1、第第19讲讲 第第6章粉末材料及其成形技术章粉末材料及其成形技术 6.3粉末材料及其成形粉末材料及其成形新技术新技术 6.3.1 喷射成形喷射成形 6.3.2 等静压成形等静压成形 6.3.3 粉末材料注射成形粉末材料注射成形原理及应用原理及应用 6.3.4 激光激光快速烧结成形快速烧结成形 6.4 粉末成形料坯的烧结及气体保护粉末成形料坯的烧结及气体保护 16.3粉末材料及其成形新技术粉末材料及其成形新技术典型粉末冶金产品的成形方法及工艺典型粉末冶金产品的成形方法及工艺: : 2n粉末成形新技术主要有：粉末成形新技术主要有：n喷射成形(粉末制备与成形一体化)、n静压成形、n注射成形、n激光快
2、速成形。 3喷射成形原理：喷射成形原理：用高压惰性气体将金属液流雾化成细小液滴，并使其沿喷嘴的轴线方向高速飞行，在这些液滴尚未完全凝固之前，将其沉积到一定形状的接收体上成形。主要特点：主要特点：与传统铸造或变形工艺制备材料相比，由于快速冷却使显微组织明显细化、相析出细小而均匀分布，使材料的化学成分和组织在宏观和微观上都得到了有效的控制，材料的力学性能各向同性，其总体性能明显提高。复合成形复合成形应用：应用：广泛用于高速钢、高温合金、铝合金、铜合金等先进材料的开发和生产上，其中，高性能铝合金是喷射成形技术领域最具吸引力的开发方向。航空航天、国防等领域。6.3.1喷射成形喷射成形：又称为喷射沉积或
3、喷射铸造。它是上世纪八十年代，发达国家在传统的快速凝固快速凝固和和粉末粉末冶金工艺的基础冶金工艺的基础上发展起来的一种全新的先进上发展起来的一种全新的先进材料制备与成形材料制备与成形技术技术。该技术于1972年由英国的Osprey金属公司首获专利，又称为Osprey工艺。4喷射成形喷射成形5喷射成形的组织特征喷射成形的组织特征铸态组织与喷射成形组织比较(Al-20Si) 66.3.2 等静压成形等静压成形借助高压泵的作用把流体介质（气体或液体）压入耐高压的钢质密封容器内，高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉料上，粉料在同一时间内、在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯。有
4、：冷等静压（冷等静压（CIPCIP）和热）和热等静等静压（压（HIPHIP）两种两种。 图620等静压成形示意图7等静压制法等静压制法比普通钢模压制法有下列比普通钢模压制法有下列优点：优点：n1）能够压制具有凹形、空心等复杂形状的零件；n2）压制时，粉末体与弹性模具的相对移动很小，所以摩擦损耗也很小，单位压制压力较钢模压制法低；n3）能够压制各种金属粉末和非金属粉末，压制坯件密度分布均匀，对难熔金属粉末及其化合物尤为有效；n4）压坯强度高，便于加工和运输；n5）冷等静压的模具材料是橡胶和塑料，成本较低；n6）能在较低的温度下制得接近完全致密的材料。 8等静压制法的缺点是等静压制法的缺点是：n1
5、）对压坯尺寸精度的控制和压坯表面的精度都比钢模压制法低；n2）尽管采用干袋式或批量湿袋式的等静压制，生产效率有所提高，但通常其生产效率仍低于自动钢模压制法；n3）所用橡胶或塑料模具的使用寿命比金属模具要短得多。 n冷等静压（CIP），常用水或油作压力介质，故有液静压、水静压或油静压之称；n热等静压（HIP），常用气体（如氩气）作压力介质（高温高压气体），故有气体热等静压之称。 9冷等静压机工作系统示意图冷等静压机工作系统示意图 10冷等静压模具冷等静压模具图6-2211烧结-热等静压：把经模压或冷等静压制的坯块放入热等静压机高压容器内，依次进行脱蜡、烧结和热等静压制，使工件的相对密度接近100
6、%。 图6-23 脱蜡-烧结-热等静压时温度、压力及时间的关系12n航空航天精密铸件：航空航天精密铸件：通常采用热等静压后处理工艺，来封闭铸件内部的缩松、微缩孔；粉末冶金零件热等静压后处理工艺，致密铸件，提高零件强度。13热等静压研究进展热等静压研究进展146.3.3 粉末材料注射成形原理及应用粉末材料注射成形原理及应用 粉末注射成形（Powder Injection Molding, PIM）是一种采用粘结剂固结金属粉末、陶瓷粉末、复合材料、金属化合物的一种特殊成形方法，它是在传统粉末冶金技术基础上，结合塑料工业的注射成形技术而发展起来的一种近净成形（Near-Shaped）技术。PIM工艺
7、主要包括粘结剂与粉末的混合、制粒、注射成形、脱脂及烧结五个步骤。常见的粉末注射成形方法是：金属粉末的注射成形（Metal Powder Injection Molding, MIM）和陶瓷粉末的注射成形（Ceramic Injection Molding, CIM）两种。 15金属粉末的注射成形（MIM）原理及关键技术。图624注射成形示意图1装料斗2注射混合料3转动连轴器4料筒5螺杆6加热器7制品8冷却套9模具10移动模板11液压中心顶杆12活动撑杆13注射液压缸16（1）MIM的基本工艺流程的基本工艺流程 金属粉末粘结剂混炼制粒注射成形料坯件脱脂烧结零件17（2）注射过程自动化框图注射过程
8、自动化框图 图图6-2518（3）MIM技术的特点技术的特点n1）技术优势）技术优势n传统粉末冶金技术相比，MIM技术可以制造前者无者制造的零件，拓宽了粉末冶金的应有用范围。n传统粉末冶金产品大多存在密度不均，造成性差异；而用MIM技术制造的产品具有性能各向同性，组织均匀。n与精密（熔模）铸造相比，MIM的尺寸精度更高、没有铸造的成分偏析。如下表示。 精密铸造MIM最小孔直径（mm）20.4盲孔最大深度（2mm）220最小壁厚（mm）21最大壁厚（mm）104mm直径的公差（mm）0.20.06表面粗糙度Ra （m）5119n 与传统粉末冶金（PM-Powder Metallurgy）技术相比
9、。如下表所示。 粉末粘结剂成形脱脂烧结MIM球形、微细粉大量，提供流动性注射时间长收缩大、均匀、密度高PM粗粉少量，作润滑剂模压时间短收缩小、不均、密度低各种零件制造方法运用范围（模压烧结、粉末注射成形、精密铸造成形） 20）MIM技术的不足技术的不足.采用大量高分子聚合物作粘结剂，提高了粉末的流动性，可以成形杂形状的零件，但粘结剂的脱除却是一个需要严格控制的长时间的过程；.需要采用微细粉作原料，微细粉的价格高；n.小批量生产形状简单的零件，MIM无法取代传统粉末冶金技术导地位；n.受到脱脂的限制，MIM技术难于制造壁厚较大的零件（这一点，也大大地限制了MIM技术的应用）； 21（4）MIM技
10、术关键技术关键nMIM的技术关键是粘结剂技术（包括：粘结剂的制备技术、粘结剂的脱除技术）。n对于特定的粉末要选择恰当的粘结剂体系，且必须保证粘结剂在脱脂阶段快捷、顺利地脱除，使产品在烧结前不出现变形、开裂等缺陷。n粘结剂的配方和脱脂工艺往往是企业或公司的保密核心或受专利保护。 n除粘结剂技术外，脱脂技术、脱脂技术、MIMMIM专用设备技术、零专用设备技术、零件尺寸精度的控制技术等，对件尺寸精度的控制技术等，对MIMMIM零件的性能与精度都零件的性能与精度都有重要影响。（详见教材）有重要影响。（详见教材） 22（5）MIM技术的发展动向技术的发展动向 .粉末共注射成形技术（Powder Co-i
11、njection Molding, PCM）。可以生产出复合材料零部件。.微型注射成形技术（Micro-MIM）。该技术在微（精、细）型制造领域具有巨大的应用前景。 （a） 不锈钢表带扣环 (b) 汽车制动器零件 MIM零件举例 236.3.4 激光快速烧结成形激光快速烧结成形粉末材料的选择性激光烧结（粉末材料的选择性激光烧结（Selective Laser Sintering, Selective Laser Sintering, 简称简称SLSSLS）成形系统如图）成形系统如图6-29所示。属快速成形领域。所示。属快速成形领域。该系统主要由激光器、激光光路系统、扫描镜、工作台、供粉该系统主
12、要由激光器、激光光路系统、扫描镜、工作台、供粉筒、铺粉辊和工作缸等构成。筒、铺粉辊和工作缸等构成。 成形零件升降工作缸图6-29 SLS成形过程的示意图扫描镜装置 激光器激光束铺粉辊工作台面粉末材料扩束聚焦镜24SLS系统的工作过程流程图系统的工作过程流程图NYNY确定所加工的零件选择数据处理方法成型工艺的优化选择工艺准备铺粉扫描扫描完成？工作台下降一层厚成型件加工完毕？结束图6-30 SLS系统的工作过程流程图25用用SLSSLS原型快速铸造金属零件原型快速铸造金属零件 nSLS原型的原材料一般为粉末材料。n当材料为石蜡、塑料等时，制出的SLS 原型用于生产金属零件的方法与SLA原型用来生产
13、金属零件的方法相同。n当材料为金属粉末时，直接烧结成金属零件（目前，直接由SLS烧结成的金属零件在强度和精度上都很难达到理想的结果）。当前用SLS法直接制作金属件的成功方法是，在SLS原型经焙烧后渗入低熔点的金属。n当材料为陶瓷粉末或铸造砂等时，可直接烧结铸造用（陶瓷等材料）壳型来生产各类铸件，甚至是复杂的金属零件。用这种方法直接快速生产各类金属铸件具有很大的实用价值。 26用用SLS方法快速铸造的砂型及铸件方法快速铸造的砂型及铸件 27SLS方法与熔模精密铸造技术翻制铸件方法与熔模精密铸造技术翻制铸件(a) 三维实体 (b) SLS蜡基原型 (c) 由SLS原型翻制的壳型 (d) 铸件图634采用SLS方法与熔模精密铸造技术翻制铸件的过程照片 28nThe End29思考题思考题1. 目前正在进行研究生课程体系修订，研究生需要什么样的课程，谈谈你的看法。2. 谈谈你听完本课程的收获，本课程有哪些不足，可做哪些改进。3. 简述粉末成形的种类及特点。30
