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粉末冶金SPS的燒結(jié)原理及工藝優(yōu)勢(shì)

日期:2023-12-27 分類:常見(jiàn)問(wèn)題 點(diǎn)擊:270

SPS的燒結(jié)原理

等離子體和等離子加工技術(shù)

SPS是利用放電等離子體進(jìn)行燒結(jié)的。等離子體是物質(zhì)在高溫或特定激勵(lì)下的一種物質(zhì)狀態(tài),是除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)以外,物質(zhì)的第四種狀態(tài)。等離子體是電離氣體,由大量正負(fù)帶電粒子和中性粒子組成,并表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性氣體。

等離子體是解離的高溫導(dǎo)電氣體,可提供反應(yīng)活性高的狀態(tài)。等離子體溫度4000~10999℃,其氣態(tài)分子和原子處在高度活化狀態(tài),而且等離子氣體內(nèi)離子化程度很高,這些性質(zhì)使得等離子體成為一種非常重要的材料制備和加工技術(shù)。

等離子體加工技術(shù)已得到較多的應(yīng)用,例如等離子體CVD、低溫等離子體PBD以及等離子體和離子束刻蝕等。等離子體多用于氧化物涂層、等離子刻蝕方面,在制備高純碳化物和氮化物粉體上也有一定應(yīng)用。而等離子體的另一個(gè)很有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域是在陶瓷材料的燒結(jié)方面。

產(chǎn)成等離子體的方法包括加熱、放電和光激勵(lì)等。放電產(chǎn)生的等離子體包括直流放電、射頻放電和微波放電等離子體。SPS利用的是直流放電等離子體。

SPS裝置和燒結(jié)基本原理

SPS裝置主要包括以下幾個(gè)部分:軸向壓力裝置;水冷沖頭電極;真空腔體;氣氛控制系統(tǒng)(真空、氬氣);直流脈沖及冷卻水、位移測(cè)量、溫度測(cè)量、和安全等控制單元。

SPS與熱壓(HP)有相似之處,但加熱方式完全不同,它是一種利用通-斷直流脈沖電流直接通電燒結(jié)的加壓燒結(jié)法。通-斷式直流脈沖電流的主要作用是產(chǎn)生放電等離子體、放電沖擊壓力、焦耳熱和電場(chǎng)擴(kuò)散作用。在SPS燒結(jié)過(guò)程中,電極通入直流脈沖電流時(shí)瞬間產(chǎn)生的放電等離子體,使燒結(jié)體內(nèi)部各個(gè)顆粒均勻的自身產(chǎn)生焦耳熱并使顆粒表面活化。與自身加熱反應(yīng)合成法(SHS)和微波燒結(jié)法類似,SPS是有效利用粉末內(nèi)部的自身發(fā)熱作用而進(jìn)行燒結(jié)的。SPS燒結(jié)過(guò)程可以看作是顆粒放電、導(dǎo)電加熱和加壓綜合作用的結(jié)果。除加熱和加壓這兩個(gè)促進(jìn)燒結(jié)的因素外,在SPS技術(shù)中,顆粒間的有效放電可產(chǎn)生局部高溫,可以使表面局部熔化、表面物質(zhì)剝落;高溫等離子的濺射和放電沖擊清除了粉末顆粒表面雜質(zhì)(如去處表面氧化物等)和吸附的氣體。電場(chǎng)的作用是加快擴(kuò)散過(guò)程。

SPS的工藝優(yōu)勢(shì)

SPS的工藝優(yōu)勢(shì)十分明顯:加熱均勻,升溫速度快,燒結(jié)溫度低,燒結(jié)時(shí)間短,生產(chǎn)效率高,產(chǎn)品組織細(xì)小均勻,能保持原材料的自然狀態(tài),可以得到高致密度的材料,可以燒結(jié)梯度材料以及復(fù)雜工件。與HP和HIP相比,SPS裝置操作簡(jiǎn)單,不需要專門的熟練技術(shù)。文獻(xiàn)報(bào)道,生產(chǎn)一塊直徑100mm、厚17mm的ZrO2(3Y)/不銹鋼梯度材料(FGM)用的總時(shí)間是58min,其中升溫時(shí)間28min、保溫時(shí)間5min和冷卻時(shí)間25min。與HP相比,SPS技術(shù)的燒結(jié)溫度可降低100~200℃。

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