在烧结过程中形成液相时，压坯失去骨架刚性，重力变形和液体排流便是由此直接造成的后果。 在重金属合金或硬质合金中，一旦液相比例超过约5–10体积%，粉末压坯的有效黏度就会骤降。这会使整个零件易受重力影响：致密的固体晶粒向下沉降，而较轻的液体被挤向上方，从而形成显微组织偏析、塌陷和各向异性收缩。其严重程度取决于固相与液相之间的密度差、液体总体积以及炉内的温度均匀性。
根本原因是：在低黏度液体存在的情况下，固体晶粒网络的承载能力发生坍塌，同时两相之间存在显著的密度差异。缓解措施的核心在于管理液相体积分数、控制热工艺曲线以限制瞬时黏度下降、保持均匀加热，并对压坯进行物理支撑以抵抗重力作用。
驱动变形和液体排流的机制
载荷作用下的黏度骤降
当粉末压坯被加热至烧结温度时，低熔点组分熔化并在固体晶粒之间铺展。即使液体体积适中，通常为5–10 vol%，也会触发有效黏度的急剧下降。
固体颗粒不再锁定于能够抵抗自身重量的刚性网络中。在重力作用下，整个结构开始表现得像致密浆料，而不是能够保持形状的固体。这就是其根本脆弱性所在。
重力作为分选驱动力
一旦黏度下降，重力就会成为强大的偏析作用力。如果固相的密度明显高于液相（例如镍基熔体中的钨晶粒），较重的颗粒就会向压坯底部沉降。与此同时，较轻的液体被排挤并向上排流。
这种垂直分选会持续进行，直到下沉的晶粒彼此接触并形成沉降固体骨架，底部的临界固相体积分数通常约为0.60。结果是零件底部致密且富含固相，而顶部富含液相并具有较多孔隙，形成严重的结构梯度。
液体渗透的瞬态风险
变形并不只是稳态问题。液体快速形成会在达到平衡之前带来瞬态风险。新形成的液体润湿固体晶粒后，可能渗入晶界并溶解固体烧结颈。
这种晶界侵入会削弱相互嵌合的固体网络，引起尺寸膨胀并进一步降低刚性。液体随时间的渗透深度遵循毛细驱动关系，其中孔隙尺寸、表面能、接触角和液体黏度都会发挥作用。因此，快速升温速率会放大早期阶段的膨胀和变形。
各向异性因素的放大效应
重力变形很少单独发生。基底摩擦、加热不均匀区域以及压制造成的生坯密度差异，都会增加方向性偏差。
初始生坯密度较低的区域会发生更多收缩，而压坯中即使存在轻微温度梯度，也会导致液体不均匀形成。这些影响会叠加垂直沉降，使原本可能尚可接受的梯度转变为明显的翘曲或塌陷。
减少高温烧结中的变形
掌控液体体积与固体装载量
最有效的调控手段是将液相比例保持在受控且可持续的范围内，通常为5–15 vol%。液体过多会消除提供骨架刚性的必要固体晶粒间接触。
液体过少则无法实现充分致密化。工艺工程师必须设计合金成分和初始生坯密度，使烧结峰值温度下的液体体积刚好足以促进致密化，同时不会淹没固体骨架。
精确的热工艺曲线
液体形成的速率与最终液体量同样重要。在熔化温区内缓慢、受控地升温，可以为固体网络提供调整时间，并减轻快速毛细渗透带来的冲击。
采用多区炉并保持严格的温度均匀性，可以避免局部热点产生过量液体。精确控制峰值温度下的保温时间，能够通过限制晶粒长大和液池聚并，避免不必要的粗化及二次塌陷。
刚性物理支撑
即使化学成分和加热过程都达到理想状态，高大或复杂的零件仍需要帮助以抵抗重力。专用陶瓷承烧板或定制物理支撑件可以承托零件，并抵消推动其塌陷的体力作用。
支撑材料必须在烧结温度下具有化学惰性，并且不应引入摩擦诱发的开裂。对于大型几何结构，专门设计的支撑并非可有可无，而是主要防护措施之一。
均匀的生坯压实
变形往往在零件进入炉子之前很久就已经开始。不均匀装模或压制造成的生坯密度梯度，会导致差异收缩，并在液相烧结过程中受到重力作用的进一步放大。
通过模具设计、压机设置和粉末流动控制，使生坯达到尽可能高的均匀性，可以确保翘曲的初始驱动力最小化。当热场和重力场同样均匀时，均质压坯会发生各向同性收缩。
理解其中的权衡
没有一种解决方案适用于所有情况。将液体体积降低到5%以下可能会损害致密化效果并留下残余孔隙。降低升温速率会增加周期时间和能耗。增加物理支撑可能使炉内装载更加复杂，并需要开展材料相容性研究。
几何形状也会影响敏感性：较高的压坯由于垂直应力累积，底部承受的偏析会呈指数级增加。在可能的情况下缩短压坯高度，或改变其在炉内的方向，可以显著降低梯度，但必须权衡最终零件的几何需求。
为您的工艺做出正确选择
每种烧结情况都涉及合金成分、零件几何形状和炉子能力之间的独特平衡。您的缓解策略应围绕最关键的薄弱环节进行优先设计。
- 如果您主要处理密度差异极大的重合金（例如W-Ni-Fe）：严格控制升温速率，以限制瞬态液体渗透，并使用物理支撑，在形成连通骨架之前抵消固体快速沉降的影响。
- 如果您主要处理液体体积适中的硬质合金：将液相比例保持在5–15 vol%的理想范围内，密切关注生坯密度的均匀性，并依靠精确的温度均匀性来防止局部过烧结。
- 如果您主要处理大型或高大零件：在可能的情况下缩短零件高度，烧结时将最长轴水平放置，并使用工程化陶瓷承烧板提供连续支撑，以抵抗塌陷。
- 如果您主要目标是在避免变形的同时实现最大致密化：在液体形成阶段采用略慢的升温斜率，配合短时且受控的保温时间以及预先校准的液体体积，并接受为了质量而增加的周期时间。
变形并非不可避免的结果；它是一种可以理解、预测并通过系统化工程从工艺中消除的物理响应。
总结表：
| 原因/机制 | 对烧结的影响 | 关键缓解策略 |
|---|---|---|
| 黏度骤降 | 液相比例>5–10 vol%会导致骨架刚性严重丧失 | 将液体体积严格控制在5–15 vol%的范围内 |
| 重力分选 | 致密晶粒下沉，而较轻的液体向上排流 | 使用定制陶瓷承烧板并优化零件方向 |
| 瞬态侵入 | 液体快速形成并渗入晶界，导致膨胀 | 在熔化温区内采用受控的多区升温曲线 |
| 生坯密度梯度 | 不均匀压制会放大方向性收缩 | 确保压实、装模和生坯密度均匀且具有各向同性 |
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