工艺 II · 粉末、烧结与增材制造
有一整类材料无法靠"熔化-浇铸"制造：陶瓷熔点太高、硬质合金必须保持硬相不熔、难熔金属加工困难——它们走粉末路线：把粉压成形，再靠扩散把颗粒长在一起（烧结）。增材制造（3D 打印）是这条路线在当代的爆发。
1. 烧结：用扩散把粉变成体
驱动力：颗粒表面积巨大 ⇒ 表面能是可观的能量储备，系统靠减少表面积降能——烧结是"表面能驱动的扩散过程"（热力 II 的扩散在此当主角）。
三阶段：颈部形成（颗粒接触点长出连接颈）→ 致密化（孔隙连通网络收缩，收缩率 10–20%）→ 孔隙孤立球化与晶粒长大（收益递减区：继续烧只长晶粒不再致密——性能 I 的 Hall–Petch 提醒我们晶粒长大是坏事）。
关键控制量：温度（\(0.7\)–\(0.9\,T_m\)）、粉末粒度（越细比表面积越大、驱动力越强、温度可越低——纳米粉可显著降低烧结温度）、压力（热压/热等静压 HIP 直接把孔压掉，用于高可靠性件与增材件后处理）、添加剂（液相烧结：少量低熔点相润湿颗粒、毛细力拉紧——硬质合金 WC–Co 与多数工业陶瓷的方案）。
工业主力：硬质合金刀具（WC 硬相 + Co 韧相——硬与韧的机械混合，"复合"思想的经典）、陶瓷件、粉末冶金齿轮/轴承（净成形省加工）、氧化物弥散强化合金 ODS（弥散相太稳定无法靠析出获得，只能粉末混入——性能 I 的第四种强化在此才有制造途径）。
2. 增材制造：逐层堆积的材料学
主流工艺谱（按能量与原料分）：
| 工艺 | 原理 | 材料 | 特点 |
|---|---|---|---|
| L-PBF（激光粉末床熔融，即 SLM） | 铺粉 + 激光逐点熔化 | 钛、镍基、铝、不锈钢 | 精度高、最主流的金属 AM |
| EBM（电子束粉末床） | 真空 + 电子束 | Ti-6Al-4V 等 | 高温床、残余应力低、粗糙度高 |
| DED（定向能量沉积） | 送粉/送丝 + 激光电弧 | 金属 | 大件、修复、梯度材料 |
| 粘结剂喷射 | 喷胶成形 + 后烧结 | 金属/陶瓷 | 快、无热应力、需烧结致密化 |
| FDM / SLA | 熔丝堆积 / 光固化 | 高分子 | 桌面级主力 |
AM 特有的材料学问题（这是本页最值钱的一段）：
- 极端热历史：熔池冷速 \(10^5\)–\(10^7\) K/s ⇒ 极细组织、非平衡相、外延生长的柱状晶 + 沿建造方向的强织构 ⇒ 各向异性（Z 向性能常低 10–20%）；
- 残余应力：逐层急冷急热 ⇒ 高残余拉应力，薄壁翘曲、开裂 ⇒ 基板预热、扫描策略（岛状/旋转）、去应力退火；
- 缺陷：未熔合（能量不足）、匙孔孔隙（能量过高蒸发反冲）、球化——工艺窗口在"能量密度"图上是一块有限区域，两侧都是缺陷（这是 AM 参数优化的中心图，也是机器学习最早落地的材料工艺问题之一，前沿 III 呼应）；
- 后处理几乎必需：HIP 消孔隙、热处理调组织、表面加工——"打印完就能用"在承力件上基本不成立；
- 可打印材料的筛选：AlSi10Mg 好打（近共晶、流动性好）、7075 高强铝难打（凝固裂纹倾向大——需加成核剂改性）——"为增材设计的合金"是当前活跃研究方向。
AM 真正的价值主张（不是"什么都能打"）：拓扑优化的复杂几何（🔗 机器的力学站结构优化）、随形冷却流道（模具寿命与周期显著改善）、零件整合（几十个零件合成一个、消除连接与泄漏点）、小批量与备件、梯度/多材料。判据：单件价值高、几何复杂、批量小——三条同时满足才是 AM 的甜区。
3. 数字感与反直觉
- 烧结收缩 10–20%（模具设计必须预留——尺寸精度的第一难点）；
- L-PBF 层厚 20–60 μm、光斑 ~80 μm、构建速率约 5–40 cm³/h（产能是 AM 的主要瓶颈，多激光机型是产业化方向）；
- 硬质合金：WC 硬度 ~2000 HV，加 6–12% Co 后韧性大增而硬度仍 ~1500 HV——十分之一的软相买来数倍韧性；
- 反直觉：烧结不需要熔化（低于熔点靠扩散）；AM 的"设计自由"其实受工艺约束严格（悬垂角、支撑、粉末排出孔——面向增材的设计 DfAM 是一门独立手艺）；打印金属件的疲劳性能常由表面粗糙度与内部孔隙主导，而非基体强度（性能 II 的裂纹逻辑）。
【研】对标 German《Sintering》、DebRoy et al. 的 AM 综述（Prog. Mater. Sci. 2018）；烧结动力学模型、熔池多物理场模拟、AM 组织-性能定量关系是研究生与产业界共同的前沿。
做出来之后，怎么知道里面长什么样？下一页：表征——材料科学家的眼睛。