一篇文章完全搞懂放電等離子燒結(jié)
發(fā)表時間：2023-09-22
放電等離子燒結(jié)爐
放電等離子燒結(jié)工藝
放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)是一種粉末燒結(jié)技術(shù)，上世紀(jì) 90 年代日本住友石炭礦業(yè)公司，首次實現(xiàn)了放電等離子燒結(jié) (Spark Plasma Sintering, SPS)技術(shù)的商業(yè)化。該方法是加熱方式通過流經(jīng)石墨模具的高強(qiáng)度脈沖電流進(jìn)行加熱，可進(jìn)行快速的升降溫。與傳統(tǒng)的粉末冶金技術(shù)相比，SPS燒結(jié)過程中不需要添加有機(jī)粘合劑，有助于避免因脫脂產(chǎn)生的問題； SPS 能夠在更低的溫度實現(xiàn)材料的快速密實化，并可通過有效的熱梯度來減少材料內(nèi)殘余應(yīng)力。
放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)是一種粉末燒結(jié)技術(shù)，上世紀(jì) 90 年代日本住友石炭礦業(yè)公司，首次實現(xiàn)了放電等離子燒結(jié) (Spark Plasma Sintering, SPS)技術(shù)的商業(yè)化。該方法是加熱方式通過流經(jīng)石墨模具的高強(qiáng)度脈沖電流進(jìn)行加熱，可進(jìn)行快速的升降溫。與傳統(tǒng)的粉末冶金技術(shù)相比，SPS燒結(jié)過程中不需要添加有機(jī)粘合劑，有助于避免因脫脂產(chǎn)生的問題； SPS 能夠在更低的溫度實現(xiàn)材料的快速密實化，并可通過有效的熱梯度來減少材料內(nèi)殘余應(yīng)力。
放電等離子燒結(jié)（Spark Plasma Sintering，簡稱SPS）是一種先進(jìn)的粉末冶金技術(shù)，通過使用高能脈沖電流來驅(qū)動材料的燒結(jié)和致密化過程。這種技術(shù)適用于各種不同類型的材料，包括金屬、陶瓷、金屬陶瓷以及復(fù)合材料等。
放電等離子燒結(jié)的基本原理是，在脈沖電流的作用下，粉末顆粒會瞬時加熱到高溫狀態(tài)，同時產(chǎn)生等離子體，這些等離子體會在粉末顆粒間快速傳遞，使得整個粉末坯體均勻地加熱。由于粉末顆粒的快速加熱和等離子體的存在，材料的致密化過程可以迅速完成，同時保持低溫?zé)Y(jié)，避免了晶粒的過度長大。
放電等離子燒結(jié)具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，它可以在低溫下實現(xiàn)快速燒結(jié)，避免了材料在高溫下的晶粒長大和相變，保持了材料的細(xì)晶結(jié)構(gòu)和優(yōu)良性能。其次，該技術(shù)可以處理各種不同類型的材料，包括一些難以通過傳統(tǒng)燒結(jié)方法處理的材料，如納米材料、非均質(zhì)材料和復(fù)合材料等。此外，放電等離子燒結(jié)的工藝參數(shù)（如溫度、壓力和時間）可以精確控制，因此可以精確控制材料的結(jié)構(gòu)和性能。
放電等離子燒結(jié)的工藝流程包括以下幾個步驟：
1. 粉末的制備：首先需要制備所需材料的粉末，可以通過機(jī)械合金化、化學(xué)合成等方法制備。
2. 粉末混合：如果需要處理多種材料的粉末，可以將它們進(jìn)行混合，以便在燒結(jié)過程中形成復(fù)合材料。
3. 粉末成型：將混合后的粉末放入模具中，施加一定的壓力使其成型。
4. 燒結(jié)：將成型后的樣品放入放電等離子燒結(jié)裝置中，通過脈沖電流進(jìn)行燒結(jié)。
5. 后處理：燒結(jié)后的樣品需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮筇幚恚缜懈?、研磨等，以獲得所需的尺寸和形狀。
放電等離子燒結(jié)工藝優(yōu)勢
放電等離子燒結(jié)工藝優(yōu)勢十分明顯：加熱均勻，升溫速度快，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時間短，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裝置操作簡單，不需要專門的熟練技術(shù)。文獻(xiàn)報道，生產(chǎn)一塊直徑100mm、厚17mm的ZrO2(3Y)/不銹鋼梯度材料（FGM）用的總時間是58min，其中升溫時間28min、保溫時間5min和冷卻時間25min。與HP相比，SPS技術(shù)的燒結(jié)溫度可降低100～200℃。
放電等離子燒結(jié)工藝優(yōu)勢
放電等離子燒結(jié)工藝優(yōu)勢十分明顯：加熱均勻，升溫速度快，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時間短，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裝置操作簡單，不需要專門的熟練技術(shù)。文獻(xiàn)報道，生產(chǎn)一塊直徑100mm、厚17mm的ZrO2(3Y)/不銹鋼梯度材料（FGM）用的總時間是58min，其中升溫時間28min、保溫時間5min和冷卻時間25min。與HP相比，SPS技術(shù)的燒結(jié)溫度可降低100～200℃。
總的來說，放電等離子燒結(jié)是一種非常先進(jìn)的粉末冶金技術(shù)，適用于各種不同類型的材料，可以在低溫下實現(xiàn)快速燒結(jié)，精確控制材料的結(jié)構(gòu)和性能。它已經(jīng)成為材料科學(xué)和工程領(lǐng)域中的重要工具，為新型材料的開發(fā)和制備提供了新的可能性。
放電等離子燒結(jié)爐
放電等離子燒結(jié)爐（Spark Plasma Sintering，簡稱SPS）是一種專門用于放電等離子燒結(jié)的設(shè)備。在放電等離子燒結(jié)爐中，通過使用高能脈沖電流來驅(qū)動材料的燒結(jié)和致密化過程。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括在低溫下實現(xiàn)快速燒結(jié)，避免材料在高溫下的晶粒長大和相變，保持了材料的細(xì)晶結(jié)構(gòu)和優(yōu)良性能。同時，放電等離子燒結(jié)的工藝參數(shù)，如溫度、壓力和時間可以精確控制，因此可以精確控制材料的結(jié)構(gòu)和性能。
SPS裝置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。電源提供高能脈沖電流，模具用于裝載粉末樣品，冷卻系統(tǒng)確保設(shè)備的正常運(yùn)行并控制溫度，壓力控制系統(tǒng)則對樣品施加適當(dāng)?shù)膲毫σ源龠M(jìn)燒結(jié)過程。
放電等離子燒結(jié)爐的優(yōu)點(diǎn)包括其適用于各種不同類型的材料，如金屬、陶瓷、金屬陶瓷以及復(fù)合材料等。同時，由于其低溫、快速、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，放電等離子燒結(jié)爐已成為材料科學(xué)和工程領(lǐng)域中的重要工具，為新型材料的開發(fā)和制備提供了新的可能性。
放電等離子燒結(jié)應(yīng)用場景
放電等離子燒結(jié)（SPS）應(yīng)用場景主要集中在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域。
放電等離子燒結(jié)技術(shù)因其燒結(jié)速度快、燒結(jié)效率高，可以實現(xiàn)快速成型工藝，被廣泛應(yīng)用于各種材料的制備。如陶瓷材料，SPS可用于制備各種陶瓷材料，如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅等。通過該技術(shù)，可以實現(xiàn)陶瓷材料的高密度和均勻微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高其力學(xué)性能和耐磨性。
除此之外，SPS還可以用于制備金屬粉末材料。例如，鎢、鉬、鈦等金屬粉末材料可以通過SPS在高溫和高壓條件下燒結(jié)獲得，這有助于提高材料的強(qiáng)度和韌性。
同時，SPS也適用于復(fù)合材料的制備。通過調(diào)節(jié)燒結(jié)參數(shù)和材料配比，可以獲得具有特定性能和結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，如陶瓷基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料等。
總之，放電等離子燒結(jié)技術(shù)在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，可以用于制備各種高性能的材料。
