金屬和金屬-陶瓷粉體的SPS過程模擬及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering,簡稱SPS)是近年來國際上迅速發(fā)展起來的一種新型燒結(jié)技術(shù),具有升溫速率快、燒結(jié)時間短、外加壓力和燒結(jié)氣氛可控、節(jié)能環(huán)保等鮮明特點(diǎn)。因此,它不僅是一種先進(jìn)的粉末冶金技術(shù),而且成為組織優(yōu)化燒結(jié)和新材料研發(fā)的有力工具。SPS技術(shù)可用于制備金屬、陶瓷、高分子、復(fù)合材料等,也可用于非晶、納米晶塊體材料、梯度材料等新材料的制備,從而日益受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。然而,與利用SPS技術(shù)

2、探索新材料制備的實(shí)驗(yàn)報道相比,關(guān)于其特殊燒結(jié)機(jī)制的研究極為缺乏,而且研究者對SPS過程的認(rèn)識遠(yuǎn)未形成統(tǒng)一觀點(diǎn)。 本文以純銅粉末和WC-Co粉末為例,采用實(shí)驗(yàn)和建立模型進(jìn)行模擬計算的方法,分別對單相導(dǎo)電材料和金屬/陶瓷復(fù)合材料的SPS核心系統(tǒng)(包括壓頭、墊塊、模具和試樣)的溫度分布和頸部形成及長大機(jī)制進(jìn)行了定量化研究。 在設(shè)計系列實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了單相導(dǎo)電材料SPS過程中燒結(jié)參數(shù)(如,燒結(jié)溫度、外加壓力、加熱速率、電

3、流強(qiáng)度、保溫時間等)和原始粉末幾何形貌對燒結(jié)體表征參數(shù)(如相對密度、頸部尺寸、頸部數(shù)量、晶粒尺寸等)的影響。研究表明,與其它工藝參數(shù)相比,燒結(jié)溫度對燒結(jié)過程的影響最為顯著。 系統(tǒng)研究了單相導(dǎo)電粉末材料SPS致密化過程中核心燒結(jié)系統(tǒng)熱能分布及其演變特征。利用有限元分析方法,對SPS核心系統(tǒng)的電流密度分布、能量密度分布和溫度分布進(jìn)行了模擬。研究表明:SPS核心系統(tǒng)內(nèi)存在相當(dāng)大的電流密度、能量密度和溫度梯度分布,且軸向溫度梯度大于徑向

4、；SPS過程中試樣的實(shí)際溫度高于實(shí)驗(yàn)測定的模壁中心溫度,熱能由試樣和壓頭向模具傳遞。該模擬結(jié)果為揭示SPS特殊機(jī)理奠定了理論基礎(chǔ),并可為燒結(jié)工藝的確定提供理論指導(dǎo)。 首次定量計算了單相導(dǎo)電材料顆粒內(nèi)部的溫度分布,并對顆粒接觸部位的頸部尺寸進(jìn)行了預(yù)測。定量分析了電流在模具和試樣中的分配,建立了SPS過程中頸部形成機(jī)制的兩顆粒模型,采用有限差分法對顆粒內(nèi)部的溫度分布進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明：顆粒內(nèi)部溫度分布非常不均勻,顆粒間接觸部位的溫

5、度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于心部,足以使材料發(fā)生熔化；頸部尺寸的長大速率隨著燒結(jié)過程的進(jìn)行而減小。頸部尺寸演變的預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果吻合。該研究結(jié)果從理論上解釋了在很低的燒結(jié)溫度下即有頸部形成的現(xiàn)象,揭示了SPS過程中燒結(jié)頸部形成和長大的關(guān)鍵機(jī)制,從本質(zhì)上說明了SPS致密化機(jī)制使該技術(shù)優(yōu)越于傳統(tǒng)燒結(jié)的重要原因。 首次提出了SPS過程中粉末顆粒間頸部組織的演變具有獨(dú)特的“自調(diào)節(jié)”特征。對顆粒上形成的不同尺寸頸部的溫度升高進(jìn)行計算,結(jié)果表明：在某一

6、燒結(jié)溫度下尺寸小的頸部溫升高于尺寸大的頸部而發(fā)生優(yōu)先長大,隨燒結(jié)過程的進(jìn)行頸部尺寸分布趨于均勻化。模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察到的頸部尺寸分布一致。該研究結(jié)果定量揭示了SPS快速、均勻的特殊致密化機(jī)制。 WC-Co硬質(zhì)合金是目前應(yīng)用最廣泛的金屬/陶瓷復(fù)合材料之一。硬質(zhì)合金粉末的特點(diǎn)是由導(dǎo)電性強(qiáng)的金屬顆粒和導(dǎo)電性弱的陶瓷顆粒組成。以此為例,對導(dǎo)電性強(qiáng)弱不同混合粉末的燒結(jié)過程進(jìn)行研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值。 設(shè)計了系列實(shí)驗(yàn)將完整的燒結(jié)過程

7、分成幾個有代表性的階段,系統(tǒng)研究了SPS過程中金屬/陶瓷混合粉末不同燒結(jié)階段的組織演變過程。結(jié)果表明,導(dǎo)電性好的金屬材料(Co)在遠(yuǎn)低于其熔點(diǎn)的燒結(jié)溫度下發(fā)生熔化使顆粒間接觸面積增大,顯著促進(jìn)試樣快速致密化。 全面研究了金屬/陶瓷混合粉末SPS致密化過程中核心燒結(jié)系統(tǒng)內(nèi)的熱能分布及其演變特征。結(jié)果表明,由于流入試樣的電流密度高于模具,熱能由試樣和壓頭向模具傳遞,且試樣中心的溫度高于模壁中心溫度,其溫差隨燒結(jié)過程的進(jìn)行而變化的特征

8、與加熱速率的變化相一致。該模擬結(jié)果可為金屬/陶瓷混合粉末的SPS工藝的確定和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。 首次建立了金屬/陶瓷混合粉末中金屬材料對陶瓷材料包覆形成的復(fù)合顆粒致密化模型,定量描述了復(fù)合顆粒內(nèi)部的電流密度及溫度升高的演變。結(jié)果表明,復(fù)合顆粒內(nèi)部的大部分電流從金屬層流過：顆粒內(nèi)部存在相當(dāng)大的溫升梯度,金屬層的溫升大于大部分陶瓷材料的溫升,因此能量由包覆的金屬層向陶瓷顆粒傳遞。金屬層的熔化和粘結(jié)是金屬/陶瓷混合粉末SPS過程中頸部