Состояние исследований в области технологии уплотнения порошковой металлургии

Порошковая металлургия — это технология, которая использует металлический порошок или смесь металлического и неметаллического порошка в качестве сырья и консолидирует порошок посредством различных процессов для получения металлических материалов, инструментальных сталей, композитных материалов и различных продуктов. Продукты порошковой металлургии широко используются в аэрокосмической промышленности, производстве пресс-форм, биомедицине, национальной обороне и военной промышленности.

Порошковая металлургия состоит из важных процессов, таких как подготовка порошка, прессование, высокотемпературное спекание и последующая обработка. Среди них прессование и высокотемпературное спекание являются процессами уплотнения порошковой металлургии.

1.1 Прессование
Прессование порошка - это процесс реализации перехода от рыхлого заполнения к плотному заполнению частиц. Передача и распределение силы изменяются, что приводит к неравномерному распределению плотности и прочности каждой части зеленого листа, тем самым порождая ряд сложных явлений в процессе прессования.
В реальном производстве соответствующий процесс прессования обычно выбирается в соответствии с характеристиками формы зеленого листа для улучшения плотности и однородности зеленого листа. В последние годы ученые из разных стран изучали различные новые технологии прессования, такие как быстрое всенаправленное прессование, технология теплого прессования, высокоскоростное прессование и т. д.

(1) Технология горячего прессования
Технология горячего прессования использует специальный смешанный порошок горячего прессования. При давлении прессования не более 690 МПа и температуре спекания 1393 К плотность может достигать 7,2~7,5 г/см3 за одно прессование и спекание.
Горячее прессование — это простой процесс изготовления высокоплотных, высокопрочных деталей из порошковой металлургии, и его стоимость относительно невысока. Для получения металлургических деталей с плотностью, близкой к 7,5 г/см3, требуется лишь небольшая корректировка обычного оборудования. Процесс горячего прессования считается важным технологическим прорывом в изготовлении деталей из порошковой металлургии с 1990-х годов из-за его высокой плотности, высокой производительности и низкой стоимости.

(2) Технология высокоскоростного прессования порошка
Технология высокоскоростного прессования порошков представляет собой технологию прессования порошков, при которой тяжелый молот под действием гидравлики или силы тяжести воздействует на порошок со скоростью 2–30 м/с, тем самым обеспечивая завершение процесса уплотнения порошка в течение 20 мс.

Технология высокоскоростного прессования порошка характеризуется высокой плотностью сырой прессовки, относительно равномерным распределением плотности сырой прессовки, высокой эффективностью формования, низкой себестоимостью производства, высокой геометрической точностью сырой прессовки, длительным сроком службы пресс-формы и превосходными комплексными показателями сырой прессовки.

1.2 Высокотемпературное спекание
Спекание является важнейшим процессом в процессе производства порошковой металлургии и всегда было в центре внимания исследований. Высокотемпературное спекание представляет собой процесс термической обработки, при котором порошковый блок нагревается до температуры ниже точки плавления основного компонента, чтобы связать его в материал с более высокой прочностью. Это эффективное средство для увеличения плотности порошковой сырой прессовки. Ниже представлены два часто используемых процесса спекания металлического порошка.
(1) Процесс горячего изостатического прессования
Процесс горячего изостатического прессования (ГИП) является важным средством уплотнения высокопроизводительных изделий порошковой металлургии. Общая схема процесса ГИП такова: заполнение пакета прессованным порошком, помещение его в печь горячего изостатического пресса и одновременное приложение высокой температуры и высокого давления. После многократного уплотнения частиц порошка получается полностью плотный компонент.

При использовании HIP для формования или последующей обработки металлов и композитных материалов на основе металлов, оно может эффективно удалять дефекты внутри отливок, уменьшать трещины внутри деталей и улучшать эксплуатационные характеристики продукта. Основными используемыми металлическими материалами являются жаропрочные сплавы на основе никеля, жаропрочные сплавы на основе кобальта, титановые сплавы, алюминиевые сплавы, сталь, медные сплавы и т. д.

(2) Искровое плазменное спекание
Технология искрового плазменного спекания (SPS) — это технология спекания, которая использует верхний и нижний пуансоны графитовой формы и электроды под напряжением для одновременного приложения постоянного импульсного тока и давления прессования к порошковому телу, и достигает быстрого уплотнения и формирования порошкового тела посредством плазменной активации и термопластической деформации. Это также называется плазменно-активированным спеканием и плазменно-ассистированным спеканием.

Схема принципа работы искрового плазменного спекания

Как показано на рисунке выше, уплотнение SPS можно рассматривать как суперпозицию разряда между частицами порошка, джоулева тепла, генерируемого при возбуждении, и давления под действием импульсного тока. В дополнение к двум факторам спекания: нагреву и давлению, поверхностный разряд между частицами порошка может способствовать локальной высокой температуре и локальному плавлению поверхности; высокотемпературное плазменное распыление и разрядный удар могут эффективно удалять примеси (такие как поверхностные оксиды и т. д.) и адсорбцию газа на поверхности частиц порошка. Эти факторы могут способствовать процессу спекания.

Искровое плазменное спекание отличается высокой эффективностью нагрева и быстрой скоростью уплотнения, что может значительно повысить эффективность спекания порошка.

Факторы, влияющие на уплотнение металлических порошков
Процесс уплотнения порошков при высокой температуре и высоком давлении очень сложен. Согласно результатам исследовательских экспериментов по моделированию методом конечных элементов, факторами, влияющими на уплотнение металлических порошков, являются в основном метод прессования, сопротивление трению и соотношение сторон прессованного сырого листа.

(1) Метод прессования: Методы прессования в основном однонаправленные и двунаправленные. Чтобы уменьшить падение давления в процессе прессования металлических порошков и получить сырой лист с более однородной плотностью, порошок можно прессовать двунаправленным прессованием.

(2) Сопротивление трению: Сопротивление трению является ключевым фактором, влияющим на плотность сырого листа и равномерность его распределения. Изучение влияния различных условий трения на процесс уплотнения порошкового сжатия способствует улучшению процесса прессования изделий порошковой металлургии. При улучшении условий трения градиент напряжения сырого пресса уменьшается, плотность становится более однородной, а также уменьшается усилие прессования.

(3) Отношение высоты к диаметру зеленого пресса: Отношение высоты к диаметру зеленого пресса является фактором формы, который необходимо учитывать в процессе компрессионного формования изделий из порошковой металлургии. При том же процессе сжатия и условиях трения зеленые прессы с небольшим отношением высоты к диаметру могут получить более равномерное распределение плотности.
Поэтому при реальном производстве изделий из порошковой металлургии следует избегать слишком тонких деталей. Можно использовать двунаправленный процесс прессования и улучшить условия смазки, чтобы повысить однородность плотности изделия.

Технология порошковой металлургии широко используется при получении высокопроизводительных металлов и сплавов различного состава. Плотность и распределение материалов порошковой металлургии являются ключевыми факторами, влияющими на механические свойства и размерную точность изделий порошковой металлургии. Неравномерное уплотнение приведет к неравномерному уплотнению и усадочной деформации различных частей порошкового тела, что приведет к разбросу механических свойств различных частей порошкового компонента. Поэтому разработка высокоплотных и высокопроизводительных изделий порошковой металлургии стала направлением развития и исследовательским фокусом технологии порошковой металлургии.