CN104942289A

CN104942289A - 使用助烧剂对合金粉末颗粒进行放电等离子烧结的方法

Info

Publication number: CN104942289A
Application number: CN201510411864.7A
Authority: CN
Inventors: 王明罡; 李好峰; 赵占奎
Original assignee: Changchun University of Technology
Current assignee: Changchun University of Technology
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2015-09-30

Abstract

本发明公开了一种使用助烧剂对合金粉末颗粒进行放电等离子烧结的方法，该方法使用助烧剂对原料合金粉末颗粒表面进行修饰，通过助烧剂在粉末颗粒界面吸附，起到放电间隙调控和增大界面电阻的作用，增强界面放电效应及焦耳热效率。本发明可使烧结产热更加集中于颗粒界面，提高烧结效率。本发明在通常的放电等离子烧结所具有的烧结温度低，烧结时间短的基础上，进一步降低烧结温度，缩短烧结时间，更加突出放电等离子烧结的独特作用。制备的块体材料界面结合更加紧密，致密度高，晶粒更加细小，综合性能优异。

Description

使用助烧剂对合金粉末颗粒进行放电等离子烧结的方法

技术领域

本发明涉及一种使用助烧剂对合金粉末颗粒进行放电等离子烧结的方法。

背景技术

放电等离子烧结是一种利用通-断直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结法。通-断式直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用。在放电等离子烧结过程中，电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体，使烧结体内部各个颗粒均匀地自身产生焦耳热并使颗粒表面活化。放电等离子烧结是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的。这种放电直接加热法，热效率极高，放电点的弥散分布能够实现均匀加热，因而容易制备出均质、致密、高质量的烧结体。放电等离子烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除加热和加压这两个促进烧结的因素外，在放电等离子烧结技术中，颗粒间的有效放电可产生局部高温，使颗粒表面局部熔化、表面物质剥落；高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质(如去除表层氧化物等)和吸附的气体。现在关于该技术的报道很多，在制备大块纳米材料、硬质合金材料、梯度功能材料，陶瓷材料方面人们展开了大量的研究工作，取得了很多成果。其具有烧结时间短，快速致密化的特点以外可以有效的降低烧结温度，有效的抑制晶粒长大，在制备纳米块体材料领域已得到广泛的应用。

助烧剂又称烧结助剂，通常在陶瓷烧结过程中加入的促进烧结致密化的氧化物或非氧化物。加入助烧剂的作用主要在以下四个方面，(1)与烧结物形成固溶体，当助烧剂能与烧结物形成固溶体时，将使晶格畸变而得到活化。故可降低烧结温度。(2)阻止晶型转变，有些氧化物在烧结时发生晶型转变并伴有较大体积效应，这就会使烧结致密化发生困难，并容易引起坯体开裂。这时若能选用适宜的烧结助剂加以抑制，即可促进烧结。(3)抑制晶粒长大，由于烧结后期晶粒长大，对烧结致密化有重要作用。但若二次再结晶或间断性晶粒长大过快，又会因晶粒变粗、晶界变宽而出现反致密化现象并影响制品的显微织构。这时，可通过加入能抑制晶粒异常长大的助烧剂，来促进致密化进程。(4)产生液相，烧结时若有适宜的液相，往往会大大促进颗粒重排和传质过程。助烧剂的另一作用机理，就在于能在较低温度下产生液相以促进烧结。液相的出现，可能是助烧剂本身熔点较低；也可能与烧结物形成多元低共熔物。现在关于该技术的报道也很多，马立斌，CN201310741490.6一种用于生产制备高导热陶瓷基片的三元复合助烧剂，通过采用Al₂O₃、Y₂O₃和CaO三元复合助烧剂，在较低的烧结温度下获得高的热导率，降低能耗。尹小林，200510031367.0生料助烧剂，采用主体原料氧化剂或者采用主体原料氧化剂加辅助原料制备而成，该发明减少或消除化学不完全燃烧和机械不完全燃烧，提高能源效率大幅度降低能耗，保护环境。现有的助烧剂技术可以应用于放电等离子烧结，但都不是针对放电特性及焦耳产热设计的。

本发明的放电等离子助烧剂助烧原理与以上所述的助烧剂有本质的不同，主要通过助烧剂在烧结过程中的放电增强效应和增强的焦耳热作用促进烧结，放电等离子烧结用助烧剂及相关技术尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用助烧剂对合金粉末颗粒进行放电等离子烧结的方法，本发明使用助烧剂对原料合金粉末颗粒表面进行修饰，通过助烧剂在粉末颗粒界面吸附，起到放电间隙调控和增大界面电阻的作用，增强界面放电效应及焦耳热效率，在更低温度、更短时间制备出更致密的高质量块体材料。低温下实现烧结形成块体材料的助烧原理如图1所示，材料样品的组织结构由低电阻成分构成，合金颗粒表面被高电阻率助烧剂所修饰，在烧结条件下，颗粒间的有效放电及界面焦耳热可产生局部高温，使颗粒表面局部熔化，助烧剂进一步增强了放电效果，降低烧结温度。

本发明包括以下步骤：

1)助烧剂的选择

助烧剂由高电阻的纳米粒子构成，助烧剂的熔点等于或者高于被烧结材料，其颗粒尺寸为2～500nm。助烧剂在烧结过程中起到增强颗粒间放电效果，产生局部高温，降低烧结温度，缩短烧结时间的作用。

2)助烧剂的用量和添加

助烧剂用量为：助烧剂与烧结粉末颗粒后，助烧剂的质量百分比含量为0.001～0.5％，将助烧剂用机械、物理或化学方法修饰待烧结粉末颗粒的表面，使其均布于待烧结粉末颗粒表面，之后称重并放入模具冷压定型。

3)放电等离子烧结致密化

采用放电等离子烧结方法，进行粉末冷压坯的致密化烧结成形，烧结过程在实现高强度烧结的同时达到致密化。

本发明的有益效果

采用本发明制备块体材料，可使烧结产热更加集中于颗粒界面，提高烧结效率。在通常的放电等离子烧结所具有的烧结温度低，烧结时间短的基础上，进一步降低烧结温度，缩短烧结时间，更加突出放电等离子烧结的独特作用。制备的块体材料界面结合更加紧密，致密度高，晶粒更加细小，综合性能优异。

附图说明

图1是放电等离子烧结助烧剂作用原理示意图。

图2是CaF₂纳米助烧剂修饰Fe-6.5Si粉末颗粒表面SEM像。

图3是使用与未使用CaF₂纳米助烧剂Fe-6.5Si样品烧结效果对比图。其中：a)使用助烧剂；b未使用助烧剂烧结样品的SEM照片。

图4是使用与未使用CaF₂纳米助烧剂Fe-6.5Si样品烧结致密化过程参数对比曲线。

具体实施方式

本发明包括以下步骤：

1)助烧剂的选择

2)助烧剂的用量和添加

3)放电等离子烧结致密化

所述的助烧剂为CaF2。

具体实例：

采用市售气雾化Fe-6.5Si粉末为烧结原料，市售的CaF₂纳米粉为放电等离子烧结助烧剂，采用物理化学法将CaF₂纳米粉均匀修饰于Fe-6.5Si粉末颗粒表面，修饰效果如图2所示，修饰后粉末冷压制胚后进行放电等离子烧结。放电等离子烧结试验在DR.SINTER SPS-625型放电等离子烧结机上进行，使用硬质合金模具，阴模内径直径15mm。阴模与阳模之间以及阳模与样品之间放有石墨纸，预紧后使电偶测温孔与样品中心位于同一高度，保证测温真实可靠。升温速率为150℃/min，升至600℃。阳模的纵向单轴压力为600MPa，保持于整个烧结过程。图3为使用与未使用CaF₂纳米助烧剂Fe-6.5Si样品烧结效果对比图，通过对比明显看出加入助剂烧结后的块体材料组织更致密，经测定两块体致密度分别为96.4％和99％，可见助烧效果显著。图4为使用与未使用CaF₂纳米助烧剂Fe-6.5Si样品烧结致密化过程参数对比曲线，烧结过程Z轴位移曲线代表烧结致密化进程，从图4中可以看出，未加助烧剂的样品烧结过程从128s开始到216s完成，对应时间点的温度分别为319℃、532℃，而加入助烧剂的烧结过程从104s开始到194s结束，对应时间点的温度分别为280℃、478℃，比较可知，在实验条件下，加入助烧剂后起始、终止烧结温度分别降低39℃、54℃，烧结用时缩短22s。

Claims

1.一种使用助烧剂对合金粉末颗粒进行放电等离子烧结的方法，该方法包括以下步骤：

1）助烧剂的选择

助烧剂由高电阻的纳米粒子构成，助烧剂的熔点等于或者高于被烧结材料，其颗粒尺寸为2～500nm；助烧剂在烧结过程中起到增强颗粒间放电效果，产生局部高温，降低烧结温度，缩短烧结时间的作用；

2）助烧剂的用量和添加

助烧剂用量为：助烧剂与烧结粉末颗粒后，助烧剂的质量百分比含量为0.001～0.5%，将助烧剂用机械、物理或化学方法修饰待烧结粉末颗粒的表面，使其均布于待烧结粉末颗粒表面，之后称重并放入模具冷压定型；

3）放电等离子烧结致密化

2.根据权利要求1所述的一种使用助烧剂对合金粉末颗粒进行放电等离子烧结的方法，其特征在于：所述的助烧剂为CaF2。