1、12主要内容主要内容n高压科学的重要意义高压科学的重要意义n高压科学与技术的发展高压科学与技术的发展34（1）压力的单位Pa (帕斯卡帕斯卡)是国际压力单位是国际压力单位 (1N/m2 )1MPa106 Pa，1GPa109 Pabar (巴巴)是常用压力单位是常用压力单位 (=106dyn/cm2)atm (大气压大气压)称为标准大气压称为标准大气压=1.013105 Pa1bar105Pa0.9869atm1bar1atm 10kbar=1GPa5（2）高压：12（15）kbar P 5 GPa（3）不同领域对“高压”的含义理解 传统生物学：100-102 bar 深海火山口细菌： 102
2、-103 bar 分子生物学： 102-103 bar 化学材料科学 物理学： 100-102 GPa102-103 bar （水热溶剂热）6（4）高压物理学： 研究凝聚态物质在高压这一极端条件下的力、热、光、电等物理性质及状态的变化规律的学科。（5）高压下，物理学与化学在很大程度上是密不可分的，物质的电子状态，能带结构的改变必然引起其化学性质的变化，而物质的高压相变本身就是复杂的物理-化学过程。72. 压力的效应 是指在压力的作用下，物质的结构和性质发生改变的现象。 在压力的作用下，物质的状态、晶格结构和电子结构发生变化，有些还会以新的高压相存在着，这些高压相可能具有新的优异性能。8例1.
3、压力P是与温度T同样重要的热力学参数n压力与温度、组分是任何体系的三个独立物理参量，压力的作用是任何其它手段无法代替的n压力可改变物质内部的各种相互作用，改变物质的结构和性质n出现高密度态和新的高压相，在百万巴下每种物质平均出现5个相变n在高压下以新的基态存在，出现了异于周期表的新价态，产生奇异的化学反应n对于验证理论模型和发展新理论提供有效的手段物质物质科学科学PTX9例1. 高温高压（HPHT）技术是合成新材料的有效手段，表明高压科学研究成果具有重大的实际应用价值和技术价值。10例3. 在高压作用下，物质会发生结构形态的改变；原为液态的物质会凝固结晶；原为晶态的物质可能发生晶体结构或电子结
4、构的变化，在很高压力下，半导体、绝缘体甚至一些分子固体都可能进入金属态。 金属氢的研究是这个方面一个典型的例子111213.+.+D.+.+141516171819Bridgman对高压物理的贡献对高压物理的贡献20超高压物理研究的历史超高压物理研究的历史1941年，年，Bridgman开始高压金刚石的合成实验开始高压金刚石的合成实验 。Coes首次合成出了科石英首次合成出了科石英(Coesite)及其它硅酸盐矿物。柯石及其它硅酸盐矿物。柯石英是英是SiO2的高密度相，即高压相。的高密度相，即高压相。1955年，美国通用电气公司的年，美国通用电气公司的Bundy, Hall, Strong,
5、Wentof等等人，及瑞典人，及瑞典ASEA公司的研究人员首次合成出人造金刚石。公司的研究人员首次合成出人造金刚石。Wentof合成了硬度仅次于金刚石的超硬材料立方氮化硼合成了硬度仅次于金刚石的超硬材料立方氮化硼(BN)。哈佛大学于哈佛大学于1933年启动地球物理科学方面的一项研究计划，年启动地球物理科学方面的一项研究计划，1952年年Birch发表了发表了“地球内部的弹性和组成地球内部的弹性和组成”的论文。的论文。美国美国Carnegie地球物理实验室创立于地球物理实验室创立于1907年，设计了最初的年，设计了最初的高压釜，奠定了水热合成法的基础，研究了高温高压下的相高压釜，奠定了水热合成法
6、的基础，研究了高温高压下的相平衡、花岗岩的形成机理。平衡、花岗岩的形成机理。21超高压物理研究的历史超高压物理研究的历史美国芝加哥大学的美国芝加哥大学的Lawson和汤定元设计了最早的一台金刚石和汤定元设计了最早的一台金刚石压腔装置，称为金刚石釜压腔装置，称为金刚石釜(Diamond Bomb)，腔体压力达到，腔体压力达到3GPa，可以进行，可以进行X射线研究。射线研究。美国国家标准局美国国家标准局NBS（现美国国家标准技术研究所（现美国国家标准技术研究所NIST的前身）的前身）对高压物理学的发展产生了两大重要贡献：对高压物理学的发展产生了两大重要贡献：对 金 刚 石压 腔 的 设 计进 行
7、了 重 大 改 进 ，对 金 刚 石压 腔 的 设 计进 行 了 重 大 改 进 ， 1958年年 Weir, Valkenberg, Lippincott, Bunting共同设计了现代金刚石对顶共同设计了现代金刚石对顶砧压机砧压机(Diamond Anvil Cell-DAC)的原型，用该高压光学装置的原型，用该高压光学装置首次观测了偏光显微镜下的结晶形态、进行了红外光谱测量。首次观测了偏光显微镜下的结晶形态、进行了红外光谱测量。Block等人发现了红宝石荧光等人发现了红宝石荧光R线随压力而发生线性位移的现象，线随压力而发生线性位移的现象，可利用该现象标定相当高的压力。可利用该现象标定相当
8、高的压力。22压力的历史发展压力的历史发展Mao, Bell:172GPa (1978)Bell, Mao:185GPa (1979)Bell, Xu et.al.:280GPa (1986)Xu, Mao et.al.:550GPa (1986)Narayana et.al.342GPa Nature(1998)23 固体地球科学固体地球科学 凝聚态物理、化学和材料科学凝聚态物理、化学和材料科学 生命科学与生物技术生命科学与生物技术高压物理研究的应用领域高压物理研究的应用领域24 AIRAPT国际会议：每国际会议：每2年举行一次年举行一次 1985年后的会议上颁发年后的会议上颁发Bridgm
9、an高压科学杰出贡献奖高压科学杰出贡献奖国际高压物理学研究历史发展国际高压物理学研究历史发展25AIRAPT-18 (2001,北京北京)国际高压科学国际高压科学与技术会议与技术会议26EPHRG2002“High Pressure Research Across the Sciences ”27 国际高压物理研究现状国际高压物理研究现状28张绍忠张绍忠曾留学哈佛大学（曾留学哈佛大学（1925-1927），师从，师从Bridgman全国第一届高压物理学术研讨会是全国第一届高压物理学术研讨会是1978年在广州召开年在广州召开物理所与高能所合作建立了同步辐射高压站物理所与高能所合作建立了同步辐射高
10、压站 物理所利用物理所利用DAC技术获得了技术获得了180GPa的最高压力的最高压力 (1989)“中国高压科学在中国高压科学在21世纪初叶的发展前景世纪初叶的发展前景”香山会议香山会议 (2000)2001年成立高压研究中心年成立高压研究中心毛河光获得了毛河光获得了2002年度年度“中国政府友谊奖中国政府友谊奖”国内高压物理研究历史国内高压物理研究历史吉林大学吉林大学(超硬材料国家重点实验室超硬材料国家重点实验室) 中科院各研究所：物理所、高能所、理化技术所原感光中科院各研究所：物理所、高能所、理化技术所原感光所、化学所、生化所、地物所、贵州和广州地化所所、化学所、生化所、地物所、贵州和广州
11、地化所西南交大、燕山大学、四川大学西南交大、燕山大学、四川大学中国工程物理研究院流体物理所、国家地震局地质研究所中国工程物理研究院流体物理所、国家地震局地质研究所超高压在压力加工中的应用30热压烧结的发展热压烧结的发展热压烧结的原理热压烧结的原理热压烧结工艺热压烧结工艺热压烧结应用实例热压烧结应用实例 1 2 3 4 31热压烧结的发展l 1826 1826年索波列夫斯基首次利用常温压力烧结的方法得到年索波列夫斯基首次利用常温压力烧结的方法得到了白金。而热压技术已经有了白金。而热压技术已经有7070年的历史，热压是粉末冶金年的历史，热压是粉末冶金发展和应用较早的一种热成形技术。发展和应用较早的
12、一种热成形技术。l 1912 1912年，德国发表了用热压将钨粉和碳化钨粉制造致密年，德国发表了用热压将钨粉和碳化钨粉制造致密件的专利。件的专利。l 1926 192619271927年，德国将热压技术用于制造硬质合金。年，德国将热压技术用于制造硬质合金。l 从从19301930年起，热压更快地发展起来，主要应用于大型硬年起，热压更快地发展起来，主要应用于大型硬质合金制品、难熔化合物和现代陶瓷等方面。质合金制品、难熔化合物和现代陶瓷等方面。32热压烧结优点热压烧结优点：许多陶瓷粉体许多陶瓷粉体( (或素坯或素坯) )在在烧结过程中，由于烧结温度的提高和烧结烧结过程中，由于烧结温度的提高和烧结时
13、间的延长，而导致晶粒长大。与陶瓷无时间的延长，而导致晶粒长大。与陶瓷无压烧结相比，热压烧结能降低烧结和缩短压烧结相比，热压烧结能降低烧结和缩短烧结时间，可获得细晶粒的陶瓷材料。烧结时间，可获得细晶粒的陶瓷材料。33热压烧结的原理v 7.2.1 热压烧结的概念v 7.2.2 热压烧结的原理v 7.2.3 热压烧结的适用范围34热压烧结的概念 烧结烧结是陶瓷生坯在高温下的是陶瓷生坯在高温下的致密化过程和现象致密化过程和现象的总称。的总称。 随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒相互随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒相互键联，晶粒长大，空隙键联，晶粒长大，空隙( (气孔气孔) )和晶界渐趋减少，通和
14、晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为坚硬的只有某种显微结构的多晶烧结体，这种现为坚硬的只有某种显微结构的多晶烧结体，这种现象称为象称为烧结烧结。烧结是减少成型体中气孔，增强颗粒。烧结是减少成型体中气孔，增强颗粒之间结合，提高机械强度的工艺过程。之间结合，提高机械强度的工艺过程。35固相烧结固相烧结是指松散的粉末或经压制具有一定形是指松散的粉末或经压制具有一定形状的粉末压坯被置于不超过其熔点的设定温度状的粉末压坯被置于不超过其熔点的设定温度中在一定的气氛保护下，保温一段时间的操作中在一定的气氛保护下，保温一段时间的操作过程。过
15、程。所设定的温度为所设定的温度为烧结温度烧结温度，所用的气氛称为，所用的气氛称为烧烧结气氛结气氛，所用的保温时间称为，所用的保温时间称为烧结时间烧结时间。36不加不加压烧结压烧结加加压烧结压烧结烧结过程可以分为两大类烧结过程可以分为两大类：37热压热压是指在对置于限定形状的石墨模具中的松散粉末或对是指在对置于限定形状的石墨模具中的松散粉末或对粉末压坯加热的同时对其施加单袖压力的烧结过程。粉末压坯加热的同时对其施加单袖压力的烧结过程。热压的优点热压的优点：u 热压时，由于粉料处于热塑性状态，形变阻力小，易于热压时，由于粉料处于热塑性状态，形变阻力小，易于塑性流动和致密化，因此，所需的成型压力仅为
16、冷压法的塑性流动和致密化，因此，所需的成型压力仅为冷压法的1/101/10，可以成型大尺寸的，可以成型大尺寸的A1A12 2O O3 3、BeOBeO、BNBN和和TiBTiB2 2等产品。等产品。u 由于同时加温、加压，有助于粉末颗粒的接触和扩散、由于同时加温、加压，有助于粉末颗粒的接触和扩散、流动等传质过程，降低烧结温度和缩短烧结时间，因而抑制流动等传质过程，降低烧结温度和缩短烧结时间，因而抑制了晶粒的长大。了晶粒的长大。38u 热压法容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的烧结热压法容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的烧结体，容易得到细晶粒的组织，容易实现晶体的取向效应和体，容易得到细晶
17、粒的组织，容易实现晶体的取向效应和控制台有高蒸气压成分纳系统的组成变化，因而容易得到控制台有高蒸气压成分纳系统的组成变化，因而容易得到具有良好机械性能、电学性能的产品。具有良好机械性能、电学性能的产品。u 能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品。能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品。热压的优点热压的优点： 热压法的缺点是生产率低、成本高。热压法的缺点是生产率低、成本高。391固体粉末烧结的过程和特点固体粉末烧结的过程和特点l在热力学上，所谓烧结是指在热力学上，所谓烧结是指系统总能量减少系统总能量减少的过程。的过程。l 坯体烧结后在宏观上的变化是：坯体烧结后在宏观上的变化是：体积收缩体积收缩，致密度致
18、密度提高提高，强度增加强度增加l因此烧结程度可以用因此烧结程度可以用坯体收缩率坯体收缩率、气孔率气孔率或或体积密度体积密度与与理论密度理论密度之比等来表征之比等来表征。热压烧结的原理40 一般烧结过程，总伴随着气孔率的降低，颗粒总表一般烧结过程，总伴随着气孔率的降低，颗粒总表面积减少，表面自由能减少及与其相联系的晶粒长大面积减少，表面自由能减少及与其相联系的晶粒长大等变化，可根据其变化特点来划分烧结阶段。等变化，可根据其变化特点来划分烧结阶段。烧结初期烧结初期烧结中期烧结中期烧结后期烧结后期41烧结初期 随着烧结温度的提高和时间的延长，开始产生颗粒间的键合和随着烧结温度的提高和时间的延长，开始
19、产生颗粒间的键合和重排过程，这时粒子因重排而相互靠拢，大空隙逐渐消失，气孔的重排过程，这时粒子因重排而相互靠拢，大空隙逐渐消失，气孔的总体积迅速减少，但颗粒间仍以点接触为主，总表面积并没减小。总体积迅速减少，但颗粒间仍以点接触为主，总表面积并没减小。 粉料在外部压力作用下，形成一定形状的、粉料在外部压力作用下，形成一定形状的、具有一定机械强度的多孔坯体。烧结前成型体中具有一定机械强度的多孔坯体。烧结前成型体中颗粒间接触有的波此以点接触，有的则相互分开颗粒间接触有的波此以点接触，有的则相互分开，保留着较多的空隙，如图，保留着较多的空隙，如图7.1(a)7.1(a)。图图7.1 7.1 不同烧结阶
20、段晶粒排列过程示意图不同烧结阶段晶粒排列过程示意图42烧结中期 开始有明显的传质过程。颗粒间由点接触逐渐扩大为开始有明显的传质过程。颗粒间由点接触逐渐扩大为面接触，粒界面积增加，固面接触，粒界面积增加，固- -气表面积相应减少，但气孔仍气表面积相应减少，但气孔仍然是联通的，此阶段晶界移动比较容易。在表面能减少的然是联通的，此阶段晶界移动比较容易。在表面能减少的推动力下，相对密度迅速增大，粉粒重排、晶界滑移引起推动力下，相对密度迅速增大，粉粒重排、晶界滑移引起的局部碎裂或塑性流动传质，物质通过不同的扩散途径向的局部碎裂或塑性流动传质，物质通过不同的扩散途径向颗粒间的颈部和气孔部位填空，使颈部渐渐
21、长大，并逐步颗粒间的颈部和气孔部位填空，使颈部渐渐长大，并逐步减少气孔所占的体积，细小的颗粒之间开始逐渐形成晶界，减少气孔所占的体积，细小的颗粒之间开始逐渐形成晶界，并不断扩大晶界的面积，使坯体变得致密化。并不断扩大晶界的面积，使坯体变得致密化。 43 随着传质的继续，粒界进一步发育扩大，气孔则逐随着传质的继续，粒界进一步发育扩大，气孔则逐渐缩小和变形，最终转变成孤立的闭气孔。与此同时颗渐缩小和变形，最终转变成孤立的闭气孔。与此同时颗粒粒界开始移动，粒子长大，气孔逐渐迁移到粒界上消粒粒界开始移动，粒子长大，气孔逐渐迁移到粒界上消失，但深入晶粒内部的气孔则排除比较难。烧结体致密失，但深入晶粒内部
22、的气孔则排除比较难。烧结体致密度提高，坯体可以达到理论密度的度提高，坯体可以达到理论密度的95%95%左右。左右。烧结后期44 采用真空热压烧结是一个技术进步采用真空热压烧结是一个技术进步, ,应有广阔的市场需应有广阔的市场需要，其应用领域有：要，其应用领域有：(1)(1)工具类工具类：金刚石及立方氮化硼制品：硬质合金制品：金刚石及立方氮化硼制品：硬质合金制品; ;金金属陶瓷、粉末高速钢制品。属陶瓷、粉末高速钢制品。(2)(2)电工类电工类：软磁、硬磁、高温磁性材料；铁氧体、电触头：软磁、硬磁、高温磁性材料；铁氧体、电触头材料、金属电热材料、电真空材料。材料、金属电热材料、电真空材料。(3)(
23、3)特种材料类特种材料类：粉末超合金、氧化物弥散强化材料、碳：粉末超合金、氧化物弥散强化材料、碳( (硼、氮硼、氮) )化物弥散强化材料、纤维强化材料、高纯度耐热化物弥散强化材料、纤维强化材料、高纯度耐热金属金属( (钽、铌、钼、钨、铍钽、铌、钼、钨、铍) )与合金、复合金属等。与合金、复合金属等。(4)(4)机械零件类机械零件类：广泛应用于汽车、飞机、轮船、农机、办：广泛应用于汽车、飞机、轮船、农机、办公机械、液压件、机床、家电等领域。特别是耐磨与易损公机械、液压件、机床、家电等领域。特别是耐磨与易损的关键零件。的关键零件。45热压烧结工艺 热压烧结生产工艺种类真空热压 气氛热压震动热压均衡
24、热压热等静压反应热压超高压烧结46真空和气氛热压1 对于空气中很难烧结的制品对于空气中很难烧结的制品( (如透光体或非氧化物如透光体或非氧化物) )，为防止其氧化等，研究了气氛烧结方法。即在炉膛内通为防止其氧化等，研究了气氛烧结方法。即在炉膛内通入一定气体，形成所要求的气氛，在此气氛下进行烧结。入一定气体，形成所要求的气氛，在此气氛下进行烧结。而真空热压则是将炉膛内抽成真空。而真空热压则是将炉膛内抽成真空。 先进陶瓷中引人注目的先进陶瓷中引人注目的SiSi3 3N N4 4、SiCSiC等非氧化物，由等非氧化物，由于在高温下易被氧化，因而在氮及惰性气体中进行烧结。于在高温下易被氧化，因而在氮及
25、惰性气体中进行烧结。对于在常压下易于气化的材料，可使其在稍高压力下烧对于在常压下易于气化的材料，可使其在稍高压力下烧结。结。472热等静压法(hot isostatic pressing)热等静压热等静压 是指对装于包套之中的松散粉末加热的同时是指对装于包套之中的松散粉末加热的同时对其施加各向同性的等静压力的烧结过程。对其施加各向同性的等静压力的烧结过程。 热等静压的压力传递介质为热等静压的压力传递介质为惰性气体惰性气体。热等静压工艺。热等静压工艺是将粉末压坯或装入包套的粉料故人高压容器中，使是将粉末压坯或装入包套的粉料故人高压容器中，使粉料经受高温和均衡压力的作用，被烧结成致密件。粉料经受高
26、温和均衡压力的作用，被烧结成致密件。48 热等静压强化了压制和烧结过程降低烧结温度，消热等静压强化了压制和烧结过程降低烧结温度，消除空隙，避免晶粒长大，可获得高的密度和强度。同热除空隙，避免晶粒长大，可获得高的密度和强度。同热压法比较，热等静压温度低，制品密度提高。压法比较，热等静压温度低，制品密度提高。493反应热压烧结 这是针对高温下在粉料中可能发生的某种化学反应过这是针对高温下在粉料中可能发生的某种化学反应过程。因势利导，加以利用的一种热压烧结工艺。也就是指程。因势利导，加以利用的一种热压烧结工艺。也就是指在烧结传质过程中，除利用表面自由能下降和机械作用力在烧结传质过程中，除利用表面自由
27、能下降和机械作用力推动外，再加上一种化学反应能作为推动力或激活能。以推动外，再加上一种化学反应能作为推动力或激活能。以降低烧结温度，亦即降低了烧结难度以获得致密陶瓷。降低烧结温度，亦即降低了烧结难度以获得致密陶瓷。50 从化学反应的角度看，可分为相变热压烧结、分解从化学反应的角度看，可分为相变热压烧结、分解热压烧结，以及分解合成热压烧结三种类型。从能量及热压烧结，以及分解合成热压烧结三种类型。从能量及结构转变的过程看，在多晶转变或煅烧分解过程中，通结构转变的过程看，在多晶转变或煅烧分解过程中，通常都有明显的热效应，质点都处于一种高能、介稳和接常都有明显的热效应，质点都处于一种高能、介稳和接收调
28、整的超可塑状态。此时，促使质点足够的机械应力，收调整的超可塑状态。此时，促使质点足够的机械应力，以诱导、触发、促进其转变，质点便可能顺利地从一种以诱导、触发、促进其转变，质点便可能顺利地从一种高能介稳状态，转变到另一种低能稳定状态，可降低工高能介稳状态，转变到另一种低能稳定状态，可降低工艺难度、完成陶瓷的致密烧结。其特点是艺难度、完成陶瓷的致密烧结。其特点是热能、机械能、热能、机械能、化学能化学能三者缺一不可，紧密配合促使转变完成。三者缺一不可，紧密配合促使转变完成。51等静压成型等静压成型ISOSTATIC PRESSING FORMING52等静压成型：粉体的各个方向同时均匀受压等静压成型
29、：粉体的各个方向同时均匀受压53压力的传递介质：流体（液体和气体）压力的传递介质：流体（液体和气体）压力压力传递传递性性：均匀传递均匀传递坯体密度：大且均匀坯体密度：大且均匀54等静压成型适用于压制：等静压成型适用于压制：n形状复杂的大件制品n细长形的制品n空心管状制品55等静压成型时应考虑的问题要点：等静压成型时应考虑的问题要点：n产品的压力和把压力传递到粉体的装置产品的压力和把压力传递到粉体的装置设设备；备；n柔性模柔性模坯体形状，生产数量及生产速度；坯体形状，生产数量及生产速度；n考虑粉体性质和产品特征；考虑粉体性质和产品特征；n安全，可靠，保险，损耗少安全，可靠，保险，损耗少56一、等
30、静压成型工艺和特点一、等静压成型工艺和特点备料备料装料装料加压加压降压降压易排气水份合适流动性好振动加料 模具封严合适的压力10150MPa均匀缓慢57等静压的特点等静压的特点生坯密度高，并比较均匀，尺寸比例及形状无大的限制变化生坯强度较高，内部结构也是均匀的可采用较干的粉料，不必或很少使用粘结剂或润滑剂模具制作方便，成本低设备投资较大，生产效率较小，高压需防护58二、等静压的分类二、等静压的分类等等静静压压热等静压（HIP）冷等静压（CIP）湿袋等静压干袋等静压59模具处于高压液体中，各方受压，用得比较普遍；适用于成型多品种，形状较复杂，产量小和大型的制品，操作（打开、关闭容器）较费时1 1
31、、湿袋法（、湿袋法（Wet Bag Wet Bag IsostaticIsostatic Pressing Pressing） 60成型效率较高；粉料周围受压，顶部或底部无法受压；密封较难；适用于成批生产单一的简单形状的产品；压力较小，一般约为200MPa2 2、干袋法（、干袋法（ Dry Bag Dry Bag IsostaticIsostatic Pressing Pressing） 613 3、热等静压（、热等静压（Hot Hot IsostaticIsostatic Pressing) Pressing) 金属箔代替橡胶模;用气体代替液体，气体为氦气、氩气等惰性气体。模具材料有金属箔（
32、低碳钢、镍、钼）玻璃等。100300Mpa的气压从几百度（）至2000的高温62热等静压工艺过程热等静压工艺过程63三、等静压成型的主要设备三、等静压成型的主要设备主要设备有高压容器，高压泵，控制元件和弹性模具等6465材料要求：能均匀伸长展开，不易撕裂，不能太硬，能耐液体介质的侵蚀常用的模具材料：橡胶，如天然橡胶，氯丁二橡胶，硅橡胶等，也采用塑料模具确定模具尺寸时，还需要考虑到粉料的压缩比弹性模具6667热压烧结应用实例n热压TiCx/Al混合粉体合成Ti3AlC2n热压制备B4C/BN复合材料n热压制备TiAlAl2Ti4C2Al2O3TiC复合材料68热压TiCx/Al混合粉体合成Ti3
33、AlC2 Ti Ti和石墨按摩尔比和石墨按摩尔比3:1.83:1.8在在SPEXTMSPEXTM中氩气保护球磨混合中氩气保护球磨混合3030分钟；然后放入圆柱形容器中，在单轴压力分钟；然后放入圆柱形容器中，在单轴压力20MPa20MPa下加压，下加压，并在并在40MPa40MPa下冷等静压。下冷等静压。Ti/Ti/石墨混合物在真空石墨混合物在真空1 11010-2-2托、托、15501550条件下热处理条件下热处理3 3小时，形成块体小时，形成块体TiCxTiCx。合成的。合成的TiCxTiCx置置于氩气气氛中，并筛选出于氩气气氛中，并筛选出45um45um以下的粉体。以下的粉体。 然后将合成
34、的然后将合成的TiCxTiCx和商用和商用AlAl粉按摩尔比粉按摩尔比3 3：1.11.1在氩气中在氩气中球磨混合球磨混合1010分钟。混合粉体再放入喷涂有分钟。混合粉体再放入喷涂有BNBN的石墨磨具中。的石墨磨具中。最后经氩气保护，在最后经氩气保护，在800-1600800-1600范围内，范围内，25MPa25MPa热压制备热压制备TiTi3 3AlCAlC2 2。69图图7.14 在在25MPa，60分钟下，热压不同时间得到产物的分钟下，热压不同时间得到产物的XRD图谱图谱(a)800,(b)1000,(c)1250,(d)1300,(e)1500和和(f)160070(a)800 (b
35、)1000 (a)800,(b)1000 (c)1250,(d)1300 71(e)1500 (f)1600 72 样品密度随热压温度变化，如图样品密度随热压温度变化，如图7.167.16所示。随着温度所示。随着温度升高到升高到13001300，样品密度升高，并达到，样品密度升高，并达到TiTi3 3AlCAlC2 2理论密度值理论密度值4.25g/cm4.25g/cm3 3。在。在16001600合成的合成的TiTi3 3AlCAlC2 2密度略高于理论密度，密度略高于理论密度，这可能是由于该温度下，这可能是由于该温度下，TiTi3 3AlCAlC2 2部分分解后产生部分分解后产生TiCTi
36、Cx x和和/ /或或TiCTiC（密度约为（密度约为4.9g/cm4.9g/cm3 3）。）。图7.16 25MPa下，样品在800-1600范围内 热压60分钟的密度变化73图7.17 1000时原料热压（a）0min,(b)10min,(c)60min和（d）240min后样品的XRD图74 随着热压时间增长，随着热压时间增长，Al3Ti会和会和TiCx反应生成反应生成Ti3AlC2。一旦一旦Al扩散进入扩散进入TiCx粒子，粒子，Ti3AlC2就会跨越中间相就会跨越中间相Al3Ti而而直接被合成。直接被合成。Ti2AlC的形成可以由碳空位在的形成可以由碳空位在TiCx中的不均匀中的不均
37、匀分布来解释。当反应时间足够长时，分布来解释。当反应时间足够长时，Ti2AlC会和未反应的会和未反应的TiCy(y0.6)在相对较低的空位浓度下继续反应生成在相对较低的空位浓度下继续反应生成Ti3AlC2，反应方程式如下：反应方程式如下： 0.8TiCy+1.1Ti2AlC= Ti3Al1.1C1.8 (y=0.8) 75图7.18 原料在25MPa时分别热压(a)0min,(b)10min,(c)60min和(d)240min后样品的SEM图76图7.19 1250热压（a）0min,(b)15min,(c)60min(d)240min后的XRD谱线。7778n动力磁性压制技术(dynami
38、c magnetic cornpaction，简称DMC)是起始于1995年10月，由美国的3个研究单位耗资850万美元所开发的重大科研项目。n动磁压制技术采用脉冲调制电磁场施加的压力来固结粉末。它虽然也是二维压制工艺，但与传统的粉末冶金压制工艺不一样的是，动磁压制技术是径向由外向内的压制，而不是轴向压制。 n采用动磁压制技术压制出来的材料密度高，力学性能优越，而价格则与传统的一次压制、一次烧结相差不多，因此动磁压制技术在粉末冶金业中有巨大的发展潜力。798081n当粉末装入一个导电的容器( 护套) 内, 置于高场强的中心腔中, 线圈通入高电流脉冲, 线圈中形成磁场,护套内因而产生感应电流。感
39、应电流与施加的磁场相互作用, 产生由外向内压缩护套的磁力, 使粉末得到压制, 整个压制过程时间不足1 ms。原理原理82nDMC的工艺步骤与常规的PM相似，包括压制模具、粉末填充、零件脱模和烧结的过程，此外还可进行精整和精加工。在大多数的实际应用中粉末填充和压制都是室温下进行的，粉末的填充也可以在特殊的环境(如为惰性气体或其他气体保护)下进行。采取适当的设备调整，粉末还可以在高温下压制成形。n目前，已开发出了DMC专用的MAGNEPRESS成形系统，该系统主要由四部分组成：脉冲电源、电磁场线圈绕组、材料输送系统和可编程逻辑控制器系统。这套系统可以达到每分钟10件工件的高出产率，粉末填壳及输送装
40、置，可以在需要时很容易地附加到系统上。工艺工艺831)利用电磁场的脉冲压力来成形，压力大，时间短；2)粉末材料密度高，性能优越，一般生坯密度均在95理论密度以上而且其亚毫秒压制过程有利于保持材料的显微结构不变，因此其性能远高于常规压制零件；3)能成形较高长径比的零件，长径比高达20：1且密度均匀的圆柱形零件已研制出来；4)动磁压制是两维径向压制，而不是轴向压制。特点84n（1）由于不需要使用模具，因而可达到更高的压制压力，维修费用和生产成本更低；n（2）粉末中不用添加任何润滑剂与粘结剂，有利于烧结和环保；n（3）可以在任何温度和气氛中压制，工作条件更加灵活；n（4）任何材料均可以采用动磁压制成
41、形，可应用于金属间化合物、难熔合金、陶瓷、非晶材料、超导体材料、纳米材料和其它复合材料的制备；n（5）压坏密度高，从而降低了烧结收缩率，有利于拄制产品的尺寸精度。优点85n动磁压制技术因为具有压力大、速度快、近全致密的优点，可广泛用于金属间化合物、难融合金、陶瓷、纳米材料和其它复合材料的制备。n碳化钨粉末如果进行DMC压制，其收缩量为17，但如果进行常规方法压制，其收缩量为24。对陶瓷材料进行DMC压制也可以得到同样的结果。动磁压制材料的性能与应用动磁压制材料的性能与应用86采用DMC的不同粉末颗粒尺寸和结构形态的粉末生坯密度87nChelluri等对不锈钢、镍钛合金、陶瓷的不同压制工艺进行了
42、对比研究，发现动磁压制技术可应用于近净形零件的制备，不用任何润滑剂和粘结剂得到的生坯密度已达到100，而粉末经普通一次压制、一次烧结获得的材料只能达到65的生坯密度。图4列出了多种铁基合金经DMC压制后达到密度，绝大部分合金的密度都达到90以上，1001HP更达到了全致密。用不同压力对4405合金试样进行DMC压制，得到试样的密度在7.2-7.6g/cm3。动磁压制材料的性能与应用动磁压制材料的性能与应用88各种铁基合金采用各种铁基合金采用DMC工艺能达工艺能达到的密度到的密度89n然后在1180摄氏度和氨气保护下烧结，得到试样的抗拉强度和屈服强度分别为550675MPa和425525MPa，
43、如图5所示。经DMC压制的试样抗拉强度和屈服强度都比常规粉末冶金成形的试样要高，且接近于84M可锻铸铁。n图5经DMC压制的试样与84M可锻铸铁的强度比较。动磁压制材料的性能与应用动磁压制材料的性能与应用90DMC压制的试样与压制的试样与84M-可锻铸铁可锻铸铁的强度比较的强度比较91n对于W、WC, 陶瓷粉末等难压制材料, DMC 也可达到较高密度, 从而降低烧结收缩率。对于高性能粘结钕铁硼磁体与烧结钐钴磁体, 由于DMC 的粘结磁体密度高, 其磁能积提高15% 20%, 此外DMC 的亚毫秒压制过程有助于保持材料的亚显微结构不变, 因而也提高了材料性能。n对于各种合金钢粉末材料, DMC
44、材料的生坯密度和力学性能都比传统方法的高, 生坯密度通常在95%以上, 适于制造柱形对称的终形件, 薄壁管, 高纵横比部件和内部形状复杂的部件。现可以生产直径*长度= 12. 7 mm *76. 2 mm 到127. 0mm*25. 4 mm 的部件。92n目前动态磁力压制技术的研究仅集中在美国和日本，其他国家鲜有报导。且此技术的应用仍只是强调磁力压制作用，没有考虑感应磁场产生的感应电流。实际上，电流流经粉体材料产生的电阻热对粉末具有明显的烧结作用。此外，日本关于铁磁性金属粉末在磁场作用下烧结的研究指出，磁场烧结能有效地提高铁粉的致密化程度，促进晶粒长大；磁场越强，致密化程度越高，特别是在烧结
45、的中间阶段效果最为明显。这是由于磁场有增强晶界迁移驱动力的能力，所以在烧结时对致密化起着重要的促进作用。可以看出，综合利用磁场固结作用和电场的焦耳热烧结作用来改善材料的机械、物理性能，将是制备高密度、高性能、低成本粉末冶金件新的研究方向。研究方向和存在的问题研究方向和存在的问题93n该成型方法主要适合制造柱形对称和大长径比零件，同温度与力耦合的温压成型方法一样，在粉末成型后，尚需通过烧结进一步提高材料和零件的性能，因而采用该方法制备材料和零件时，工序仍相对较长，仍存在节能、提高生产效率和性能的空间。研究方向和存在的问题研究方向和存在的问题94n由于动磁压制对任何材料均能压制成形，且获得的材料性能优越，DMC将成为粉末冶金的一个重要研究方向。虽然动磁压制技术离大规模工业化生产还有一定距离，许多关键技术问题尚有待进一步解决，但其压制时阀短、致密化程度高、优越的力学性能和低成本等突出优点是常规压制方法无法比拟的，DMC必将成为高效率、有竞争力的新一代粉末成形技术之一。由于DMC工艺的诸多优点。将为粉末冶金工业带来更广阔的市场，使粉末冶金在制造行业中的应用范围进一步提高。展望展望
