日本放電等離子體燒結的現(xiàn)狀

時間：2016-06-15作者：山東拓邦冶金設備有限公司瀏覽：88

	日本放電等離子體燒結的現(xiàn)狀


	 


	孟 曄*強文江 賈成廠(北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083


	 


	摘 要: 放電等離子燒結是通過粉末顆粒之間的等離子體放電，并對粉末加熱加壓進行燒結，制取**材料的一種新的粉末冶金技術。具有升溫速度快、燒結時間短、組織結構可控、節(jié)能環(huán)保等鮮明特點。本文簡介了日本近年來放電等離子燒結的現(xiàn)狀，包括設備、模具、制備的材料。希望能對該領域的**有參考意義。


	 


	關鍵詞:放電等離子燒結;現(xiàn)狀;設備;模具


	 


	放電等離子燒結(Spark Plasma Sintering，以下簡稱 SPS)工藝是將金屬、陶瓷等粉末裝入模具內，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(jīng)放電活化、


	熱塑變形和冷卻而完成，是制取**材料的一種新的粉末冶金燒結技術。放電等離子燒結具有在加壓過程中燒結的特點，脈沖電流產(chǎn)生的等離子體及燒結過程中的加壓有利于降低粉末的燒結溫度。具有升溫速度快、燒結時間短、組織結構可控、節(jié)能環(huán)保等鮮明特點，可用來制備金屬材料、陶瓷材料、復合材料，也可用來制備納米塊體材料、非晶塊體材料、梯度材料等。


	1988 年日本研制出**臺工業(yè)型 SPS 裝置，并在新材料研究領域內推廣使用。數(shù)年后，日本推出了可用于工業(yè)生產(chǎn)的 SPS *三代產(chǎn)品，具有 10 ～100 t 的燒結壓力和脈沖電流 5 000 ～ 8 000 A。隨后又研制出壓力**過 600 t，脈沖電流為 50 000 A 的大型 SPS 裝置。


	國內近年也開展了用 SPS 技術制備新材料的研究工作，引進了數(shù)臺 SPS 燒結系統(tǒng)。SPS 作為一種材料制備的全新技術，已引起了國內外的廣泛重視。


	本文 中，主 要 對 日 本 近 年 來 SPS 的 現(xiàn) 狀 進 行 介紹，希望能夠對**們有所啟迪，起到“拋磚引玉”的作用。


	1 設備


	“工欲善其事，必先利其器”，設備無疑是 SPS系統(tǒng)的主要組成部分。SPS 設備主要包括以下幾個部分: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、位移測量、溫度測量和安全等控制單元。SPS 與熱壓(HP)有相似之處，但加熱方式*不同，它是一種利用通 － 斷直流脈沖電流直接通電燒結，產(chǎn)生放電等離子體、放電沖擊壓力、焦耳熱和電場擴散共同作用的燒結方式。SPS可有效利用粉末內部的自身發(fā)熱作用而進行燒結。SPS 燒結過程中，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(如去除表面氧化物等)和吸附的氣體。電場的作用是加快擴散過程。傳統(tǒng)的觀念中，SPS 設備多為小型，僅能燒結直徑較小的圓片，且效率不高。但近年來，在設備方面，也有了很大的進步.


	1.       1 系列化與多樣化


	上述設備有如下特點:采用多燃燒室的后安裝方式，具有與生產(chǎn)量相對應的靈活系統(tǒng);*節(jié)能電源;工件自動傳送裝置與結構;裝卸、輸送、各類物料處理的自動化設備;具有可進行流程管理的高精密的操作軟件，可以自由設置溫度、升溫降溫速度、加壓力、保溫時間等參數(shù)，


	和大尺寸觸屏顯示器。


	1. 2 功能化與**化


	為了推進“功能梯度材料開發(fā)項目”的進行，開發(fā)了隧道式全自動 FGM/ LB 型系統(tǒng)。是集混合粉末全自動填充設備、SPS 燒結設備、自動物料輸送設備于一體，*自動化、模塊化，


	同時具有預熱、燒結、冷卻功能的 SPS 系統(tǒng)。圖 3 為隧道式 SPS 設備的實物照片。


	1. 3 大型化與連續(xù)化


	大型 SPS 設備的較大加壓壓力已經(jīng)**過 600噸，見表 1。傳統(tǒng)的觀念都認為 SPS 燒結一定是一個間斷的過程，難以進行連續(xù)操作。但日本已經(jīng)開發(fā)出連續(xù)性 SPS 設備。在燒結室的前后分別設置有真空腔體，所以能夠進行連續(xù)的燒結。主要規(guī)格有:電極尺寸400 mm、較大電流值 30 000 A、較大加壓壓力300 噸、較高真空度 6 Pa、常用較高溫度為 2 000 ℃ ?？梢詫饘?、陶瓷等粉末進行燒結，試樣較大尺寸300 mm × H250 mm。


	圖 3 隧道式 SPS 設備Fig. 3 Tunnel SPS equipment由于電流大、加壓壓力高，所以能夠燒結大型高密度的燒結體、大尺寸的材料連接，當然，也可以燒結大型的多孔材料。圖 4 為連續(xù)式 SPS 設備的實物照片。


	與傳統(tǒng)的燒結方式及非連續(xù)式 SPS 相比，其優(yōu)點示于表 2。目前，SPS 設備的開發(fā)已進入到*五代，燒結能力、精度、能耗等多方面都有了較大提高。表 3 列出了兩代 SPS 的較大區(qū)別。


	目前，*五代 SPS 設備已經(jīng)開發(fā)出了用于材料開發(fā)基礎實驗研發(fā)支持的小型臺式燒結系統(tǒng)、從研發(fā)階段到產(chǎn)品試制階段都能使用的中型通用型 SPS裝置以及可以制作大尺寸燒結體、并能應對中、少量的生產(chǎn)用大型 SPS 設備等一系列產(chǎn)品，用以滿足研發(fā)、試制及生產(chǎn)要求


	。未來的發(fā)展方向是向提供低成本、高**性的定制化 SPS 裝置努力。


	 


	放電等離子燒結出現(xiàn)以來，得到了較快的發(fā)展。設備方面，呈現(xiàn)出多樣化、系列化、功能化、循環(huán)液化、大型化、連續(xù)化的趨勢。模具方面，結構有改進、形狀多樣化、材質有拓展


	。材料的領域較加寬廣，且從試驗、研究逐漸向開發(fā)、實用化發(fā)展。但是，理論的研究仍不夠系統(tǒng)與深入。研究發(fā)現(xiàn)，相同材料在相同工藝下用 SPS 燒結大尺寸和小尺寸試樣時，


	其結果并不相同，大尺寸試樣往往具有較高的殘余應力，并且燒結過程中的溫度分布也有差別，說明 SPS進行大尺寸燒結的機理與小尺寸燒結不同。目前，機理的差別還在探索中。另外開發(fā)適合 SPS 燒結的粉末材料和建立 SPS 燒結 3-D 成型制造技術也具有重要的實際意義。


	 


	 


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  日本放電等離子體燒結的現(xiàn)狀 ? 孟 曄*強文江 賈成廠(北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083 ? 摘 要: 放電等離子燒結是通過粉末顆粒之間的等離子體放電，并對粉末加熱加壓進行燒結，制取**材料的一種新的粉末冶金技術。具有升溫速度快、燒結時間短、組織結構可控、節(jié)能環(huán)保等鮮明特點。本文簡介了日本近年來放電等離子燒結的現(xiàn)狀，包括設備、模具、制備的材料。希望能對該領