CN114054754A - 一种用于粉末冶金的放电等离子烧结系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粉末冶金技术领域，且公开了一种用于粉末冶金的放电等离子烧结系统，包括底板，底板上设置有加载框架，加载框架上设置有烧结腔室，烧结腔室上设置有压模机构，压模机构用于将原料粉末定型；加载框架上对称设置有两个液压汽缸；烧结腔室上还设置有第一通孔，底板上设置有真空泵，真空泵上设置有第一管道，该用于粉末冶金的放电等离子烧结系统除了上电极和下电极产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热外，还通过两个液压汽缸向原料粉末施加额外压力，可以加快原料粉末的成型速度，再通过设置的终端模块、执行模块和测量模块组成控制系统实现烧结过程全程智能化作业。

Description

一种用于粉末冶金的放电等离子烧结系统

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，具体为一种用于粉末冶金的放电等离子烧结系统。

背景技术

粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，均属于粉末烧结技术，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。而放电等离子烧结是一种先进的粉末冶金法，放电等离子烧结（简称SPS）工艺是将金属等粉末装入石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能材料的一种新的粉末冶金烧结技术。放电等离子烧结具有在加压过程中烧结的特点，脉冲电流产生的等离子体及烧结过程中的加压有利于降低粉末的烧结温度。同时低电压、高电流的特征，能使粉末快速烧结致密。

现有的放电等离子烧结技术是通过脉冲电流对原料粉末进行加热和加压，其所提供的压力不足，导致粉末成型的速度较慢，并且缺乏一套智能化的控制系统来实现烧结过程全程智能化作业。

发明内容

本发明提供了一种用于粉末冶金的放电等离子烧结系统，具备结合液压和放电压力加快粉末成型速度，并兼具智能化控制系统的有益效果，解决了上述背景技术中所提到的通过脉冲电流对原料粉末进行加热和加压，其所提供的压力不足，导致粉末成型的速度较慢，并且缺乏一套智能化的控制系统来实现烧结过程全程智能化作业的问题。

本发明提供如下技术方案：一种用于粉末冶金的放电等离子烧结装置，包括底板，所述底板上设置有加载框架，所述加载框架上设置有烧结腔室，所述烧结腔室上设置有压模机构，所述压模机构用于将原料粉末定型；

所述加载框架上对称设置有两个液压汽缸，且两个所述液压汽缸均滑动设置于所述烧结腔室内，两个所述液压汽缸上分别设置有上电极和下电极，且所述上电极和所述下电极对称设置于所述烧结腔室内；

所述烧结腔室上还设置有第一通孔，所述底板上设置有真空泵，所述真空泵上设置有第一管道，且所述真空泵通过所述第一管道与所述第一通孔连接。

作为本发明所述用于粉末冶金的放电等离子烧结装置的一种可选方案，其中：所述压模机构包括设置于所述烧结腔室内的模具，所述模具内滑动设置有两个冲压头，且两个所述冲压头对称设置于所述模具内，两个所述冲压头上均设置有垫片。

作为本发明所述用于粉末冶金的放电等离子烧结装置的一种可选方案，其中：所述模具上对称开设有两个限位槽，两个所述冲压头上均设置有限位块，且两个所述限位块分别滑动设置于两个所述限位槽内。

作为本发明所述用于粉末冶金的放电等离子烧结装置的一种可选方案，其中：所述烧结腔室上通过铰轴活动铰接有门板，所述门板上设置有电磁开关。

作为本发明所述用于粉末冶金的放电等离子烧结装置的一种可选方案，其中：所述烧结腔室上还设置有第二通孔，所述底板上设置有惰性气体输入泵，所述惰性气体输入泵上设置有第二管道，且所述惰性气体输入泵通过所述第二管道与所述第二通孔连接。

作为本发明所述用于粉末冶金的放电等离子烧结装置的一种可选方案，其中：所述底板上设置有电源和电控柜，所述电控柜上设置有操作面板。

作为本发明所述用于粉末冶金的放电等离子烧结装置的控制系统的一种可选方案，其中：终端模块、执行模块和测量模块，所述终端模块、所述执行模块和所述测量模块对应的各线程分别为架构主线程、指令执行线程和信息采集传输线程，且三个线程之间为并行运行；

所述终端模块包括设置单元和指令生成单元，所述设置单元与所述操作面板连接用于接收操作指令，所述指令生成单元用于将操作指令转化为相应的执行指令，并将所生成的执行指令传输至执行模块；

所述执行模块包括真空控制单元、直流脉冲控制单元、液压控制单元和烧结保护单元，所述真空控制单元与所述电磁开关连接用于控制其运行以关闭所述门板，所述真空控制单元与所述真空泵连接用于控制其运行以在所述烧结腔室内部形成真空环境，所述直流脉冲控制单元与所述上电极和所述下电极均连接用于控制其运行以产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用对原料粉末进行烧结，所述液压控制单元与两个所述液压汽缸均连接用于控制其运行以对原料粉末施加额外的压力辅助烧结，所述烧结保护单元与所述惰性气体输入泵连接用于控制其运行以向所述烧结腔室内充入惰性气体防止烧结物发生氧化；

所述测量模块用于实时监测所述烧结腔室内的烧结过程并将所测数据传输至终端模块。

作为本发明所述用于粉末冶金的放电等离子烧结装置的控制系统的一种可选方案，其中：所述测量模块包括位移测量单元和温度测量单元，所述位移测量单元用于测量两个所述冲压头的位移距离以判断原料粉末的烧结进程，所述温度测量单元用于测量原料粉末的温度以判断原料粉末的烧结进程。

作为本发明所述用于粉末冶金的放电等离子烧结装置的控制系统的一种可选方案，其中：所述执行模块还包括水冷单元，所述水冷单元用于在烧结完成后对所述烧结腔室进行快速降温，使得烧结物成型。

作为本发明所述用于粉末冶金的放电等离子烧结装置的控制系统的一种可选方案，其中：所述终端模块还包括安全控制单元，所述安全控制单元用于监测烧结装置的运行状态并执行安全保护策略。

本发明具备以下有益效果：

1、该用于粉末冶金的放电等离子烧结系统，通过压模机构将原料粉末压模后，除了上电极和下电极产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用外，还通过两个液压汽缸向原料粉末施加额外压力，可以加快原料粉末的成型速度，再通过设置的终端模块、执行模块和测量模块组成控制系统实现烧结过程全程智能化作业。

2、该用于粉末冶金的放电等离子烧结系统，发生烧结的场所烧结腔室的开合由电磁开关和门板进行控制，相比传统的人工关合的门可以产生更强的闭合力，使得密封性更好，又在压模机构内设置有起到限位作用的两个限位块和限位槽，使得原料粉末所受压力的释放更加均匀稳定。

3、该用于粉末冶金的放电等离子烧结系统，在终端模块内还设置有安全控制单元，由测量模块所传输的位移数据和温度数据以及各部件的运行情况会汇总到安全控制单元进行实时监测，当运行出现异常偏离阈值时，安全控制单元会发出预警，及时切断电源对各部件的供电，保障安全。

附图说明

图1为本发明第一整体结构示意图。

图2为本发明第二整体结构示意图。

图3为本发明爆炸结构示意图。

图4为图3中A处的局部放大图。

图5为本发明系统结构示意图。

图中：1、底板；2、加载框架；3、烧结腔室；301、第一通孔；302、第二通孔；303、门板；304、电磁开关；4、压模机构；401、模具；402、冲压头；403、垫片；404、限位块；405、限位槽；5、上电极；501、下电极；502、液压汽缸；6、真空泵；601、第一管道；7、惰性气体输入泵；701、第二管道；8、电源；9、电控柜；901、操作面板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-4，一种用于粉末冶金的放电等离子烧结装置，包括底板1，底板1上设置有加载框架2，加载框架2上设置有烧结腔室3，烧结腔室3上设置有压模机构4，压模机构4用于将原料粉末定型；

加载框架2上对称设置有两个液压汽缸502，且两个液压汽缸502均滑动设置于烧结腔室3内，两个液压汽缸502上分别设置有上电极5和下电极501，且上电极5和下电极501对称设置于烧结腔室3内；

烧结腔室3上还设置有第一通孔301，底板1上设置有真空泵6，真空泵6上设置有第一管道601，且真空泵6通过第一管道601与第一通孔301连接。

本实施例中：加载框架2内部铺设有用于连接各部件的线路，烧结腔室3是用于粉末烧结的场所，在烧结腔室3内设置有压模机构4，通过将原料粉末填充入压模机构4内可使得粉末成为所定制烧结物的形状，加载框架2的上下两侧均设置有液压汽缸502，两个液压汽缸502贯穿入烧结腔室3内并与烧结腔室3的内壁紧密贴合保持密封，两个液压汽缸502的输出端分别连接有上电极5和下电极501，上电极5和下电极501则分别连接于压模机构4的上下两侧，此外，烧结腔室3上还开设有第一通孔301，底板1上设置有真空泵6，真空泵6和第一通孔301通过第一管道601连接，烧结时，首先通过真空泵6运行将烧结腔室3内抽为真空环境，然后加载框架2运行产生通－断式直流脉冲电流，上电极5和下电极501通入直流脉冲电流时会瞬间产生放电等离子体，使原料粉末内部各个颗粒均匀的自身产生焦耳热并使颗粒表面活化，从而进行烧结，同时两个液压汽缸502运行，还会为原料粉末施加额外的压力辅助烧结，加快烧结的速度。

实施例2

请参阅图1-4，压模机构4包括设置于烧结腔室3内的模具401，模具401内滑动设置有两个冲压头402，且两个冲压头402对称设置于模具401内，两个冲压头402上均设置有垫片403。

本实施例中：模具401内上下对称滑动有两个冲压头402，两个冲压头402的靠近端均设置有垫片403，原料粉末放置于两个垫片403之间，两个冲压头402的相远离端则分别与上电极5和下电极501接触，通过选择不同形状的模具401和冲压头402可以将原料粉末烧结出不同形状，烧结时，首先将一个冲压头402和一个垫片403从下部插入模具401内，然后将原料粉末称量好倒入其中，再放入另一个垫片403和另一个冲压头402，将原料粉末固定在模具401的中部，然后托住模具401和两个冲压头402，将其置入下电极501和上电极5之间，再启动加载框架2、两个液压汽缸502的运行，通过两个冲压头402和两个垫片403可以将放电等离子体和压力均匀传导至原料粉末处。

模具401上对称开设有两个限位槽405，两个冲压头402上均设置有限位块404，且两个限位块404分别滑动设置于两个限位槽405内。

本实施例中：限位槽405为十字形槽，限位块404则由四个块组成，通过设置的两个限位块404和两个限位槽405可以方便两个冲压头402在插入模具401内时对准，并且在烧结过程中，对两个冲压头402起到限位作用，避免其运动出现偏移。

实施例3

请参阅图1-4，烧结腔室3上通过铰轴活动铰接有门板303，门板303上设置有电磁开关304。

本实施例中：通过电磁开关304可以控制门板303的开合和关闭，无需人工开关门板303，同时，电磁开关304产生的闭合力也更大，使得烧结腔室3在烧结时的密封性更好，避免热量逸散和破坏真空环境。

烧结腔室3上还设置有第二通孔302，底板1上设置有惰性气体输入泵7，惰性气体输入泵7上设置有第二管道701，且惰性气体输入泵7通过第二管道701与第二通孔302连接。

本实施例中：烧结腔室3上还设置有第二通孔302，惰性气体输入泵7通过第二管道701与第二通孔302连接，将烧结腔室3抽为真空环境后，通过惰性气体输入泵7运行，可以向烧结腔室3内充入惰性气体，例如氩气，在氩气环境下可以避免烧结物发生氧化反应破坏其成型。

底板1上设置有电源8和电控柜9，电控柜9上设置有操作面板901。

本实施例中：电源8与加载框架2、液压汽缸502、真空泵6、惰性气体输入泵7均连接用于向其供电，电控柜9也同样与其余各部件连接用于控制其运行过程，操作面板901则供操作人员进行操作设置。

实施例4

请参阅图1-5，用于粉末冶金的放电等离子烧结装置的控制系统，包括终端模块、执行模块和测量模块，终端模块、执行模块和测量模块对应的各线程分别为架构主线程、指令执行线程和信息采集传输线程，且三个线程之间为并行运行；

终端模块包括设置单元和指令生成单元，设置单元与操作面板901连接用于接收操作指令，指令生成单元用于将操作指令转化为相应的执行指令，并将所生成的执行指令传输至执行模块；

执行模块包括真空控制单元、直流脉冲控制单元、液压控制单元和烧结保护单元，真空控制单元与电磁开关304连接用于控制其运行以关闭门板303，真空控制单元与真空泵6连接用于控制其运行以在烧结腔室3内部形成真空环境，直流脉冲控制单元与上电极5和下电极501均连接用于控制其运行以产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用对原料粉末进行烧结，液压控制单元与两个液压汽缸502均连接用于控制其运行以对原料粉末施加额外的压力辅助烧结，烧结保护单元与惰性气体输入泵7连接用于控制其运行以向烧结腔室3内充入惰性气体防止烧结物发生氧化；

测量模块用于实时监测烧结腔室3内的烧结过程并将所测数据传输至终端模块；

测量模块包括位移测量单元和温度测量单元，位移测量单元用于测量两个冲压头402的位移距离以判断原料粉末的烧结进程，温度测量单元用于测量原料粉末的温度以判断原料粉末的烧结进程。

本实施例中：进行烧结操作时，将充填好原料粉末的压模机构4置入上电极5和下电极501之间后，操作人员由操作面板901输入烧结设置，包括烧结时间、模式和温度等的选择，然后由操作面板901将输入的操作指令传输至指令生成单元，由指令生成单元生成执行指令，然后由终端模块将指令传输给执行模块，首先，执行模块中的真空控制单元会控制电磁开关304带动门板303闭合将烧结腔室3密封，然后真空控制单元会控制真空泵6运行将烧结腔室3内抽为真空环境，然后直流脉冲控制单元、液压控制单元和烧结保护单元并行运行，直流脉冲控制单元会控制加载框架2运行产生直流脉冲电流传导至上电极5和下电极501使其放电，产生放电等离子体，液压控制单元控制两个液压汽缸502同时运行对原料粉末施加额外压力，烧结保护单元控制惰性气体输入泵7向烧结腔室3内输入惰性气体进行烧结保护，同时在烧结过程中，测量模块会将测得的烧结数据实时传输至终端模块进行监控。

实施例5

请参阅图1-5，执行模块还包括水冷单元，水冷单元用于在烧结完成后对烧结腔室3进行快速降温，使得烧结物成型。

本实施例中：烧结完成后，水冷单元通过冷凝液循环可以对烧结腔室3进行迅速降温，加快烧结物成型速度。

终端模块还包括安全控制单元，安全控制单元用于监测烧结装置的运行状态并执行安全保护策略。

本实施例中：由测量模块所传输的位移数据和温度数据以及各部件的运行情况会汇总到安全控制单元进行实时监测，当运行出现异常偏离阈值时，安全控制单元会发出预警，及时切断电源8对各部件的供电，保障安全。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于粉末冶金的放电等离子烧结装置，包括底板（1），其特征在于：所述底板（1）上设置有加载框架（2），所述加载框架（2）上设置有烧结腔室（3），所述烧结腔室（3）上设置有压模机构（4），所述压模机构（4）用于将原料粉末定型；

所述加载框架（2）上对称设置有两个液压汽缸（502），且两个所述液压汽缸（502）均滑动设置于所述烧结腔室（3）内，两个所述液压汽缸（502）上分别设置有上电极（5）和下电极（501），且所述上电极（5）和所述下电极（501）对称设置于所述烧结腔室（3）内；

所述烧结腔室（3）上还设置有第一通孔（301），所述底板（1）上设置有真空泵（6），所述真空泵（6）上设置有第一管道（601），且所述真空泵（6）通过所述第一管道（601）与所述第一通孔（301）连接。

2.根据权利要求1所述的用于粉末冶金的放电等离子烧结装置，其特征在于：所述压模机构（4）包括设置于所述烧结腔室（3）内的模具（401），所述模具（401）内滑动设置有两个冲压头（402），且两个所述冲压头（402）对称设置于所述模具（401）内，两个所述冲压头（402）上均设置有垫片（403）。

3.根据权利要求2所述的用于粉末冶金的放电等离子烧结装置，其特征在于：所述模具（401）上对称开设有两个限位槽（405），两个所述冲压头（402）上均设置有限位块（404），且两个所述限位块（404）分别滑动设置于两个所述限位槽（405）内。

4.根据权利要求3所述的用于粉末冶金的放电等离子烧结装置，其特征在于：所述烧结腔室（3）上通过铰轴活动铰接有门板（303），所述门板（303）上设置有电磁开关（304）。

5.根据权利要求4所述的用于粉末冶金的放电等离子烧结装置，其特征在于：所述烧结腔室（3）上还设置有第二通孔（302），所述底板（1）上设置有惰性气体输入泵（7），所述惰性气体输入泵（7）上设置有第二管道（701），且所述惰性气体输入泵（7）通过所述第二管道（701）与所述第二通孔（302）连接。

6.根据权利要求5所述的用于粉末冶金的放电等离子烧结装置，其特征在于：所述底板（1）上设置有电源（8）和电控柜（9），所述电控柜（9）上设置有操作面板（901）。

7.根据权利要求6所述的用于粉末冶金的放电等离子烧结装置，其特征在于：其控制系统包括：终端模块、执行模块和测量模块，所述终端模块、所述执行模块和所述测量模块对应的各线程分别为架构主线程、指令执行线程和信息采集传输线程，且三个线程之间为并行运行；

所述终端模块包括设置单元和指令生成单元，所述设置单元与所述操作面板（901）连接用于接收操作指令，所述指令生成单元用于将操作指令转化为相应的执行指令，并将所生成的执行指令传输至执行模块；

所述执行模块包括真空控制单元、直流脉冲控制单元、液压控制单元和烧结保护单元，所述真空控制单元与所述电磁开关（304）连接用于控制其运行以关闭所述门板（303），所述真空控制单元与所述真空泵（6）连接用于控制其运行以在所述烧结腔室（3）内部形成真空环境，所述直流脉冲控制单元与所述上电极（5）和所述下电极（501）均连接用于控制其运行以产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用对原料粉末进行烧结，所述液压控制单元与两个所述液压汽缸（502）均连接用于控制其运行以对原料粉末施加额外的压力辅助烧结，所述烧结保护单元与所述惰性气体输入泵（7）连接用于控制其运行以向所述烧结腔室（3）内充入惰性气体防止烧结物发生氧化；

所述测量模块用于实时监测所述烧结腔室（3）内的烧结过程并将所测数据传输至终端模块。

8.根据权利要求7所述的用于粉末冶金的放电等离子烧结装置的控制系统，其特征在于：所述测量模块包括位移测量单元和温度测量单元，所述位移测量单元用于测量两个所述冲压头（402）的位移距离以判断原料粉末的烧结进程，所述温度测量单元用于测量原料粉末的温度以判断原料粉末的烧结进程。

9.根据权利要求8所述的用于粉末冶金的放电等离子烧结装置的控制系统，其特征在于：所述执行模块还包括水冷单元，所述水冷单元用于在烧结完成后对所述烧结腔室（3）进行快速降温，使得烧结物成型。

10.根据权利要求9所述的用于粉末冶金的放电等离子烧结装置的控制系统，其特征在于：所述终端模块还包括安全控制单元，所述安全控制单元用于监测烧结装置的运行状态并执行安全保护策略。

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