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SPS放電等離子燒結(jié)試驗(yàn)的機(jī)理簡介

來源：時(shí)間：2023-12-12 10:24:11 瀏覽：1923次

放電等離子體燒結(jié)（SPS）是一種快速燒結(jié)方法,在低的大氣壓下利用軸向力和脈沖電流對粉末進(jìn)行高速加熱固化的燒結(jié)技術(shù)。這種加熱方式能夠施加非常高的加熱溫度，能夠大幅提升致密度（見下圖），將納米粉末的固有性質(zhì)保持在其完全致密的產(chǎn)品中。

SPS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。該系統(tǒng)主要包含垂直加壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、氣氛控制系統(tǒng)，脈沖電流發(fā)生器和控制器等。粉末材料堆疊在燒結(jié)模具腔室中，在軸向壓力和脈沖電流的共同作用下，溫度迅速升高到高于環(huán)境溫度1000~2500℃，從而在幾分鐘內(nèi)就能生產(chǎn)出高質(zhì)量的燒結(jié)體。

SPS工藝基于電火花放電現(xiàn)象，高能低壓的脈沖電流在局部顆粒之間瞬間產(chǎn)生高溫，發(fā)生火花等離子體放電，從而產(chǎn)生最佳的熱和電離擴(kuò)散。SPS燒結(jié)溫度范圍從低溫至超過2000℃，比常規(guī)燒結(jié)低200至500℃。對于SPS的燒結(jié)機(jī)理目前主要包括以下的過程：

1、等離子生成

最初由Inoue和SPS工藝發(fā)明者等人研究認(rèn)為，脈沖電流在顆粒觸點(diǎn)之間產(chǎn)生高溫火花甚至等離子體，這也是該工藝被命名的原因。而Inoue等在之后的研究中認(rèn)為由于火花放電引起的粒子接觸電離產(chǎn)生了“脈沖壓力”，促進(jìn)了原子在接觸處的擴(kuò)散。Groza等研究提出脈沖電流在顆粒表面上具有清潔效果，而顆粒之間沒有形成氧化。

是否產(chǎn)生等離子體尚未通過實(shí)驗(yàn)直接證實(shí)。因此，沒有確鑿的證據(jù)證明等離子體在SPS過程中的生成。等離子體放電的發(fā)生仍然存在爭議，但目前普遍認(rèn)為放電現(xiàn)象會在微觀水平上發(fā)生。

2、電塑效應(yīng)

目前的研究認(rèn)為脈沖電流通過金屬材料時(shí)，會產(chǎn)生大量的定向漂移的自由電子。漂移電子群頻繁地定向撞擊位錯(cuò)，會對位錯(cuò)段產(chǎn)生一個(gè)類似于外加應(yīng)力的電子風(fēng)力，促進(jìn)位錯(cuò)在其滑移面上的移動。同時(shí)，施加脈沖電流時(shí)電能、熱能和應(yīng)力是被瞬時(shí)輸入到材料中，原子的隨機(jī)熱運(yùn)動在脈沖電流瞬時(shí)沖擊力作用下獲得足夠的動能離開平衡位置，原子的擴(kuò)散能力加強(qiáng)，位錯(cuò)更容易滑移、攀移，從而提高了金屬的塑性。

3、焦耳加熱

由于電流通過顆粒而引起的焦耳加熱有助于在機(jī)械壓力下焊接顆粒。導(dǎo)電顆粒表面上產(chǎn)生的強(qiáng)烈焦耳加熱效應(yīng)通常會達(dá)到沸點(diǎn)，從而導(dǎo)致粉末表面的局部蒸發(fā)或清潔。

4、脈沖電流

在燒結(jié)的過程中脈沖電流會產(chǎn)生：火花等離子體、火花沖擊壓力、焦耳加熱和電場擴(kuò)散效應(yīng)。

相比于傳統(tǒng)的電燒結(jié)工藝，SPS工藝中粉末顆粒表面更容易凈化和活化，微觀水平下表現(xiàn)為原子，位錯(cuò)，空位等更容易發(fā)生運(yùn)動，宏觀表現(xiàn)為材料更容易發(fā)生形變。在短時(shí)間內(nèi)，較低溫度下更容易獲得高質(zhì)量的燒結(jié)體。下圖說明了脈沖電流如何流過SPS燒結(jié)模具內(nèi)的粉末顆粒。

SPS工藝是一種電燒結(jié)技術(shù)，它將來自于脈沖發(fā)生器的脈沖電流施加到顆粒粉末上（見下圖），除了促進(jìn)上述燒結(jié)的因素外，發(fā)生在粉末顆粒之間的有效放電，也促進(jìn)了燒結(jié)。

由火花等離子體和火花沖擊壓力產(chǎn)生的高溫濺射現(xiàn)象消除了存在于粉末顆粒表面上的吸附氣體和雜質(zhì)。

5、機(jī)械壓力

當(dāng)火花放電出現(xiàn)在間隙中或材料顆粒之間的接觸點(diǎn)處時(shí)，瞬間產(chǎn)生幾十到幾萬攝氏度的局部高溫狀態(tài)（放電柱）。這導(dǎo)致SPS過程中粉末顆粒表面上的蒸發(fā)和熔化，并且在顆粒之間的接觸區(qū)域周圍形成“頸部”。下圖顯示了火花等離子體形成頸部的基本機(jī)制。

圖a顯示了由于等離子體中的火花引起頸部形成的初始階段行為。熱量立即從火花放電柱的中心傳遞到球體表面并擴(kuò)散，使得晶間結(jié)合部分快速冷卻。如圖b所示，其顯示了幾個(gè)頸部，脈沖在顆粒之間一個(gè)接一個(gè)地引起火花放電。即使單個(gè)顆粒，隨著重復(fù)放電，在相鄰顆粒之間形成頸部的位置的數(shù)量也增加。圖c顯示了SPS燒結(jié)晶界的狀態(tài)，該燒結(jié)晶界在燒結(jié)進(jìn)一步發(fā)展后發(fā)生塑性變形。