什么是无压烧结工艺？实现复杂零件的均匀密度

简而言之，无压烧结是一种制造工艺，它仅利用热量将粉末压实成固体，而无需施加外部机械压力。材料首先被制成初步形状，通常带有粘合剂，然后放入炉中加热。在低于材料熔点的温度下，粉末颗粒通过原子扩散熔合在一起，减少孔隙率并形成致密的固体零件。

使用无压烧结的核心决定在于一种权衡：它牺牲了辅助加压方法的绝对最高密度和速度，以换取卓越的密度均匀性和最小的内部应力，这对于复杂形状和需要各向同性材料特性的应用至关重要。

无压烧结的工作原理

无压烧结是一个由降低表面能驱动的多阶段热过程。与使用力将颗粒压在一起的方法不同，这种技术完全依赖温度来引发原子级别的键合。

在任何加热发生之前，陶瓷或金属粉末被塑造成所需的形状。这个初始的、易碎的零件被称为“生坯”压件（"green" compact）。

这通常通过冷等静压、注塑成型或流延成型等方法完成。通常会将临时粘合剂（如蜡或聚合物）与粉末混合，以使生坯具有足够的强度以便于搬运。

将生坯放入高温炉中。随着温度的逐渐升高，粘合剂蒸发或烧掉，留下粉末的主要多孔结构。

此阶段必须仔细控制，以防止粘合剂气体逸出时产生缺陷。

随着温度持续上升接近烧结点（低于材料的熔点），粉末颗粒表面的原子变得高度活跃。

这些原子在颗粒之间的边界处迁移，在它们的接触点将它们熔合在一起。这个过程被称为原子扩散，它自然地封闭了颗粒间的孔隙，导致整个零件收缩并增加密度。

陶瓷或金属零件的最终晶粒尺寸和微观结构由加热曲线决定。可以使用不同的技术来控制这一结果：

无压烧结的关键区别在于其完全依赖热量。这与其他常见方法形成了鲜明对比。

诸如热压或放电等离子烧结 (SPS) 等技术在加热的同时施加强大的外部压力。

在这些过程中，含有粉末的石墨模具在加热时会被液压机主动挤压。这种机械力有助于物理上封闭孔隙，并极大地加速致密化过程。

施加外部压力通常会导致更高的最终密度和更快的循环时间。然而，这种力很少是完全均匀的。

这可能导致密度梯度，即零件外部的材料比中心的材料更致密。这会产生内部应力和不一致的材料性能。

无压烧结通过允许零件通过热扩散自然且均匀地收缩，从而避免了这些由压力引起的梯度。

选择无压烧结需要权衡其明显的优势和局限性。

主要好处是能够生产具有高度均匀（各向同性）密度的零件。这对于具有复杂几何形状的部件或那些要求整个部件性能一致的部件至关重要。

虽然高温炉很复杂，但它们通常比在高温下施加和维持极端压力所需的集成系统更简单、成本更低。

仅依靠热扩散比机械地将颗粒压在一起要慢。消除最后残留的孔隙也可能更困难，通常与辅助加压方法可以实现的密度相比，最终密度略低。

并非所有材料都能在没有压力辅助的情况下有效致密化。该工艺在某些材料体系上最为成功，例如某些金属陶瓷复合材料或添加了促进原子扩散的纳米颗粒烧结助剂的粉末。

在无压烧结和辅助加压烧结之间进行选择是一个战略性选择，取决于组件的最终用途要求。

最终，选择正确的烧结方法需要清楚地了解，对于您的特定应用而言，速度和最大密度是否比均匀性和内部完整性更重要。