Rapid Synthesis and Sintering of Metals from Powders

基于粉末的金属快速合成与烧结

论文亮点

研究背景

• 传统粉末冶金方法如金属注射成型（MIM）虽然适用于批量生产，但烧结过程缓慢，不适合新金属成分和结构的快速筛选与开发。
• 电流辅助烧结技术（如SPS、闪烧烧结）需要特殊模具，限制样品尺寸和几何形状，且可能导致电流诱导的非均匀结构。
• 定向能量沉积（DED）等增材制造工艺由于局部高温会引入高残余应力和纹理，需要高质量球形粉末，成本高且应用受限。

研究方法

本研究采用超快速高温烧结（UHS）方法：

• 将元素粉末混合并压制成坯体（生坯）
• 使用两个碳加热器将样品夹在中间，通过焦耳加热提供均匀的高温环境（1000-3000°C）
• 烧结时间极短（10-30秒），加热速率高达10³-10⁴ °C/min
• 在氩气气氛中进行烧结，防止氧化
• 烧结后样品进行抛光，使用SEM、EDS和XRD进行表征分析
• 对于某些会经历自蔓延放热反应的硅化物，采用二次烧结工艺以获得致密样品

主要结论

• UHS技术成功实现了多种金属和合金的快速烧结，包括纯金属（Cu、W）、金属间化合物（MoSi₂、Nb₅Si₃）和多元素复杂合金。
• 烧结材料具有致密结构和精细微观结构，晶粒尺寸比铸造合金小一个数量级，有望提高机械性能和抗氧化性。
• 该技术通用性强，不受共晶成分限制，能够加速高性能金属材料的开发，特别是难制造的高温材料。

UHS过程示意图与结果

Figure 1: a) UHS过程示意图 b) 从压制的先驱粉末直接快速烧结金属和合金的相应照片

分析结果：UHS过程通过碳加热器提供均匀高温环境，可在极短时间内（几秒钟）完成烧结。烧结后的样品经过简单抛光后呈现闪亮致密的结构，厚度约1mm，证明了该技术的高效性和可行性。

UHS设备与温度特性

Figure 2: a) 室温下的加热器 b) 约1500-3000°C下的加热器 c) UHS烧结过程中样品被两个碳加热器夹在中间 d) UHS运行的温度曲线示意图 e) 碳加热器的典型温度-功率曲线 f) 不同温度下的UHS烧结过程 g) UHS烧结的金属和合金照片

分析结果：UHS技术提供极高的加热速率（10³-10⁴ °C/min），比传统炉烧结快2-3个数量级。高温大大加速了元素扩散和反应过程，使快速烧结成为可能。超快速冷却速率有助于避免相分离和异常晶粒生长，实现设计的合金相和结构。

30Al-60Cr-10Si合金分析

Figure 3: a) 三元30Al-60Cr-10Si（at.%）合金的UHS过程示意图 b) UHS烧结温度相对于元素熔点的示意图 c) 从元素粉末形成合金和相的示意图 d) 通过UHS制备的30Al-60Cr-10Si合金的SEM背散射电子图像 e-g) EDS元素映射显示Cr₃Si相和两个Al₈Cr₅相的形成

分析结果：尽管Al、Cr和Si元素的熔点差异很大（Cr:1907°C; Si:1414°C; Al:660°C），UHS在约1700±100°C下仅需约10秒就能形成预期的Cr₃Si和两个Al₈Cr₅相。SEM显示烧结坯体具有致密结构，EDS映射表明先驱元素在快速UHS过程中充分扩散和反应形成合金相。

金属间化合物分析

Figure 4: a-c) MoSi₂和d-f) Nb₅Si₃的SEM背散射电子图像和EDS元素映射

分析结果：UHS成功合成了高熔点的金属间化合物MoSi₂（熔点2020°C）和Nb₅Si₃（熔点2515°C）。对于MoSi₂，粉末坯体中的局部成分变化导致形成少量Mo₅Si₃和未反应的纯Si。对于Nb₅Si₃，存在一些残余共晶结构，可通过更高温度或更长烧结时间进一步反应形成单一Nb₅Si₃相。这些结果表明UHS适用于高性能金属间化合物的快速制备。

复杂Nb基合金分析

Figure 5: a) SEM背散射电子图像和b-g) EDS元素映射

分析结果：UHS成功合成了复杂的7元素Nb基合金（41.9Nb-22.5Ti-20.9Si-9.2Cr-2Al-2B-1.5Sn, at.%），尽管元素粉末的熔点差异显著（从450°C的Sn到2477°C的Nb）。合金包含四种不同相：含Sn的Nb基bcc固溶体（亮相）、富Si的Nb₅Si₃相（主要相，灰色）、富Cr的C-14 Laves相Nb(Cr,Si)₂（深灰色）和富Ti的TiB₂相（暗相）。UHS实现了快速元素扩散，使多元素合金能够在不受共晶成分限制的情况下烧结。