粉末冶金新工艺4节.ppt

昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲 第三章 粉末冶金烧结新技术 2.放电等离子烧结（SPS） 放电等离子烧结是将金属等粉末装入由石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲和通电电极将特定烧结电源和压制压力施加在烧结粉末。经放电活化、热塑变形和冷却阶段完成制取高性能材料或制件的一种方法。它是粉末冶金的一种新的烧结技术，是将电能和机械能同时赋于烧结粉末的一种新工艺。 昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲 第三章 粉末冶金烧结新技术 2.放电等离子烧结（SPS） SPS烧结原理示意图 昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲 第三章 粉末冶金烧结新技术 2.放电等离子烧结（SPS） SPS原理是利用强脉冲电流加在粉末颗粒上产生的诸多有利于快速烧结的效应： 1）由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场 中反方向的高速流动, 可使粉末吸附的气体逸散, 粉末表 面的起始氧化膜在一定程度上可被击穿, 使粉末得以净 化、活化; 昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲 第三章 粉末冶金烧结新技术 2.放电等离子烧结（SPS） 2）由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生, 在粉末颗粒未接触 部位产生的放电热, 以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热, 都大大促进了粉末颗粒原子的扩散, 其扩散系数比通常热 压条件下的要大得多,而达到粉末烧结的快速化; 3）快速脉冲电流的加入, 无论是粉末内的放电部位还是焦耳 发热部位, 都会快速移动, 使粉末的烧结能够均匀化。 昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲 第三章 粉末冶金烧结新技术 2.放电等离子烧结（SPS） 与传统的粉末冶金工艺相比，SPS工艺的特点是： 粉末原料广泛：各种金属、非金届、合金粉末，特别是活性大的各种粒度粉末都可以用作SPS 烧结原科。 成形压力低：SPS烛结时经充分微放电处理，烧结粉末表面处于向度活性化状态．为此，其成形压力只需要冷压烧结的l/10~1/20。 烧结时间短：烧结小型制件时一般只需要数秒至数分钟，其加热速度可以高达106℃/s，自动化生产小型制件时的生产率可达400件/h。 昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲 第三章 粉末冶金烧结新技术 2.放电等离子烧结（SPS） 采用石墨模具，成本低，加工方便。 大气下烧结：电火花烧结时一般是在大气下进行，甚至高 活性铍制件也可以在大气下烧结。 脉动电源，通常采用的足直流与交流叠加的脉动电源。 节约能源，热效率高，耗电量只相当于电阻烧结的1/10。 昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲 第三章 粉末冶金烧结新技术 2.放电等离子烧结（SPS） SPS可加工材料 昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲 第三章 粉末冶金烧结新技术 2.放电等离子烧结（SPS） SPS技术制备梯度功能材料 通过SPS技术可以制造陶瓷/金属、聚合物/金属以及其他耐热梯度、耐磨梯度、硬度梯度、导电梯度、孔隙度梯度等材料。梯度层可到10多层。 昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲 第三章 粉末冶金烧结新技术 2.放电等离子烧结（SPS） 美国国立标准技术研究所和机械工程实验室与日本国际贸易工业部门合作, 共同开发了高效发动机用的大尺寸耐热、高强梯度材料。现已能批量生产 150ｍｍ, 厚15ｍｍ, 11层的ZrO2 梯度材料。采用的SPS工艺参数是: 压力20～40MPa, 温度1243～1293Ｋ, 升温速率50K/Min, 真空度10Pa。 采用SPS烧结得到了两头分别是100%的玻璃与100%的304不锈钢, 而中间呈4层的梯度材料。烧结温度1073Ｋ,保持时间15Min, 真空下进行。 昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲 第三章 粉末冶金烧结新技术 2.放电等离子烧结（SPS） SPS技术制备电磁材料 通过SPS技术可以制造SiGe/PbTe/BiTe/FeSi/CoSb3系热电转换元件,以及广泛用于电子领域的各种功能材料, 如超导材料、磁性材料、靶材、介电材料、贮氢材料、形状记忆材料、固体电池材料、光学材料等。 昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲 第三章 粉末冶金烧结新技术 2.放电等离子烧结（SPS） SPS制备软磁材料 通常用急冷或喷射方法可得到FeMe(Nb、Zr、Hf)Ｂ的非晶合金,在稍高于晶化温度处理后, 可得到晶粒数10ｎｍ，具有体心立方结构，高Bs 、磁损小的纳米晶材料。但非晶合金目前只能是带材或粉末, 制作成品还需要将带材重叠和用树脂固结, 这使得成品的密度和Bs均变低。近年, 日本采用SPS工艺