放電等離子燒結(jié)的研究進(jìn)展

閆秋實(shí)

摘 要：放電等離子燒結(jié)可使粉末顆粒在低于熔點(diǎn)的溫度下快速致密化，是一種新型的快速成型技術(shù)。放電等離子燒結(jié)對(duì)材料制備的環(huán)境要求不高，多用于制備難熔合金或復(fù)合材料。該文對(duì)近年來放電等離子燒結(jié)在實(shí)驗(yàn)和模擬方面的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和總結(jié)，并對(duì)存在的不足進(jìn)行了深入分析，對(duì)發(fā)展方向作了科學(xué)研判。

關(guān)鍵詞：放電等離子燒結(jié) 快速成型技術(shù) 研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：TF124 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）11（a）-0036-02

隨著科學(xué)研究和工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，航空航天、汽車制造、精密器械等領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅芗凹庸すに嚨囊笤絹碓礁?。放電等離子燒結(jié)具有快速、低溫、高度致密化的優(yōu)點(diǎn)，是一種無切屑、少?gòu)U料近凈成形材料成型工藝，廣泛應(yīng)用于強(qiáng)度高、密度大、質(zhì)量輕合金材料、陶瓷復(fù)合材料等特種材料的制備，是當(dāng)前關(guān)注度最高、研究最熱的特種成型工藝之一。國(guó)內(nèi)外高校企業(yè)和專家學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬等多種方法手段進(jìn)行了大量研究，推動(dòng)了此種成型工藝日趨成熟，廣泛應(yīng)用。

1 放電等離子燒結(jié)機(jī)理

放電等離子燒結(jié)是一種新興的壓力輔助燒結(jié)技術(shù)，融合了單軸熱壓燒結(jié)和等離子活化兩種技術(shù)，具體工藝過程為：在真空環(huán)境下，將成型材料粉末（金屬、非金屬或復(fù)合材料均可）密封于導(dǎo)電模具（一般為石墨模具）中，通過模具兩端的電極和沖頭將脈沖電流施加于模具中需要燒結(jié)的成型粉末上，燒結(jié)過程同時(shí)，對(duì)工件施加單軸壓力，從而使成型粉末迅速燒結(jié)成高性能的材料或零件。放電等離子燒結(jié)還可以通過調(diào)節(jié)燒結(jié)溫度、軸向壓力，調(diào)整模具配置，控制燒結(jié)材料的晶粒大小和微觀結(jié)構(gòu)，是一項(xiàng)非常有發(fā)展前景的高新技術(shù)。

放電等離子燒結(jié)過程包括：輕壓跟蹤-放電活化階段，粉末受到壓力緊密堆積，施加在工件兩端的高強(qiáng)度脈沖電壓擊穿粉末的氧化膜，產(chǎn)生輕微放電；重壓成形-熱塑變形階段，由于粉末放電活化作用，在相對(duì)較低的壓力和溫度下粉末即可極大地提高致密性[1]。放電等離子燒結(jié)在利用焦耳熱燒結(jié)成型的基礎(chǔ)上，通過輔助電流激活粉末的活化作用，使粉末顆粒持續(xù)保持熱塑狀態(tài)，低壓、低溫下即可形成高致密化納米晶體材料，在制造難以熔融在一起或者是熔點(diǎn)較高的復(fù)合材料方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2 放電等離子燒結(jié)的究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)30年代，美國(guó)科學(xué)家便開始探索利用脈沖電流進(jìn)行材料燒結(jié)，但直到1965年，這項(xiàng)技術(shù)才真正應(yīng)用于實(shí)際。放電等離子燒結(jié)以其獨(dú)特的加工優(yōu)勢(shì)，吸引了國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)其進(jìn)行了大量研究，其中美、日、韓等國(guó)在燒結(jié)工藝和燒結(jié)材料上做了大量系統(tǒng)研究，技術(shù)水平一直處于前列；我國(guó)對(duì)放電等離子燒結(jié)技術(shù)的研究起步較晚，但發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)高校和科研院所等在放電等離子燒結(jié)理論和應(yīng)用工藝等方面做了深入研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)研究方面

放電等離子燒結(jié)實(shí)驗(yàn)研究大多圍繞材料制備和不同參數(shù)對(duì)燒結(jié)工藝影響兩個(gè)方面。

對(duì)硬質(zhì)合金的放電等離子燒結(jié)研究發(fā)現(xiàn)，放電等離子燒結(jié)不但可在外界環(huán)境要求不高的條件下制備難容合金材料，還能極大提高燒結(jié)合金材料的力學(xué)性能；采用放電等離子燒結(jié)進(jìn)行鈦鎳記憶合金加工制備時(shí)，可在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)鈦鎳合金致密化[1]，有效解決了熔煉生產(chǎn)無法得到組分均勻和形狀復(fù)雜的合金這一難題。

放電等離子燒結(jié)工藝還常用于制備陶瓷復(fù)合材料、電磁材料等功能性材料。研究發(fā)現(xiàn)，放電等離子燒結(jié)過程中，通過電流激發(fā)作用能夠有效降低超高溫陶瓷材料的燒結(jié)溫度，控制晶粒的尺寸，使材料快速致密化，以提高陶瓷材料的燒結(jié)性能和力學(xué)性能；實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)用放電等離子燒結(jié)制備磁體，通過脈沖電流的激發(fā)作用能夠促進(jìn)磁體的相變，提高磁體的致密性，減少雜質(zhì)的產(chǎn)生，改善電磁材料性能[2]；應(yīng)用放電等離子燒結(jié)技術(shù)對(duì)純碳化硅粉末進(jìn)行燒結(jié)，可成功制備相對(duì)密度為98%，晶粒尺寸小于100 nm的多晶碳化硅塊體。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者還對(duì)放電等離子燒結(jié)的重要參數(shù)如燒結(jié)溫度、壓力、電流強(qiáng)度對(duì)成型粉末熔合過程的影響進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，最佳的燒結(jié)溫度不應(yīng)超過粉末顆粒完全熔化的溫度。以鋁粉放電等離子燒結(jié)為例，隨著燒結(jié)溫度的提高，燒結(jié)工件的密度、硬度也會(huì)隨之增強(qiáng)，但過高的溫度會(huì)使粉末顆粒表面會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形、機(jī)械旋轉(zhuǎn)和原子擴(kuò)散現(xiàn)象，反而使材料性能變差。此外，燒結(jié)溫度的控制還與粉末顆粒尺寸密切相關(guān)。

在燒結(jié)升溫過程中，燒結(jié)頸的增長(zhǎng)狀況直接影響試件的致密化程度，對(duì)于可導(dǎo)電的納米顆粒，燒結(jié)過程的高溫會(huì)使顆粒局部蒸發(fā)、表面氧化膜去除，從而使電流傳導(dǎo)更加暢通，確保燒結(jié)頸尺寸均勻增長(zhǎng)。此外，燒結(jié)頸還與材料收縮率變化、顆粒晶向、顆粒結(jié)構(gòu)相關(guān)。

2.2 模擬研究方面

由于放電等離子燒結(jié)工藝中的粉末尺度非常小，受放電等離子燒結(jié)粉末成型環(huán)境的限制，一般方法很難對(duì)燒結(jié)過程、成型機(jī)理、影響因素進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，獲取燒結(jié)過程中的實(shí)時(shí)參數(shù)和檢測(cè)也十分困難，因此模擬研究成為放電等離子成型技術(shù)不可或缺的研究手段之一。

應(yīng)用ABAQUS或MATLAB等有限元模擬軟件對(duì)放電等離子燒結(jié)過程進(jìn)行模擬，可獲得粉末、模具、沖頭間的溫度場(chǎng)分度、熱場(chǎng)分布和電場(chǎng)分布，研究發(fā)現(xiàn)粉末與模具壁之間的存在著溫度梯度和較大壓力梯度，模具表面溫度和試樣溫度存在近似線性的關(guān)系，導(dǎo)熱率低的粉末會(huì)形成較大的溫度梯度等等?？蒲腥藛T還通過有限元計(jì)算模擬出放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)的電流密度和溫度分布變化，從而提出一種準(zhǔn)確捕獲溫度曲線的參考原則。

有限元法能夠模擬出放電等離子燒結(jié)過程粉末成型的宏觀變化，但從原子尺度解釋燒結(jié)機(jī)制還有一定局限性。因此有學(xué)者應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)模擬將模擬尺度縮小到了原子尺度，在原子尺度下研究各種材料微觀特性，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)過程的可視化，準(zhǔn)確捕獲試驗(yàn)研究無法測(cè)量的物理量，具有重要的指導(dǎo)意義。

分子動(dòng)力學(xué)模擬為納米顆粒的研究提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，取得了大量的研究成果，如鎳納米顆粒、銅納米顆粒、氧化鈦納米顆粒等的燒結(jié)，可通過觀察兩顆粒間燒結(jié)頸與收縮率的變化來分析燒結(jié)過程。研究發(fā)現(xiàn)，由于顆粒間晶向異性，在燒結(jié)初期晶向會(huì)發(fā)生變化，形成不同類型的燒結(jié)頸[3]，而顆粒間的表面擴(kuò)散、粘性流動(dòng)、塑性變形和表面張力也會(huì)對(duì)燒結(jié)過程產(chǎn)生影響。

3 結(jié)語(yǔ)

科研人員圍繞著放電等離子燒結(jié)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)、模擬研究。通過實(shí)驗(yàn)研究能夠制備出新型特種材料，但無法詳細(xì)解釋材料性能變化的機(jī)理；模擬研究雖能夠從微觀角度揭示燒結(jié)模具內(nèi)各種場(chǎng)的分布，解釋簡(jiǎn)單的燒結(jié)機(jī)制，但無法與實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步融合。隨著研究的細(xì)化與深入，放電等離子燒結(jié)的燒結(jié)機(jī)制將逐漸被人們揭開神秘的面紗。對(duì)于加工難以熔合在一起的合金或高熔點(diǎn)材料，放電等離子燒結(jié)表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，在金屬混合物、多孔材料的制備和不同材料組成的層狀復(fù)合材料的生產(chǎn)等領(lǐng)域也將有突破性進(jìn)展。

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