熱等靜壓燒結技術在材料科學與工程專業實驗教學中的研究和應用

江濤 陳燕 黃鵬 楊鴿 盧永潔 丁一明

摘要：熱等靜壓燒結技術是一種在高溫度高壓力下燒結的工藝生產技術。通過以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質，在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓。所以加工產品的致密度高，均勻性好，性能優異。熱等靜壓燒結技術可選擇的材料種類比較廣泛，適用面比較廣泛。熱等靜壓燒結技術在材料科學與工程領域得到廣泛的應用。本文主要講述熱等靜壓燒結技術的原理和工程應用，并詳細講述熱等靜壓燒結技術在材料科學與工程專業實驗教學中的研究和應用，并對熱等靜壓燒結技術的未來發展趨勢進行分析和預測。

關鍵詞：熱等靜壓燒結技術 材料科學與工程專業 實驗教學 研究應用

一、前言

在材料科學與工程專業的本科教學工作中，學生在高年級就開始學習材料科學與工程專業的基礎課程和專業課程。其中在材料科學與工程專業課程教學中，在講述材料的制備工藝方法中講述過熱等靜壓燒結技術制備和合成復合材料。熱等靜壓燒結技術是制備金屬基復合材料，金屬陶瓷復合材料的主要方法。熱等靜壓燒結技術是一種集高溫度、高壓力于一體的工藝生產技術，加熱溫度通常非常高，通過以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質，工作壓力可達到非常高的壓力。在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓。故加工產品的致密度高，均勻性好，性能優異。熱等靜壓燒結技術可以制備金屬材料、復合材料、梯度功能材料等。熱等靜壓燒結工藝燒結時間較長，燒結溫度高，可以制備完全致密的燒結塊材。熱等靜壓燒結工藝具有快速成型的優點。采用熱等靜壓燒結工藝可以制備復合材料包括金屬基復合材料等。熱等靜壓燒結工藝制備復合材料由于具有可以達到凈近尺寸成形的優勢，所以能夠廣泛應用于工程領域中。在材料科學與工程專業的本科課程教學中，在材料加工工程和材料合成與制備方法中都講述過熱等靜壓燒結技術。此外還可以將熱等靜壓燒結技術制備復合材料作為一項實驗教學內容安排學生進行實驗，使學生認識和了解熱等靜壓燒結技術制備復合材料的工藝過程。所以熱等靜壓燒結工藝制備復合材料在材料科學與工程專業教學實踐中得到廣泛的應用。本文主要講述熱等靜壓燒結技術的原理和工程應用，并講述熱等靜壓燒結技術在材料科學與工程專業實驗教學中的研究和應用，并對熱等靜壓燒結技術的未來發展趨勢進行分析和預測。

二、熱等靜壓燒結技術的原理和工程應用

熱等靜壓燒結技術是一種在高溫度和高壓力下燒結的工藝生產技術，加熱溫度通常較高，通過以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質工作壓力較高。在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓。故加工產品的致密度高均勻性好，性能優異。同時熱等靜壓燒結技術具有生產周期短工序少、能耗低、材料損耗小等特點。隨著熱等靜壓設備性能的不斷改進完善，熱等靜壓燒結技術現已在硬質合金燒結，難熔金屬及合金的致密化，產品的缺陷修復，大型及異形構件的近凈成形，復合材料及特種材料的生產加工等方面得到了廣泛應用。熱等靜壓燒結技術在硬質合金生產中開始得到實際應用。在傳統真空燒結的基礎上對硬質合金進行熱等靜壓處理形成真空燒結結合熱等靜壓燒結工藝，該工藝將相對密度較低的燒結制品在熱等靜壓機中處理一定時間使制品的致密度明顯提高孔隙度顯著降低，抗彎強度及使用壽命均顯著改善。但熱等靜壓燒結設備的設計和控制費用昂貴，維護和操作也比較復雜，因此在硬質合金中應用尚不普遍。隨著科學技術的不斷進步開發了燒結-熱等靜壓工藝，又被稱為低壓熱等靜壓或過壓燒結。燒結-熱等靜壓新工藝比熱等靜壓處理更能有效提高產品質量，現已成為生產高質量硬質合金的主要手段。熱等靜壓燒結技術在大尺寸硬質合金制品的生產中具有明顯優勢，熱等靜壓燒結技術可選擇材料種類比較廣泛適用面比較廣泛。采用熱等靜壓燒結技術在難熔金屬中得到廣泛應用，通過熱等靜壓燒結技術可以制備合金材料。采用熱等靜壓燒結工藝降低燒結溫度和保溫時間可獲得性能優異的纖維或晶須增強復合材料。

三、熱等靜壓燒結技術在材料科學與工程專業的實驗教學中的研究和應用

熱等靜壓燒結技術具有燒結溫度高，燒結時間較長，燒結效率高，可以實現快速成型工藝，所以熱等靜壓燒結技術主要用于制備金屬陶瓷，金屬間化合物，金屬間化合物/陶瓷復合材料，梯度功能材料等。在材料科學與工程專業的教學課程中，其中材料加工工程和材料制備與合成方法講述過熱等靜壓燒結工藝。熱等靜壓燒結工藝同粉末冶金技術和液相燒結技術一樣都是材料的制備工藝技術。熱等靜壓燒結工藝同樣是熱加工工藝，熱等靜壓燒結技術是一種在高溫度和高壓力下燒結的工藝生產技術，加熱溫度通常較高，通過以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質，工作壓力可達較高的壓力。在高溫高壓的共同作用下被加工件的各向均衡受壓。故加工產品的致密度高，均勻性好，性能優異。同時熱等靜壓燒結技術具有生產周期短，工序少，能耗低，材料損耗小等特點。在材料科學與工程專業課程的課堂教學中，有些專業課程中對熱等靜壓燒結工藝只是作為了解，對于熱等靜壓燒結工藝制備復合材料的具體內容和制備工藝步驟的研究和應用了解很少。所以就需要在材料科學與工程專業的實踐教學課程中增加一些關于熱等靜壓燒結工藝制備復合材料的實驗課程。通過熱等靜壓燒結工藝制備復合材料的實踐教學活動可以使學生認識和了解熱等靜壓燒結工藝制備復合材料的原理，制備工藝過程以及對經過熱等靜壓燒結工藝后得到復合材料制品的物相組成，顯微結構和性能進行研究，使學生通過對材料的制備與研究過程可以加深學生對材料科學與工程專業課程學習的認識和了解。對于本科學生的教學實踐課程可以在本科學生的本科專業課程設計和本科畢業設計過程中安排采用熱等靜壓燒結工藝制備金屬基復合材料和金屬陶瓷復合材料的教學內容。例如采用熱等靜壓燒結工藝可以制備金屬陶瓷復合材料，先將金屬粉末和陶瓷粉末通過壓力成型工藝制成坯體，然后將預制成型的坯體放入熱等靜壓機中并通過熱等靜壓燒結工藝制備金屬陶瓷復合材料。通過實驗教學過程使學生認識和了解到熱等靜壓燒結工藝制備金屬陶瓷復合材料的制備工藝過程，提高學生對課程學習的認識和了解。使學生通過實驗教學認識和了解了熱等靜壓燒結工藝制備復合材料的制備工藝原理，使用方法和制備過程，以及對得到燒結產物的物相組成和顯微結構進行分析和測試。熱等靜壓燒結技術主要應用在硬質合金中，采用熱等靜壓工藝可以制備力學性能優越的硬質合金材料。熱等靜壓燒結工藝可以制備金屬合金制品。熱等靜壓燒結工藝可以應用在新材料的制備和生產中。

熱等靜壓燒結工藝優勢是加熱均勻，升溫速度快，燒結溫度高，燒結時間長，生產效率高，產品組織細小均勻可以得到高致密度的材料。熱等靜壓燒結工藝可選擇的材料種類比較廣泛，適用面也比較廣泛。熱等靜壓燒結工藝可以得到完全致密的燒結制品。熱等靜壓燒結技術操作過程比較復雜，對設備要求較高，特別是需要熱等靜壓燒結爐，可以進行現場操作，因此可以作為本科學生的課程教學實驗內容，可作為材料科學與工程專業課程的輔助教學實驗，也可以作為本科專業課程設計和本科畢業設計教學內容。使學生通過實踐教學來加深對材料科學與工程專業課程的認識和掌握。使學生認識到金屬基復合材料的制備過程以及金屬陶瓷復合材料的制備過程等，并使得學生對熱等靜壓燒結工藝得到的燒結制品進行分析和測試，使學生對材料的分析和檢測水平有較大的提高，對于拓展學生的知識面有很大的幫助，為本科學生以后的本科專業課程設計和本科畢業設計打下堅實的實驗基礎。

四、熱等靜壓燒結技術在材料科學與工程領域的研究發展趨勢

熱等靜壓燒結技術在成形燒結、金屬致密化以及擴散連接等方面做了大量的研究開發工作，應用規模不斷擴大。熱等靜壓燒結技術可選擇材料的種類比較廣泛，適用面比較廣泛。熱等靜壓燒結設備在不斷地完善和開發，現已具備設計和制作熱等靜壓設備的能力。熱等靜壓技術在以下方面進行研究和開發，熱等靜壓致密化過程的基礎理論研究，凈成形技術研究等方面。需要開發熱等靜壓的工程應用擴大在硬質合金方面的應用以及在高溫合金、復合材料等領域的應用，還需要研究和開發熱等靜壓設備的設計制造水平包括設備功能等。由于熱等靜壓燒結技術在材料科學與工程領域有著廣泛的研究和應用，所以應該在本科學生的實驗教學中安排采用熱等靜壓燒結工藝制備和合成復合材料的實驗課程。

五、結論

熱等靜壓燒結技術是一種在高溫度和高壓力下燒結的工藝生產技術，通過以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質。在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓，故加工產品的致密度高，均勻性好，性能優異。熱等靜壓燒結技術可選擇材料的種類比較廣泛，適用面比較廣泛。熱等靜壓燒結技術在材料科學與工程領域得到廣泛的應用。本文主要講述熱等靜壓燒結技術的原理和工程應用，并詳細講述熱等靜壓燒結技術在材料科學與工程專業實驗教學中的研究和應用，并對熱等靜壓燒結技術的未來發展趨勢進行分析和預測。

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