溶解-再析出(solution-reprecipitation)
在液相燒結中,最初那陣快速的擠壓來自粒子單純滑進更緊密的堆積,但單靠這一點無法閉合所有空隙——晶粒仍是彼此不合的彆扭形狀。溶解-再析出就是解決這問題的巧妙中期:固體在晶粒彼此擠壓之處真的溶解掉、在有空間之處再長回來,於是晶粒重塑自己以填滿空間、緊密堆積。材料被從擁擠的接觸點、透過液體、一個原子一個原子地搬到開放的口袋。
這個機制的關鍵是一個壓力把戲。在兩顆晶粒隔著薄液膜相壓之處,那個接觸承受高應力——液體的毛細力加上任何外加壓力,聚焦在一小塊面積上。受壓的固體比同一種不受應力的固體略微更可溶(與冰在冰刀下融化同一個道理),所以受載的接觸點會優先溶解。溶解的材料順著濃度梯度擴散穿過周圍的液體,再析出到不受應力的晶粒表面與較大的晶粒上。淨效果有三重:晶粒在接觸點壓平、互鎖,於是坯體收縮、緻密化;晶粒形狀順應著去填滿氣孔;而且因為小晶粒比大晶粒更可溶,小晶粒溶解、餵養大晶粒的成長——奧士華熟成,使晶粒尺寸粗化。速率由最慢的那一步支配:固體的溶解度、它在液體中的擴散、或界面上的反應。
溶解-再析出正是液相燒結之所以能在不高的溫度下高效達到全緻密的原因——它從晶粒中心之間移走材料(真正的緻密化),而搬運物質的是液體,不是緩慢的固態擴散。它是燒成瓷器、燒結碳化物、加氧化物添加劑的氮化矽、以及許多電子陶瓷的緻密化核心。但它帶著一份誠實的代價。它驅動的晶粒粗化可能過度,而且它要求固體在液體中有相當的溶解度——這正是為什麼某些很共價的固體需要精心挑選的添加劑才能奏效。而且如同所有液相路線,那個搬運物質的液體在冷卻時凍成一層晶界相,其性質此後便在高溫下糾纏著這塊陶瓷。
在燒結碳化鎢中,熔融的鈷在受壓的晶粒接觸點溶解 WC、再把它析出到別處;碳化物晶粒重塑並堆積到接近全緻密,冷卻時鈷凝固成一層穿行其間的韌性黏結相——這是溶解-再析出緻密化的經典。
固體在受應力的接觸點溶解、穿過液體、在氣孔中再析出——晶粒重塑並緻密化。
溶解-再析出同時緻密化與粗化:讓接觸點壓平的那個小晶粒溶解,也在餵養大晶粒的成長,所以為了密度而猛推它,可能讓你落得粗大的顯微組織。