CN105066682A - 一种快速致密化压力耦合动态烧结炉及烧结方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速致密化压力耦合动态烧结炉及烧结方法，它包括炉体、加热系统、冷却系统、红外测温系统和压力耦合系统；加热系统位于炉体内，炉体连接冷却系统，加热系统和冷却系统连接红外测温系统，压力耦合系统连接炉体；炉体内设置加热系统，红外测温系统连接加热系统和冷却系统，并将温度信号传输至加热系统和冷却系统。压力耦合系统包括压头、液压缸和压力控制模块；压力控制模块包括第一伺服阀、第二伺服阀、恒定压力控制器和振荡压力控制器，压力耦合系统产生待烧结材料所需频率和振幅的动态耦合压力。本发明提供一种制备高致密度、低缺陷、高强度材料的快速致密化压力耦合动态烧结炉及烧结方法，可广泛应用于材料制备的烧结过程中。

Description

一种快速致密化压力耦合动态烧结炉及烧结方法

技术领域

本发明涉及一种烧结炉及烧结方法，特别是关于一种快速致密化压力耦合动态烧结炉及烧结方法。

背景技术

先进材料制备过程中的烧结过程是实现颗粒致密化、赋予材料机械强度的关键步骤。特别是陶瓷及某些金属材料的熔点较高，往往难以实现烧结致密化，因此对烧结设备及技术提出了较高的要求。

目前常用的烧结方法包括常压烧结、热压烧结两种。常压烧结是在大气压力下通过加热促进材料致密化，一般材料的致密度不高。热压烧结是在加热的同时，对粉体施加单向或双向的压力，相比常压烧结可以有效的促进粉末的致密化、抑制晶粒长大，热压烧结的应用领域包括陶瓷、硬质合金、金属间化合物以及复合材料等。但目前热压烧结设备所提供的压力均为恒定压力，研究表明恒定压力作用下颗粒难以滑移重排、气孔难以排出，尤其是纳米粉体因具较高的表面能容易发生自发团聚现象，而恒定压力无法消除其团聚，因此恒定压力烧结条件下材料晶界处往往残留部分闭气孔，制约了材料力学性能的提高。

另外，目前的烧结设备往往缺少轴向位移实时监测功能，烧结过程中粉体收缩、材料致密化的进程无法及时掌握，因此制约了科学合理的烧结制度的制定。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可有效促进粉体颗粒重排、消除颗粒团聚从而促进闭气孔排出，提高粉体堆积密度，并通过轴向位移测量系统实时监测粉体收缩情况，从而制备出高致密度、低缺陷、高强度材料的快速致密化压力耦合动态烧结炉及烧结方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种快速致密化压力耦合动态烧结炉，其特征在于：它包括炉体、加热系统、冷却系统、红外测温系统和压力耦合系统；所述加热系统位于所述炉体内，所述炉体连接所述冷却系统，所述加热系统和所述冷却系统均连接所述红外测温系统，所述压力耦合系统连接所述炉体；

所述压力耦合系统包括压头、液压缸和压力控制模块；所述压头的一端位于所述炉体内部，所述压头的另一端穿过所述炉体连接所述液压缸，所述液压缸连接所述压力控制模块，所述压力控制模块通过所述液压缸向所述压头传递压力，对待烧结材料进行加压；所述压力控制模块包括第一伺服阀、第二伺服阀、恒定压力控制器和振荡压力控制器；所述液压缸连接所述第一伺服阀和所述第二伺服阀，所述第一伺服阀连接所述恒定压力控制器，所述第二伺服阀连接所述振荡压力控制器，所述恒定压力控制器和所述振荡压力控制器均与所述液压缸连接，接收所述液压缸的工作信号，然后根据接收到的所述液压缸的工作信号，所述恒定压力控制器对所述第一伺服阀发出恒定压力控制信号，所述第一伺服阀根据接收到所述恒定压力控制信号调节输入到所述液压缸内的恒定压力；所述振荡压力控制器对所述第二伺服阀发出振荡压力控制信号，所述第二伺服阀根据接收到所述振荡压力控制信号调节输入到所述液压缸内的振荡压力，所述恒定压力和所述振荡压力在所述液压缸内有效叠加，产生待烧结材料所需频率和振幅的动态耦合压力。

所述炉体包括炉壳、上炉盖和下炉盖，所述炉壳为夹层双壁水冷结构，所述炉壳的内壁、所述上炉盖和所述下炉盖之间构成加热腔，在所述加热腔内设置有模具和所述加热系统，所述加热系统包括加热体和加热组件，所述模具位于所述加热腔中部位置，所述加热体位于所述加热腔内部所述模具的周围，所述加热组件连接所述加热体；在所述炉壳的外壁设置有入水口和出水口，所述入水口和所述出水口均连接所述冷却系统，所述冷却系统包括PLC控件，所述红外测温系统连接所述加热组件和所述PLC控件；所述红外测温系统通过设置在所述炉体上的测温孔测量所述炉体内的温度，并将获得的温度信号传输至所述加热组件和所述PLC控件，所述加热组件根据获得的温度信号控制所述加热系统中的加热功率，所述PLC控件根据获得的温度信号控制所述冷却系统中冷却水的进入和排出。

所述快速致密化压力耦合动态烧结炉还包括磁栅线位移测量系统，所述磁栅线位移测量系统包括磁头、磁栅线位移传感器和位移显示器，所述磁头与所述压头接触，所述磁头在所述压头的压力点上采集轴向位移信号，将获得的轴向位移信号传输给所述磁栅线位移传感器，所述磁栅线位移传感器将采集到的轴向位移信号输送至所述位移显示器进行实时显示。

所述动态耦合压力的方向为压头轴向，频率为1～3Hz。

所述快速致密化压力耦合动态烧结炉还包括电控显示系统，所述电控显示系统与所述炉体连接。

所述快速致密化压力耦合动态烧结炉还包括炉体固定装置、支撑及炉盖开启系统和升降机构。

所述模具采用碳/碳复合材料，所述压头采用石墨材料。

一种采用快速致密化压力耦合动态烧结炉的烧结方法，包括以下步骤：

1)检测电源、气源和水源，将待烧结材料放置于炉体内的模具中；

2)通过气氛控制系统控制炉体内的气氛及压力，通过压力耦合系统施加待烧结材料所需频率和振幅的动态耦合压力，动态耦合压力促进待烧结材料的颗粒重排，从而提高待烧结材料的生坯密度；

3)通过加热电极给加热体加热，根据待烧结材料所需温度及其工艺要求时间，当加热体达到待烧结材料所需温度后，保持待烧结材料工艺要求时间；

4)待烧结材料工艺要求时间达到后，通过冷却系统控制冷却水的进入和排出，从而对炉体进行缓慢降温，同时缓慢降低动态耦合压力直至动态耦合压力为零；

5)当炉体内的温度冷却达到室温后，烧结完成，将烧结体从炉体内取出。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用压力耦合系统，将恒定压力和振荡压力有效叠加，从而产生粉体烧结所需的频率和大小可控的动态耦合压力。通过调控烧结过程中不同阶段动态耦合压力的频率和压力大小，能够极大地促进待烧结材料颗粒重排、团聚体破碎以及流动传质、气孔扩散和排除等机制，从而制备出其他烧结技术无法达到的高致密度、高强度、高可靠性的结构材料。2、本发明由于采用磁栅线位移测量系统可以实时采集待烧结材料的轴向位移信号，从而获得待烧结材料的烧结致密化曲线，根据该曲线可制定科学合理的烧结制度，从而制备出高致密度、高强度、低缺陷、高可靠性材料。3、本发明采用碳-碳复合材料为模具材料，采用高纯高强石墨材料制成压头，因此烧结炉能够承受高频动态耦合压力持续冲击，可有效延长烧结炉的服役寿命。综上所述，本发明可以广泛应用于高致密度、高强度、高可靠性材料的烧结过程。

附图说明

图1是本发明的快速致密化压力耦合动态烧结炉示意图；

图2是本发明的压力耦合系统示意图；

图3是本发明的动态压力的耦合原理示意图；

图4是图1中A部分的放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种快速致密化压力耦合动态烧结炉，其包括炉体1、加热系统2、冷却系统3、红外测温系统4和压力耦合系统5。加热系统2位于炉体1内，炉体1连接冷却系统3，加热系统2和冷却系统3均连接红外测温系统4，压力耦合系统5连接炉体1。

炉体1包括炉壳11、上炉盖12和下炉盖13，炉壳11为夹层双壁水冷结构，炉壳11的内壁、上炉盖12和下炉盖13之间构成加热腔，在加热腔内设置有模具14和加热系统2，加热系统2包括加热体和加热组件(图中未标出)，模具14位于加热腔中部位置，加热体位于加热腔内部模具14的周围，加热组件连接加热体。在炉壳11的外壁设置有入水口和出水口，入水口和出水口均连接冷却系统3，冷却系统3包括PLC控件。红外测温系统4连接加热组件和PLC控件。红外测温系统4通过设置在炉体1上的测温孔41测量炉体1内的温度，并将获得的温度信号传输至加热组件和PLC控件，加热组件根据获得的温度信号控制加热系统2中的加热功率，PLC控件根据获得的温度信号控制冷却系统3中冷却水的进入和排出。

如图2所示，压力耦合系统5包括压头51、液压缸52和压力控制模块53。压头51的一端位于模具14的上方，另一端穿过上炉盖12连接液压缸52，液压缸52连接压力控制模块53，压力控制模块53通过液压缸52向压头51传递压力，对待烧结材料进行加压。压力控制模块53包括第一伺服阀531、第二伺服阀532、恒定压力控制器533和振荡压力控制器534。液压缸52连接第一伺服阀531和第二伺服阀532，第一伺服阀531连接恒定压力控制器533，第二伺服阀532连接振荡压力控制器534，恒定压力控制器533和振荡压力控制器534均与液压缸52连接，接收液压缸工作信号，然后根据接收到的液压缸工作信号，恒定压力控制器533对第一伺服阀531发出恒定压力控制信号，第一伺服阀531根据接收到恒定压力控制信号调节输入到液压缸52内的恒定压力，振荡压力控制器534对第二伺服阀532发出振荡压力控制信号，第二伺服阀532根据接收到振荡压力控制信号调节输入到液压缸52内的振荡压力，如图3所示，恒定压力和振荡压力在液压缸52内有效叠加，从而产生待烧结材料所需频率和振幅的动态耦合压力。为了降低动态耦合压力对模具的冲击破坏，同时提高粉体致密化速率，通常第一伺服阀531输出的恒定压力数值较大，第二伺服阀532输出的振荡压力数值较小。

上述实施例中，模具14采用韧性和强度更高的碳/碳复合材料，压头51采用高纯高强石墨，能够承受高频动态耦合压力持续冲击，使用周期长。

上述实施例中，动态耦合压力的方向为压头轴向，频率为1～3Hz。

上述实施例中，快速致密化压力耦合动态烧结炉还包括磁栅线位移测量系统6，如图4所示，磁栅线位移测量系统6包括磁头61、磁栅线位移传感器62和位移显示器63，磁头61与压头51接触，磁头61直接在压头51的压力点上采集轴向位移信号，将获得的轴向位移信号传输给磁栅线位移传感器62，磁栅线位移传感器62将采集到的轴向位移信号输送至位移显示器63进行实时显示。

上述实施例中，快速致密化压力耦合动态烧结炉还包括气氛控制系统7，气氛控制系统7与炉体1连接，可实现N₂或Ar单独充入，也可混合充入炉体1内，并能实现对炉体1内压力的控制；当炉体1内超压时气氛控制系统7可发出声光报警信号，并进行自动泄压，保证烧结炉的安全运行。

上述实施例中，快速致密化压力耦合动态烧结炉还包括电控显示系统8，电控显示系统8与炉体1连接，实时显示炉体1内的温度升降曲线。

上述实施例中，快速致密化压力耦合动态烧结炉还包括炉体固定装置9、支撑及炉盖开启系统10和升降机构11。

本发明还提供一种采用快速致密化压力耦合动态烧结炉的烧结方法，包括以下步骤：

1)检测电源、气源和水源，将待烧结材料放置于炉体1内的模具14中。

2)通过气氛控制系统7控制炉体1内的气氛及压力，通过压力耦合系统5施加待烧结材料所需频率和振幅的动态耦合压力，动态耦合压力促进待烧结材料的颗粒重排，从而提高待烧结材料的生坯密度。

3)通过加热电极给加热体加热，根据待烧结材料所需温度及其工艺要求时间，当加热体达到待烧结材料所需温度后，保持待烧结材料工艺要求时间。

4)待烧结材料工艺要求时间达到后，通过冷却系统3控制冷却水的进入和排出，从而对炉体1进行缓慢降温，同时缓慢降低动态耦合压力直至动态耦合压力为零。

5)当炉体1内的温度冷却达到室温后，烧结完成，将烧结体从炉体1内取出。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种快速致密化压力耦合动态烧结炉，其特征在于：它包括炉体、加热系统、冷却系统、红外测温系统和压力耦合系统；所述加热系统位于所述炉体内，所述炉体连接所述冷却系统，所述加热系统和所述冷却系统均连接所述红外测温系统，所述压力耦合系统连接所述炉体；

所述压力耦合系统包括压头、液压缸和压力控制模块；所述压头的一端位于所述炉体内部，所述压头的另一端穿过所述炉体连接所述液压缸，所述液压缸连接所述压力控制模块，所述压力控制模块通过所述液压缸向所述压头传递压力，对待烧结材料进行加压；所述压力控制模块包括第一伺服阀、第二伺服阀、恒定压力控制器和振荡压力控制器；所述液压缸连接所述第一伺服阀和所述第二伺服阀，所述第一伺服阀连接所述恒定压力控制器，所述第二伺服阀连接所述振荡压力控制器，所述恒定压力控制器和所述振荡压力控制器均与所述液压缸连接，接收所述液压缸的工作信号，然后根据接收到的所述液压缸的工作信号，所述恒定压力控制器对所述第一伺服阀发出恒定压力控制信号，所述第一伺服阀根据接收到所述恒定压力控制信号调节输入到所述液压缸内的恒定压力；所述振荡压力控制器对所述第二伺服阀发出振荡压力控制信号，所述第二伺服阀根据接收到所述振荡压力控制信号调节输入到所述液压缸内的振荡压力，所述恒定压力和所述振荡压力在所述液压缸内有效叠加，产生待烧结材料所需频率和振幅的动态耦合压力。

2.如权利要求1所述的一种快速致密化压力耦合动态烧结炉，其特征在于：所述炉体包括炉壳、上炉盖和下炉盖，所述炉壳为夹层双壁水冷结构，所述炉壳的内壁、所述上炉盖和所述下炉盖之间构成加热腔，在所述加热腔内设置有模具和所述加热系统，所述加热系统包括加热体和加热组件，所述模具位于所述加热腔中部位置，所述加热体位于所述加热腔内部所述模具的周围，所述加热组件连接所述加热体；在所述炉壳的外壁设置有入水口和出水口，所述入水口和所述出水口均连接所述冷却系统，所述冷却系统包括PLC控件，所述红外测温系统连接所述加热组件和所述PLC控件；所述红外测温系统通过设置在所述炉体上的测温孔测量所述炉体内的温度，并将获得的温度信号传输至所述加热组件和所述PLC控件，所述加热组件根据获得的温度信号控制所述加热系统中的加热功率，所述PLC控件根据获得的温度信号控制所述冷却系统中冷却水的进入和排出。

3.如权利要求1或2所述的一种快速致密化压力耦合动态烧结炉，其特征在于：所述快速致密化压力耦合动态烧结炉还包括磁栅线位移测量系统，所述磁栅线位移测量系统包括磁头、磁栅线位移传感器和位移显示器，所述磁头与所述压头接触，所述磁头在所述压头的压力点上采集轴向位移信号，将获得的轴向位移信号传输给所述磁栅线位移传感器，所述磁栅线位移传感器将采集到的轴向位移信号输送至所述位移显示器进行实时显示。

4.如权利要求1或2所述的一种快速致密化压力耦合动态烧结炉，其特征在于：所述动态耦合压力的方向为压头轴向，频率为1～3Hz。

5.如权利要求3所述的一种快速致密化压力耦合动态烧结炉，其特征在于：所述动态耦合压力的方向为压头轴向，频率为1～3Hz。

6.如权利要求1或2或5所述的一种快速致密化压力耦合动态烧结炉，其特征在于：所述快速致密化压力耦合动态烧结炉还包括电控显示系统，所述电控显示系统与所述炉体连接。

7.如权利要求3所述的一种快速致密化压力耦合动态烧结炉，其特征在于：所述快速致密化压力耦合动态烧结炉还包括电控显示系统，所述电控显示系统与所述炉体连接。

8.如权利要求1或2或5或7所述的一种快速致密化压力耦合动态烧结炉，其特征在于：所述快速致密化压力耦合动态烧结炉还包括炉体固定装置、支撑及炉盖开启系统和升降机构。

9.如权利要求2所述的一种快速致密化压力耦合动态烧结炉，其特征在于：所述模具采用碳/碳复合材料，所述压头采用石墨材料。

10.一种采用如权利要求1～9中任一项所述的快速致密化压力耦合动态烧结炉的烧结方法，包括以下步骤：

1)检测电源、气源和水源，将待烧结材料放置于炉体内的模具中；

2)通过气氛控制系统控制炉体内的气氛及压力，通过压力耦合系统施加待烧结材料所需频率和振幅的动态耦合压力，动态耦合压力促进待烧结材料的颗粒重排，从而提高待烧结材料的生坯密度；

3)通过加热电极给加热体加热，根据待烧结材料所需温度及其工艺要求时间，当加热体达到待烧结材料所需温度后，保持待烧结材料工艺要求时间；

4)待烧结材料工艺要求时间达到后，通过冷却系统控制冷却水的进入和排出，从而对炉体进行缓慢降温，同时缓慢降低动态耦合压力直至动态耦合压力为零；

5)当炉体内的温度冷却达到室温后，烧结完成，将烧结体从炉体内取出。