热等静压烧结技术在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用

江涛 陈燕 黄鹏 杨鸽 卢永洁 丁一明

摘要：热等静压烧结技术是一种在高温度高压力下烧结的工艺生产技术。通过以密闭容器中的高压惰性气体或氮气为传压介质，在高温高压的共同作用下，被加工件的各向均衡受压。所以加工产品的致密度高，均匀性好，性能优异。热等静压烧结技术可选择的材料种类比较广泛，适用面比较广泛。热等静压烧结技术在材料科学与工程领域得到广泛的应用。本文主要讲述热等静压烧结技术的原理和工程应用，并详细讲述热等静压烧结技术在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用，并对热等静压烧结技术的未来发展趋势进行分析和预测。

关键词：热等静压烧结技术 材料科学与工程专业 实验教学 研究应用

一、前言

在材料科学与工程专业的本科教学工作中，学生在高年级就开始学习材料科学与工程专业的基础课程和专业课程。其中在材料科学与工程专业课程教学中，在讲述材料的制备工艺方法中讲述过热等静压烧结技术制备和合成复合材料。热等静压烧结技术是制备金属基复合材料，金属陶瓷复合材料的主要方法。热等静压烧结技术是一种集高温度、高压力于一体的工艺生产技术，加热温度通常非常高，通过以密闭容器中的高压惰性气体或氮气为传压介质，工作压力可达到非常高的压力。在高温高压的共同作用下，被加工件的各向均衡受压。故加工产品的致密度高，均匀性好，性能优异。热等静压烧结技术可以制备金属材料、复合材料、梯度功能材料等。热等静压烧结工艺烧结时间较长，烧结温度高，可以制备完全致密的烧结块材。热等静压烧结工艺具有快速成型的优点。采用热等静压烧结工艺可以制备复合材料包括金属基复合材料等。热等静压烧结工艺制备复合材料由于具有可以达到净近尺寸成形的优势，所以能够广泛应用于工程领域中。在材料科学与工程专业的本科课程教学中，在材料加工工程和材料合成与制备方法中都讲述过热等静压烧结技术。此外还可以将热等静压烧结技术制备复合材料作为一项实验教学内容安排学生进行实验，使学生认识和了解热等静压烧结技术制备复合材料的工艺过程。所以热等静压烧结工艺制备复合材料在材料科学与工程专业教学实践中得到广泛的应用。本文主要讲述热等静压烧结技术的原理和工程应用，并讲述热等静压烧结技术在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用，并对热等静压烧结技术的未来发展趋势进行分析和预测。

二、热等静压烧结技术的原理和工程应用

热等静压烧结技术是一种在高温度和高压力下烧结的工艺生产技术，加热温度通常较高，通过以密闭容器中的高压惰性气体或氮气为传压介质工作压力较高。在高温高压的共同作用下，被加工件的各向均衡受压。故加工产品的致密度高均匀性好，性能优异。同时热等静压烧结技术具有生产周期短工序少、能耗低、材料损耗小等特点。随着热等静压设备性能的不断改进完善，热等静压烧结技术现已在硬质合金烧结，难熔金属及合金的致密化，产品的缺陷修复，大型及异形构件的近净成形，复合材料及特种材料的生产加工等方面得到了广泛应用。热等静压烧结技术在硬质合金生产中开始得到实际应用。在传统真空烧结的基础上对硬质合金进行热等静压处理形成真空烧结结合热等静压烧结工艺，该工艺将相对密度较低的烧结制品在热等静压机中处理一定时间使制品的致密度明显提高孔隙度显著降低，抗弯强度及使用寿命均显著改善。但热等静压烧结设备的设计和控制费用昂贵，维护和操作也比较复杂，因此在硬质合金中应用尚不普遍。随着科学技术的不断进步开发了烧结-热等静压工艺，又被称为低压热等静压或过压烧结。烧结-热等静压新工艺比热等静压处理更能有效提高产品质量，现已成为生产高质量硬质合金的主要手段。热等静压烧结技术在大尺寸硬质合金制品的生产中具有明显优势，热等静压烧结技术可选择材料种类比较广泛适用面比较广泛。采用热等静压烧结技术在难熔金属中得到广泛应用，通过热等静压烧结技术可以制备合金材料。采用热等静压烧结工艺降低烧结温度和保温时间可获得性能优异的纤维或晶须增强复合材料。

三、热等静压烧结技术在材料科学与工程专业的实验教学中的研究和应用

热等静压烧结技术具有烧结温度高，烧结时间较长，烧结效率高，可以实现快速成型工艺，所以热等静压烧结技术主要用于制备金属陶瓷，金属间化合物，金属间化合物/陶瓷复合材料，梯度功能材料等。在材料科学与工程专业的教学课程中，其中材料加工工程和材料制备与合成方法讲述过热等静压烧结工艺。热等静压烧结工艺同粉末冶金技术和液相烧结技术一样都是材料的制备工艺技术。热等静压烧结工艺同样是热加工工艺，热等静压烧结技术是一种在高温度和高压力下烧结的工艺生产技术，加热温度通常较高，通过以密闭容器中的高压惰性气体或氮气为传压介质，工作压力可达较高的压力。在高温高压的共同作用下被加工件的各向均衡受压。故加工产品的致密度高，均匀性好，性能优异。同时热等静压烧结技术具有生产周期短，工序少，能耗低，材料损耗小等特点。在材料科学与工程专业课程的课堂教学中，有些专业课程中对热等静压烧结工艺只是作为了解，对于热等静压烧结工艺制备复合材料的具体内容和制备工艺步骤的研究和应用了解很少。所以就需要在材料科学与工程专业的实践教学课程中增加一些关于热等静压烧结工艺制备复合材料的实验课程。通过热等静压烧结工艺制备复合材料的实践教学活动可以使学生认识和了解热等静压烧结工艺制备复合材料的原理，制备工艺过程以及对经过热等静压烧结工艺后得到复合材料制品的物相组成，显微结构和性能进行研究，使学生通过对材料的制备与研究过程可以加深学生对材料科学与工程专业课程学习的认识和了解。对于本科学生的教学实践课程可以在本科学生的本科专业课程设计和本科毕业设计过程中安排采用热等静压烧结工艺制备金属基复合材料和金属陶瓷复合材料的教学内容。例如采用热等静压烧结工艺可以制备金属陶瓷复合材料，先将金属粉末和陶瓷粉末通过压力成型工艺制成坯体，然后将预制成型的坯体放入热等静压机中并通过热等静压烧结工艺制备金属陶瓷复合材料。通过实验教学过程使学生认识和了解到热等静压烧结工艺制备金属陶瓷复合材料的制备工艺过程，提高学生对课程学习的认识和了解。使学生通过实验教学认识和了解了热等静压烧结工艺制备复合材料的制备工艺原理，使用方法和制备过程，以及对得到烧结产物的物相组成和显微结构进行分析和测试。热等静压烧结技术主要应用在硬质合金中，采用热等静压工艺可以制备力学性能优越的硬质合金材料。热等静压烧结工艺可以制备金属合金制品。热等静压烧结工艺可以应用在新材料的制备和生产中。

热等静压烧结工艺优势是加热均匀，升温速度快，烧结温度高，烧结时间长，生产效率高，产品组织细小均匀可以得到高致密度的材料。热等静压烧结工艺可选择的材料种类比较广泛，适用面也比较广泛。热等静压烧结工艺可以得到完全致密的烧结制品。热等静压烧结技术操作过程比较复杂，对设备要求较高，特别是需要热等静压烧结炉，可以进行现场操作，因此可以作为本科学生的课程教学实验内容，可作为材料科学与工程专业课程的辅助教学实验，也可以作为本科专业课程设计和本科毕业设计教学内容。使学生通过实践教学来加深对材料科学与工程专业课程的认识和掌握。使学生认识到金属基复合材料的制备过程以及金属陶瓷复合材料的制备过程等，并使得学生对热等静压烧结工艺得到的烧结制品进行分析和测试，使学生对材料的分析和检测水平有较大的提高，对于拓展学生的知识面有很大的帮助，为本科学生以后的本科专业课程设计和本科毕业设计打下坚实的实验基础。

四、热等静压烧结技术在材料科学与工程领域的研究发展趋势

热等静压烧结技术在成形烧结、金属致密化以及扩散连接等方面做了大量的研究开发工作，应用规模不断扩大。热等静压烧结技术可选择材料的种类比较广泛，适用面比较广泛。热等静压烧结设备在不断地完善和开发，现已具备设计和制作热等静压设备的能力。热等静压技术在以下方面进行研究和开发，热等静压致密化过程的基础理论研究，净成形技术研究等方面。需要开发热等静压的工程应用扩大在硬质合金方面的应用以及在高温合金、复合材料等领域的应用，还需要研究和开发热等静压设备的设计制造水平包括设备功能等。由于热等静压烧结技术在材料科学与工程领域有着广泛的研究和应用，所以应该在本科学生的实验教学中安排采用热等静压烧结工艺制备和合成复合材料的实验课程。

五、结论

热等静压烧结技术是一种在高温度和高压力下烧结的工艺生产技术，通过以密闭容器中的高压惰性气体或氮气为传压介质。在高温高压的共同作用下，被加工件的各向均衡受压，故加工产品的致密度高，均匀性好，性能优异。热等静压烧结技术可选择材料的种类比较广泛，适用面比较广泛。热等静压烧结技术在材料科学与工程领域得到广泛的应用。本文主要讲述热等静压烧结技术的原理和工程应用，并详细讲述热等静压烧结技术在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用，并对热等静压烧结技术的未来发展趋势进行分析和预测。

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