粉體工程實(shí)驗(yàn)三放電等離子燒結(jié)粉體

粉體工程實(shí)驗(yàn)三放電等離子燒結(jié)粉體來進(jìn)展起來的一種新型的快速燒結(jié)技術(shù)。

由于等離子活化燒結(jié)技術(shù)融等離子活化、熱壓、電阻加熱為一體,因而具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、晶粒勻稱、有利于掌握燒結(jié)體的微小結(jié)構(gòu)、獲得的材料致密度高、性能好等特點(diǎn)。

該技術(shù)利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫場來實(shí)現(xiàn)燒結(jié)過程,對(duì)于實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效、低耗低成本的材料制備具有重要意義,在納米材料、復(fù)合材料等的制備中顯示了極大的優(yōu)越性,現(xiàn)已應(yīng)用于金屬、陶瓷、復(fù)合材料以及功能材料的制備。

目前國內(nèi)外很多高校和科研機(jī)構(gòu)利用進(jìn)行新材料的討論與開發(fā),并對(duì)其燒結(jié)機(jī)理與特點(diǎn)進(jìn)行深化討論與探究,尤其是其快速升溫的特點(diǎn),可作為制備納米塊體材料的有效手段,因而引起材料學(xué)界的特殊關(guān)注。

目前使用的系統(tǒng)主要是由3部分組成圖1:①產(chǎn)生單軸向壓力的裝置和燒結(jié)模,壓力裝置可依據(jù)燒結(jié)材料的不同施加不同的壓力;②脈沖電流發(fā)生器,用來產(chǎn)生等離子體對(duì)材料進(jìn)行活化處理;③電阻加熱設(shè)備。

與熱壓燒結(jié)有相像之處,但加熱方式完全不同,它是利用直流脈沖電流直接通電燒結(jié)的加壓燒結(jié)方法,通過調(diào)整脈沖直流電的大小掌握升溫速率和燒結(jié)溫度。

整個(gè)燒結(jié)過程可在真空環(huán)境下進(jìn)行,也可在愛護(hù)氣氛中進(jìn)行,燒結(jié)過程中,電流直接通過上下壓頭和燒結(jié)粉體或石墨模具,因此加熱系統(tǒng)的熱容很小,升溫柔傳熱速度快,從而使快速升溫?zé)Y(jié)成為可能。

系統(tǒng)可用于短時(shí)間、低溫、高壓500-1000燒結(jié),也可用于低壓20-30、高溫1000-2000℃燒結(jié),因此廣泛應(yīng)用于金屬、陶瓷和各種復(fù)合材料的燒結(jié),包括一些用通常方法難以燒結(jié)的材料,如表面簡單生成硬的氧化層的金屬鈦和鋁,用技術(shù)可在短時(shí)間內(nèi)燒結(jié)到90%-100%致密。

的燒結(jié)有兩個(gè)特別重要的步驟,首先由特別電源產(chǎn)生的直流脈沖電壓,在粉體的空隙產(chǎn)生放電等離子,由放電產(chǎn)生的高能粒子撞擊顆粒間的接觸部分,使物質(zhì)產(chǎn)生蒸發(fā)作用而起到凈化和活化作用,電能貯存在顆粒團(tuán)的介電層中,介電層發(fā)生間歇式快速放電,如圖4所示。

圖2放電過程中粉末粒子對(duì)的模型等離子體的產(chǎn)生可以凈化金屬顆粒表面,提高燒結(jié)活性,降低金屬原子的集中自由能,有助于加速原子的集中。

當(dāng)脈沖電壓達(dá)到肯定值時(shí),粉體間的絕緣層被擊穿而放電,使粉體顆粒產(chǎn)生自發(fā)熱,進(jìn)而使其高速升溫。

粉體顆粒高速升溫后,晶粒間結(jié)合處通過集中快速冷卻,電場的作用因離子高速遷移而高速集中,通過重復(fù)施加開關(guān)電壓,放電點(diǎn)在壓實(shí)顆粒間移動(dòng)而布滿整個(gè)粉體,使脈沖集中在晶粒結(jié)合處是過程的一個(gè)特點(diǎn)。

顆粒之間放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部高溫,在顆粒表面引起蒸發(fā)和熔化,在顆粒接觸點(diǎn)形成頸部,由于熱量馬上從發(fā)熱中心傳遞到顆粒表面和向四周集中,頸部快速冷卻而使蒸氣壓低于其他部位。

氣相物質(zhì)分散在頸部形成高于一般燒結(jié)方法的蒸發(fā)-凝固傳遞是過程的另一個(gè)重要特點(diǎn)。

晶粒受脈沖電流加熱和垂直單向壓力的作用,體集中、晶界集中都得到加強(qiáng),加速了燒結(jié)致密化過程,因此用較低的溫度和比較短的時(shí)間可得到高質(zhì)量的燒結(jié)體。

等離子燒結(jié)的工藝流程如下:四、試驗(yàn)步驟1、用電子天平稱取適當(dāng)質(zhì)量的-粉,放入模具中,熱電偶放入模具測溫孔;2、開總閥門→打開掌握電腦→開啟掌握軟件→模具加壓,腔體抽真空;3、首先開啟機(jī)械泵,緩慢打開閥門,防止噴油,等真空抽到接近10帕,打開羅茨泵抽真空至約10-1帕;4、設(shè)置升溫曲線升溫速度最大100℃,開啟軟件記錄,執(zhí)行加熱。

5、加熱停,等樣品溫度降直150攝氏度,關(guān)真空,首先關(guān)閉羅茨泵,然后關(guān)閉機(jī)械泵,沖氣體進(jìn)