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—種新的粉末冶金燒結技術—放電等離子燒結

—種新的粉末冶金燒結技術—放電等離子燒結

 

放電等離子燒結(Spark Plasma Sintering, SPS)工藝是將金屬等粉末裝入石墨等材質制成的模具內,利用上、下模沖及通電電極將特定燒結電源和壓制壓力施加于燒結粉末,經放電活化、熱塑變形和冷卻完成制取高性能材料的一種新的粉末冶金燒結技術。

  在SPS燒結過程中,脈沖電流由壓頭流入,流出的電流分成幾個流向;經過石墨模具的電流產生大量的熱,用于加熱粉料;經過燒結體的電流,由于燒結初期顆粒之間存在間隙,相鄰顆粒之間將產生火花放電,一些氣體分子被電離,產生的正離子和電子分別向陰極和陽極運動,在顆粒之間放電形成等離子體;隨著等離子體密度的不斷增大,高速反向運動的粒子流對顆粒表面產生較大沖擊力,不僅可吹散吸附的氣體或破碎的氧化膜,而且能凈化和活化顆粒表面,有利于粉末的燒結;粉末顆粒在脈沖電場作用下未接觸部位產生放電熱,接觸部位產生焦耳熱,瞬間形成的高溫場使顆粒表面發生局部融化;在加壓的情況下,融化的顆粒相結合,熱量的局部擴散使結合部位粘接在一起,形成燒結頸。

  傳統的熱壓燒結主要由通電產生的焦耳熱和加壓使粉末顆粒產生塑性變形并進行致密化燒結,SPS除上述作用外,還利用在粉末顆粒間放電產生的等離子體使其自熱而進行燒結。SPS技術融等離子活化與熱壓為一體,與傳統的熱壓、熱等靜壓技術相比,具有燒結快速、燒結溫度低、無需粉末預成形、可直接燒成致密體等優點,是一種快速、節能、環保的材料制備加工新技術,可以有效地解決傳統燒結方法中致密度低和晶粒尺寸大的問題。

  由于SPS技術具有上述優點,故可用來制備金屬材料、陶瓷材料、復合材料,特別是可用來制備常規工藝難以制備的納米塊體材料、非晶塊體材料、梯度材料等。例如,功能梯度材料的成分是梯度變化的,各層的燒結溫度不同,利用傳統的燒結方法難以一次燒成。利用CVD、PVD等方法制備梯度材料,成本很高,也很難實現工業化;利用SPS在石磨模具中產生的梯度溫度場,只需要幾分鐘就可以燒結好成分配比不同的梯度材料。目前SPS成功制備的梯度材料有:不銹鋼/ZrO2;Ni/ZrO2;Al/高聚物等梯度材料。

致密納米材料的制備越來越受到重視。利用傳統的熱壓燒結和熱等靜壓燒結等方法來制備納米材料時,很難保證能同時達到納米尺寸的晶粒和完全致密的要求。利用SPS技術,由于加熱速度快,燒結時間短,可顯著抑制晶粒粗化。例如:用平均粒度為5μm的TiN粉經SPS燒結(1963K,196~382MPa,燒結5min),可得到平均晶粒65nm的TiN密實體。用普通粉末冶金法制備大塊非晶材料目前還難以實現,SPS作為新一代燒結技術有望在這方面取得進展,利用SPS燒結由機械合金化制取的非晶Al基粉末已經得到了塊狀(10mm × 2mm)非晶試樣。

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