第六章 液相烧结

Liquid phase sintering §1 概述

1.液相烧结技术的发展 首先在陶瓷领域发展起来：

最早在7000年前，古人用粘土矿物烧制建筑用砖块瓷器，耐火材料

当今的高技术陶瓷广泛采用液相烧结技术制造耐磨陶瓷，压电陶瓷，铁氧体，电子基板及高温结构陶瓷液相烧结在金属加工技术中的应用大约在400年前，古英克斯人加工昂贵的金铂首饰和工艺品现代液相烧结技术的发展开发液相烧结技术是由爱迪生发明的电灯丝（W）所驱动3 阶段

a.起初采用铸造WC，由于在冷却过程中存在分解成脆性W2C，WC和石墨相 b.采用WC粉末压制在低于2600度烧结，制品仍表现为本质脆性，无工业应用价值 c.一战前夕，德国化学家KARL，1922年发明了粘结炭化物拉丝模，并于1923年申请了发明专利标志着现代液相烧结技术成功地应用金属工业中二十世纪二十年代初硬质合金工具材料及稍后的青铜含油轴承的成功的开发三十年代初期（二战前奏），高比重合金的开发与应用为液相烧结奠定了理论基础液相烧结技术发展迅速用以制造高性能的P/M材料如电接触材料、轴瓦材料（Al-Pb）、工具钢、超合金、金刚石-金属复合材料、磁性材料、汽车零部件、航天材料、高温结构陶瓷、电子焊料（soldering paste）等 2 液相烧结技术的优、缺点 优点：

1)加快烧结速度：

a 液相的形成加快了原子迁移速度

b 在无外压的情况下，毛细管力的作用加快坯体的收缩 c 液相的存在降低颗粒间的摩擦 有利于颗粒重排列

2) 晶粒尺寸可以通过调节液相烧结工艺参数加以控制，便于优化显微结构和性能 3) 可制得全致密的P/M材料或制品，延伸率高

4) 粉末颗粒的尖角处优先溶于液相，易于获得有效的颗粒间填充 不足之处：

变形（distortion，slumping）

当烧结坯体液相数量过大或混合粉的粒度、混合不均匀时，易出现变形 收缩大，尺寸精度控制困难

3 液相烧结（liquid phase sintering）的定义和分类： 定义：

烧结温度高于烧结体系低熔组分的熔点或共晶温度的多元系烧结过程 或烧结过程中出现液相的粉末烧结过程统称为液相烧结 分类

1.瞬时液相烧结(transient liquid phase sintering) 在烧结中、初期存在液相，后期液相消失的烧结过程 特点：烧结中初期为液相烧结，后期为固相烧结

体系：Cu-Sn,Cu-Pb,Ag-Hg,Ag-Ni,Fe-Fe3P,Fe-Cu3P,Fe-Ni-Al、Fe-Cu(<10%)等 液相数量取决于成分（低熔点组分的含量）、升温速度、粉末颗粒的粒度 提高瞬时液相烧结过程中的液相数量 可采用

提高低熔点组分含量 升温速度快

高熔点组分颗粒粗（与液相接触面积小，减小扩散面积） 2 稳定液相烧结（persistent liquid phase sintering） 烧结过程始终存在液相的烧结过程 Insoluble:W-Cu,Ag-W,Cu-WC,Cu-TiB2

Soluble:WC-Co,W-Cu(Fe)-Ni,TiC-Ni,Pb-Sn,Fe-Cu(>10%)等 3 熔浸(infiltration)

多孔骨架的固相烧结和低熔点金属渗入骨架后的液相烧结过程 前期为固相烧结，后期为液相烧结

全致密假合金如W(Mo)-Cu（Ag）等复合材料

4.超固相线液相烧结(supersolidius liquid phase sintering)：

液相在粉末颗粒内形成,是一种在微区范围内较普通液相烧结更为均匀的烧结过程 高碳铁合金，工具钢，粉末超合金,纳米晶复合WC-Co粉末等的烧结 §2 液相烧结的条件

1.液相必须润湿固相颗粒 液相烧结得以进行的前提 否则，产生反烧结现象 即烧结体系应满足 γS=γSL+γLCOSθ θ为润湿角

当θ=0，液相充分润湿固相颗粒 最理想的液相烧结条件

当θ>90O，液相被推出烧结体，发生反烧结现象

在那些烧结气氛与固相或液相组分间形成稳定氧化物体系易出现 如Al-Pb,Cu-Al,Cu-Sn等

当0<θ<900，这是普通的液相烧结情况，烧结效果一般

可加入合金元素改善液相对固相颗粒的润湿性，促进液相烧结过程 润湿角的影响因素：

1.烧结温度↑，θ↓ 主要降低γSL

2.润湿是一动态平衡过程，烧结时间适当延长，θ↓； 3.添加剂：导致θ↓

添加剂能促进固相与液相间的物理溶解和轻微的化学反应 TiC-Ni,添加Mo W-Cu,添加Ni,Co,Fe 4.固相颗粒的表面状态

固相颗粒的粗糙度↑，↑固-气界面能 液固润湿过程易于进行 5.烧结气氛

液相或固相氧化膜的形成导致润湿性下降 成形剂分解后的残碳

2.固相在液相中具有有限的溶解度 其结果是：

1)有限的溶解可改善润湿性

2)增加液相的数量即体积分数，促进致密化