，以保持细晶粒结构，即使这意味着接受略低的密度。
- 如果您的主要重点是使用液相提高工艺效率： 确保液相具有出色的润湿特性，能够渗透到最终孔隙中，而不会引起部件变形或形成不良的化学相。
掌握烧结的最后阶段在于管理孔隙消除与晶粒生长之间的竞争，以实现部件所需的精确微观结构。
总结表：
| 关键方面 | 描述 |
|---|---|
| 主要目标 | 消除孤立孔隙，实现最大密度（>90%理论值）。 |
| 主要挑战 | 与快速晶粒生长赛跑，晶粒生长会困住孔隙并限制最终密度。 |
| 关键机制 | 通过晶格扩散进行质量传输，以收缩和去除球形孔隙。 |
| 关键权衡 | 在实现高密度和细晶粒尺寸之间取得平衡，以获得最佳机械性能。 |
| 工艺变化 | 液相烧结可以更有效地利用毛细作用力填充孔隙。 |
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