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SPS放电等离子烧结 机理简介
2021-01-28

放电等离子体烧结(SPS)是一种快速烧结方法,在低的大气压下利用轴向力和脉冲电流对粉末进行高速加热固化的烧结技术。这种加热方式能够施加非常高的加热温度,能够大幅提升致密度(见下图),将纳米粉末的固有性质保持在其完全致密的产品中。



  SPS系统的基本结构如下图所示。该系统主要包含垂直加压系统、水冷系统、气氛控制系统,脉冲电流发生器和控制器等。粉末材料堆叠在烧结模具腔室中,在轴向压力和脉冲电流的共同作用下,温度迅速升高到高于环境温度1000~2500℃,从而在几分钟内就能生产出高质量的烧结体。



  SPS工艺基于电火花放电现象:,高能低压的脉冲电流在局部颗粒之间瞬间产生高温不发生火花等离子体放电,从而产生最佳的热和电离扩散。SPS烧结温度范围从低温至超过2000,比常规烧结低200500。对于SPS的烧结机理目前主要包括以下的过程:


1、等离子生成


最初由InoueSPS工艺发明者等人研究认为,脉冲电流在颗粒触点之间产生高温火花甚至等离子体,这也是该工艺被命名的原因。而Inoue等在之后的研究中认为由于火花放电引起的粒子接触电离产生了脉冲压力,促进了原子在接触处的扩散。Groza等研究提出脉冲电流在颗粒表面上具有清洁效果,而颗粒之间没有形成氧化。


是否产生等离子体尚未通过实验直接证实。因此,没有确凿的证据证明等离子体在SPS过程中的生成。等离子体放电的发生仍然存在争议,但目前普遍认为放电现象会在微观水平上发生。


2电塑效应


目前的研究认为脉冲电流通过金属材料时,会产生大量的定向漂移的自由电子。漂移电子群频繁地定向撞击位错,会对位错段产生一个类似于外加应力的电子风力,促进位错在其滑移面上的移动。同时,施加脉冲电流时电能、热能和应力是被瞬时输入到材料中,原子的随机热运动在脉冲电流瞬时冲击力作用下获得足够的动能离开平衡位置,原子的扩散能力加强,位错更容易滑移、攀移,从而提高了金属的塑性。


3焦耳加热


由于电流通过颗粒而引起的焦耳加热有助于在机械压力下焊接颗粒。导电颗粒表面上的强烈焦耳加热效应通常会达到沸点,从而导致粉末表面的局部蒸发或清洁。


4、脉冲电流


在烧结的过程中脉冲电流会产生:火花等离子体、火花冲击压力、焦耳加热和电场扩散效应。


  相比于传统的电烧结工艺,SPS工艺中粉末颗粒表面更容易净化和活化,微观水平下表现为原子,位错,空位等更容易发生运动,宏观表现为材料更容易发生形变。在短时间内,较低温度下更容易获得高质量的烧结体。下图说明了脉冲电流如何流过SPS烧结模具内的粉末颗粒。



  SPS工艺是一种电烧结技术,它将来自于脉冲发生器的脉冲电流施加到颗粒粉末上(见下图),除了促进上述烧结的因素外,发生在粉末颗粒之间的有效放电,也促进了烧结。



5机械压力


  当火花放电出现在间隙中或材料颗粒之间的接触点处时,瞬间产生几十到几万摄氏度的局部高温状态(放电柱)。这导致SPS过程中粉末颗粒表面上的蒸发和熔化,并且在颗粒之间的接触区域周围形成颈部。下图显示了火花等离子体形成颈部的基本机制。



  图a显示了由于等离子体中的火花引起颈部形成的初始阶段行为。热量立即从火花放电柱的中心传递到球体表面并扩散,使得晶间结合部分快速冷却。如图b所示,其显示了几个颈部,脉冲在颗粒之间一个接一个地引起火花放电。即使单个颗粒,随着重复放电,在相邻颗粒之间形成颈部的位置的数量也增加。图c显示了SPS烧结晶界的状态,该烧结晶界在烧结进一步发展后发生塑性变形。


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