熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究和應(yīng)用

江濤 陳燕 黃鵬 楊鴿 盧永潔 丁一明

摘要：熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)是一種在高溫度高壓力下燒結(jié)的工藝生產(chǎn)技術(shù)。通過(guò)以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮?dú)鉃閭鲏航橘|(zhì)，在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓。所以加工產(chǎn)品的致密度高，均勻性好，性能優(yōu)異。熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)可選擇的材料種類(lèi)比較廣泛，適用面比較廣泛。熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文主要講述熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)的原理和工程應(yīng)用，并詳細(xì)講述熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究和應(yīng)用，并對(duì)熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：熱等靜壓燒結(jié)技術(shù) 材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 研究應(yīng)用

一、前言

在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的本科教學(xué)工作中，學(xué)生在高年級(jí)就開(kāi)始學(xué)習(xí)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程和專(zhuān)業(yè)課程。其中在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中，在講述材料的制備工藝方法中講述過(guò)熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)制備和合成復(fù)合材料。熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)是制備金屬基復(fù)合材料，金屬陶瓷復(fù)合材料的主要方法。熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)是一種集高溫度、高壓力于一體的工藝生產(chǎn)技術(shù)，加熱溫度通常非常高，通過(guò)以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮?dú)鉃閭鲏航橘|(zhì)，工作壓力可達(dá)到非常高的壓力。在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓。故加工產(chǎn)品的致密度高，均勻性好，性能優(yōu)異。熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)可以制備金屬材料、復(fù)合材料、梯度功能材料等。熱等靜壓燒結(jié)工藝燒結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，燒結(jié)溫度高，可以制備完全致密的燒結(jié)塊材。熱等靜壓燒結(jié)工藝具有快速成型的優(yōu)點(diǎn)。采用熱等靜壓燒結(jié)工藝可以制備復(fù)合材料包括金屬基復(fù)合材料等。熱等靜壓燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料由于具有可以達(dá)到凈近尺寸成形的優(yōu)勢(shì)，所以能夠廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域中。在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的本科課程教學(xué)中，在材料加工工程和材料合成與制備方法中都講述過(guò)熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)。此外還可以將熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)制備復(fù)合材料作為一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容安排學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)和了解熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)制備復(fù)合材料的工藝過(guò)程。所以熱等靜壓燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。本文主要講述熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)的原理和工程應(yīng)用，并講述熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究和應(yīng)用，并對(duì)熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

二、熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)的原理和工程應(yīng)用

熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)是一種在高溫度和高壓力下燒結(jié)的工藝生產(chǎn)技術(shù)，加熱溫度通常較高，通過(guò)以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮?dú)鉃閭鲏航橘|(zhì)工作壓力較高。在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓。故加工產(chǎn)品的致密度高均勻性好，性能優(yōu)異。同時(shí)熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)具有生產(chǎn)周期短工序少、能耗低、材料損耗小等特點(diǎn)。隨著熱等靜壓設(shè)備性能的不斷改進(jìn)完善，熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)現(xiàn)已在硬質(zhì)合金燒結(jié)，難熔金屬及合金的致密化，產(chǎn)品的缺陷修復(fù)，大型及異形構(gòu)件的近凈成形，復(fù)合材料及特種材料的生產(chǎn)加工等方面得到了廣泛應(yīng)用。熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)在硬質(zhì)合金生產(chǎn)中開(kāi)始得到實(shí)際應(yīng)用。在傳統(tǒng)真空燒結(jié)的基礎(chǔ)上對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行熱等靜壓處理形成真空燒結(jié)結(jié)合熱等靜壓燒結(jié)工藝，該工藝將相對(duì)密度較低的燒結(jié)制品在熱等靜壓機(jī)中處理一定時(shí)間使制品的致密度明顯提高孔隙度顯著降低，抗彎強(qiáng)度及使用壽命均顯著改善。但熱等靜壓燒結(jié)設(shè)備的設(shè)計(jì)和控制費(fèi)用昂貴，維護(hù)和操作也比較復(fù)雜，因此在硬質(zhì)合金中應(yīng)用尚不普遍。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步開(kāi)發(fā)了燒結(jié)-熱等靜壓工藝，又被稱(chēng)為低壓熱等靜壓或過(guò)壓燒結(jié)。燒結(jié)-熱等靜壓新工藝比熱等靜壓處理更能有效提高產(chǎn)品質(zhì)量，現(xiàn)已成為生產(chǎn)高質(zhì)量硬質(zhì)合金的主要手段。熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)在大尺寸硬質(zhì)合金制品的生產(chǎn)中具有明顯優(yōu)勢(shì)，熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)可選擇材料種類(lèi)比較廣泛適用面比較廣泛。采用熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)在難熔金屬中得到廣泛應(yīng)用，通過(guò)熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)可以制備合金材料。采用熱等靜壓燒結(jié)工藝降低燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間可獲得性能優(yōu)異的纖維或晶須增強(qiáng)復(fù)合材料。

三、熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究和應(yīng)用

熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)具有燒結(jié)溫度高，燒結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，燒結(jié)效率高，可以實(shí)現(xiàn)快速成型工藝，所以熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)主要用于制備金屬陶瓷，金屬間化合物，金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料，梯度功能材料等。在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)課程中，其中材料加工工程和材料制備與合成方法講述過(guò)熱等靜壓燒結(jié)工藝。熱等靜壓燒結(jié)工藝同粉末冶金技術(shù)和液相燒結(jié)技術(shù)一樣都是材料的制備工藝技術(shù)。熱等靜壓燒結(jié)工藝同樣是熱加工工藝，熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)是一種在高溫度和高壓力下燒結(jié)的工藝生產(chǎn)技術(shù)，加熱溫度通常較高，通過(guò)以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮?dú)鉃閭鲏航橘|(zhì)，工作壓力可達(dá)較高的壓力。在高溫高壓的共同作用下被加工件的各向均衡受壓。故加工產(chǎn)品的致密度高，均勻性好，性能優(yōu)異。同時(shí)熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)具有生產(chǎn)周期短，工序少，能耗低，材料損耗小等特點(diǎn)。在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)課程的課堂教學(xué)中，有些專(zhuān)業(yè)課程中對(duì)熱等靜壓燒結(jié)工藝只是作為了解，對(duì)于熱等靜壓燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料的具體內(nèi)容和制備工藝步驟的研究和應(yīng)用了解很少。所以就需要在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)課程中增加一些關(guān)于熱等靜壓燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)課程。通過(guò)熱等靜壓燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)和了解熱等靜壓燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料的原理，制備工藝過(guò)程以及對(duì)經(jīng)過(guò)熱等靜壓燒結(jié)工藝后得到復(fù)合材料制品的物相組成，顯微結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行研究，使學(xué)生通過(guò)對(duì)材料的制備與研究過(guò)程可以加深學(xué)生對(duì)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí)和了解。對(duì)于本科學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐課程可以在本科學(xué)生的本科專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)和本科畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中安排采用熱等靜壓燒結(jié)工藝制備金屬基復(fù)合材料和金屬陶瓷復(fù)合材料的教學(xué)內(nèi)容。例如采用熱等靜壓燒結(jié)工藝可以制備金屬陶瓷復(fù)合材料，先將金屬粉末和陶瓷粉末通過(guò)壓力成型工藝制成坯體，然后將預(yù)制成型的坯體放入熱等靜壓機(jī)中并通過(guò)熱等靜壓燒結(jié)工藝制備金屬陶瓷復(fù)合材料。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程使學(xué)生認(rèn)識(shí)和了解到熱等靜壓燒結(jié)工藝制備金屬陶瓷復(fù)合材料的制備工藝過(guò)程，提高學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí)和了解。使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)認(rèn)識(shí)和了解了熱等靜壓燒結(jié)工藝制備復(fù)合材料的制備工藝原理，使用方法和制備過(guò)程，以及對(duì)得到燒結(jié)產(chǎn)物的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和測(cè)試。熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)主要應(yīng)用在硬質(zhì)合金中，采用熱等靜壓工藝可以制備力學(xué)性能優(yōu)越的硬質(zhì)合金材料。熱等靜壓燒結(jié)工藝可以制備金屬合金制品。熱等靜壓燒結(jié)工藝可以應(yīng)用在新材料的制備和生產(chǎn)中。

熱等靜壓燒結(jié)工藝優(yōu)勢(shì)是加熱均勻，升溫速度快，燒結(jié)溫度高，燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品組織細(xì)小均勻可以得到高致密度的材料。熱等靜壓燒結(jié)工藝可選擇的材料種類(lèi)比較廣泛，適用面也比較廣泛。熱等靜壓燒結(jié)工藝可以得到完全致密的燒結(jié)制品。熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)操作過(guò)程比較復(fù)雜，對(duì)設(shè)備要求較高，特別是需要熱等靜壓燒結(jié)爐，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，因此可以作為本科學(xué)生的課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可作為材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)課程的輔助教學(xué)實(shí)驗(yàn)，也可以作為本科專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)和本科畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。使學(xué)生通過(guò)實(shí)踐教學(xué)來(lái)加深對(duì)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)課程的認(rèn)識(shí)和掌握。使學(xué)生認(rèn)識(shí)到金屬基復(fù)合材料的制備過(guò)程以及金屬陶瓷復(fù)合材料的制備過(guò)程等，并使得學(xué)生對(duì)熱等靜壓燒結(jié)工藝得到的燒結(jié)制品進(jìn)行分析和測(cè)試，使學(xué)生對(duì)材料的分析和檢測(cè)水平有較大的提高，對(duì)于拓展學(xué)生的知識(shí)面有很大的幫助，為本科學(xué)生以后的本科專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)和本科畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

四、熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究發(fā)展趨勢(shì)

熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)在成形燒結(jié)、金屬致密化以及擴(kuò)散連接等方面做了大量的研究開(kāi)發(fā)工作，應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大。熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)可選擇材料的種類(lèi)比較廣泛，適用面比較廣泛。熱等靜壓燒結(jié)設(shè)備在不斷地完善和開(kāi)發(fā)，現(xiàn)已具備設(shè)計(jì)和制作熱等靜壓設(shè)備的能力。熱等靜壓技術(shù)在以下方面進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，熱等靜壓致密化過(guò)程的基礎(chǔ)理論研究，凈成形技術(shù)研究等方面。需要開(kāi)發(fā)熱等靜壓的工程應(yīng)用擴(kuò)大在硬質(zhì)合金方面的應(yīng)用以及在高溫合金、復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用，還需要研究和開(kāi)發(fā)熱等靜壓設(shè)備的設(shè)計(jì)制造水平包括設(shè)備功能等。由于熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域有著廣泛的研究和應(yīng)用，所以應(yīng)該在本科學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中安排采用熱等靜壓燒結(jié)工藝制備和合成復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)課程。

五、結(jié)論

熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)是一種在高溫度和高壓力下燒結(jié)的工藝生產(chǎn)技術(shù)，通過(guò)以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮?dú)鉃閭鲏航橘|(zhì)。在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓，故加工產(chǎn)品的致密度高，均勻性好，性能優(yōu)異。熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)可選擇材料的種類(lèi)比較廣泛，適用面比較廣泛。熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文主要講述熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)的原理和工程應(yīng)用，并詳細(xì)講述熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究和應(yīng)用，并對(duì)熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

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