RU2761813C1 - Additive method for obtaining dimension products from conductive ceramics by spark plasma sintering - Google Patents

Additive method for obtaining dimension products from conductive ceramics by spark plasma sintering Download PDF

Info

Publication number
RU2761813C1
RU2761813C1 RU2021106469A RU2021106469A RU2761813C1 RU 2761813 C1 RU2761813 C1 RU 2761813C1 RU 2021106469 A RU2021106469 A RU 2021106469A RU 2021106469 A RU2021106469 A RU 2021106469A RU 2761813 C1 RU2761813 C1 RU 2761813C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
powder
spark plasma
plasma sintering
additive method
parts
Prior art date
Application number
RU2021106469A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Георгиевич Анисимов
Вячеслав Иосифович Мали
Максим Александрович Есиков
Вячеслав Васильевич Крижановский
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИГиЛ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИГиЛ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИГиЛ СО РАН)
Priority to RU2021106469A priority Critical patent/RU2761813C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2761813C1 publication Critical patent/RU2761813C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20Direct sintering or melting
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20Direct sintering or melting
    • B22F10/25Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/40Structures for supporting workpieces or articles during manufacture and removed afterwards
    • B22F10/47Structures for supporting workpieces or articles during manufacture and removed afterwards characterised by structural features
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10Sintering only
    • B22F3/105Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

FIELD: material processing.
SUBSTANCE: method relates to the technique of hot pressing with simultaneous sintering of powders and to the thermomechanical class of welding using thermal energy and pressure. An additive method for producing dimensional products from conductive materials by spark plasma sintering involves prebaking of the connected parts, placing the powder of the base material between the connected parts, while only the first connected part is presintered, and the second and subsequent parts are obtained by filling the powder of the original ceramics into a mold in which one of the punches is already sintered, followed by joint electric spark plasma sintering. Sintering is carried out in a vacuum or in a protective argon atmosphere at high temperatures released in the powder. Finished products (carbides, borides: SiC, TiC, TaC, ZrB2, HfB2, metals: W, Mo, Ta, Nb and their alloys, including high-entropy) are obtained by combining several successively baked parts and powder layers into one whole.
EFFECT: expansion of the range of solutions in large size equipment production.
5 cl, 6 dwg

Description

Предлагаемое изобретение (далее - Изобретение) относится к области производства материалов с повышенной температурой эксплуатации, а также к области техники горячего прессования, при котором происходит одновременно прессование и спекание порошков, что позволяет получать фактически беспористые изделия не только из металлов, но и изделия из карбидов, боридов и других сверхтвердых материалов; и к термомеханическому классу сварки, осуществляемому с использованием тепловой энергии и давления.The proposed invention (hereinafter referred to as the Invention) relates to the field of production of materials with an elevated operating temperature, as well as to the field of hot pressing technology, in which simultaneously pressing and sintering of powders occurs, which makes it possible to obtain virtually non-porous products not only from metals, but also products from carbides , borides and other superhard materials; and to a thermomechanical class of welding carried out using heat energy and pressure.

Изобретение предполагает получение готовых изделий путем объединения нескольких последовательно припекаемых деталей в одно целое и может быть использовано при изготовлении габаритных и изделий сложного профиля. Наибольший эффект от применения изобретения ожидается в производстве высокотемпературных изделий из бескислородных типов керамики, таких как карбиды, нитриды и бориды, а также металлов W, Мо, Та, Nb и их сплавов, в том числе высокоэнтропийных.The invention involves the production of finished products by combining several sequentially baked parts into one whole and can be used in the manufacture of dimensional and complex profile products. The greatest effect from the application of the invention is expected in the production of high-temperature products from oxygen-free types of ceramics, such as carbides, nitrides and borides, as well as metals W, Mo, Ta, Nb and their alloys, including high-entropy ones.

Традиционные методы спекания таких типов керамики и металлов весьма затруднительны. Поэтому используют новый, инновационный метод искрового плазменного спекания (SPS) - впервые разработанный японской компанией Sumitomo Coal Mining Co., Ltd. и широко распространенный в США, ФРГ и других развитых странах. В основе процесса лежит модифицированный метод горячего прессования, при котором электрический ток от специального генератора импульсов постоянного тока пропускается непосредственно через пресс-форму и прессуемую заготовку. Длительность одиночного импульса составляет 3 мс. Используется последовательность из 12 импульсов, а затем выключение тока на время, равное по длительности продолжительности двух импульсов.Traditional sintering methods for these types of ceramics and metals are very difficult. Therefore, they use a new, innovative method of spark plasma sintering (SPS) - first developed by the Japanese company Sumitomo Coal Mining Co., Ltd. and widespread in the USA, Germany and other developed countries. The process is based on a modified hot pressing method, in which an electric current from a special DC pulse generator is passed directly through the mold and the blank to be pressed. The duration of a single pulse is 3 ms. A sequence of 12 pulses is used, and then the current is turned off for a time equal to the duration of the two pulses.

Спекание проводят в вакууме или в защитной атмосфере аргона при высоких температурах при одновременном приложении к образцу давления по одноосной схеме, что позволяет осуществлять очень быстрый нагрев и исключительно малую продолжительность рабочего цикла. При этом не происходит рост зерна и открывается возможности для создания материалов с ранее недоступными композициями и наномасштабным зерном, что придает им необычные свойства. Электрический ток проходит непосредственно через спекаемый порошковый образец, обладающий электрической проводимостью, между частицами порошка происходят разряды и возникает искровая плазма, которая способствует их очистке и разогреву и при последующем одноосном сжатии образуется заготовка высокой плотности и прочности. Нагрев контактов происходит за малый промежуток времени, так что спекание образца в целом происходит при температурах на (200÷400)°С ниже температур спекания такого же образца обычными методами.Sintering is carried out in a vacuum or in a protective argon atmosphere at high temperatures while simultaneously applying pressure to the sample according to a uniaxial scheme, which allows very fast heating and an extremely short operating cycle. At the same time, grain growth does not occur and it opens up opportunities for creating materials with previously inaccessible compositions and nanoscale grains, which gives them unusual properties. An electric current passes directly through the sintered powder sample, which has electrical conductivity, discharges occur between the powder particles and a spark plasma arises, which contributes to their cleaning and heating, and with subsequent uniaxial compression, a workpiece of high density and strength is formed. The contacts are heated in a short period of time, so that the sintering of the sample as a whole occurs at temperatures (200 ÷ 400) ° C lower than the sintering temperatures of the same sample by conventional methods.

Известно, что при выполнении операции прессования высота засыпки исходного порошка в разы превосходит высоту спрессованного изделия. В случае искрового плазменного спекания высота засыпки примерно в два раза больше высоты образца, уплотненного после спекания. Именно это обстоятельство, ввиду небольшого объема рабочей камеры установки SPS, является ограничением для получения габаритных изделий большой высоты.It is known that when performing the pressing operation, the height of the initial powder filling is several times higher than the height of the pressed product. In the case of spark plasma sintering, the filling height is approximately twice the height of the sample compacted after sintering. It is this circumstance, in view of the small volume of the working chamber of the SPS installation, that is a limitation for obtaining large-sized items of great height.

Крупногабаритные изделия сложной формы обычно изготавливают из керамических компонентов простой формы, а затем соединяют эти компоненты для получения требуемого окончательного изделия. Любое соединение является не только критическим местом, в котором требуется соблюдение прочности равной основному материалу, но и, в экстремальных условиях применения высоких температур, близких значений коэффициентов термического расширения соединяемых компонентов. Таким образом, идеальное соединение должно иметь близкие значения всех прочностных и физико-механических свойств.Large, complex shaped articles are typically made from simple shaped ceramic components and then assembled together to form the desired final article. Any connection is not only a critical place, in which it is required to maintain the strength equal to the base material, but also, in extreme conditions of high temperatures, close values of the coefficients of thermal expansion of the components to be joined. Thus, an ideal joint should have close values of all strength and physical and mechanical properties.

Известен ряд способов соединения керамических деталей, например, таких, как пайка, диффузионная сварка, горячее прессование. Общим недостатком всех этих способов является то, что соединение по своим термомеханическим характеристикам уступает основной керамике.A number of methods of joining ceramic parts are known, for example, such as brazing, diffusion welding, hot pressing. A common disadvantage of all these methods is that the connection is inferior to the basic ceramics in terms of its thermomechanical characteristics.

Ввиду вышесказанного, существует потребность в способе соединения керамических деталей с помощью искрового плазменного спекания, который позволяет соединять керамические детали без применения материалов отличных по химическому составу от состава основной керамики. Сохранение химического состава по объему всего изделия обеспечивает ему высокие термомеханические характеристики, соответствующие требованиям новой техники.In view of the above, there is a need for a method of joining ceramic parts using spark plasma sintering, which allows joining ceramic parts without using materials that differ in chemical composition from the composition of the base ceramic. The retention of the chemical composition in the volume of the entire product provides it with high thermomechanical characteristics that meet the requirements of new technology.

На практике известно несколько способов выполнения таких соединений.In practice, several methods are known for making such connections.

Существует способ, основанный на использовании в качестве соединительных материалов реагирующих прекурсоров, которые при нагревании взаимодействуют между собой, образуя тонкодисперсный хорошо спекающийся материал, по химическому составу идентичный материалу соединяемой керамики. Таким образом авторы соединяли детали из карбида кремния в (RU 2604530, МПК С04В 37/00, 2016) и из ZrB2 в работах (CN 110041090, МПК С04В 37/00, 2019).There is a method based on the use of reactive precursors as connecting materials, which, when heated, interact with each other, forming a finely dispersed, well-sintered material, chemically identical to the material of the ceramics being joined. Thus, the authors connected parts made of silicon carbide in (RU 2604530, IPC С04В 37/00, 2016) and from ZrB 2 in works (CN 110041090, IPC С04В 37/00, 2019).

Недостатками такого технического решения являются: высокие требования к не плоскостности соединяемых сторон, сложность равномерного размещения порошка прекурсора в месте соединения, отсутствие контроля степени превращения прекурсора в конечный продукт, сложность достижения одинаковой плотности вновь образовавшегося разделительного слоя с таковой для предварительно обожженных деталей, что может привести к возникновению напряжений и дефектов в месте стыковки.The disadvantages of this technical solution are: high requirements for non-flatness of the joined sides, the complexity of uniform placement of the precursor powder at the junction, the lack of control over the degree of conversion of the precursor into the final product, the difficulty of achieving the same density of the newly formed separating layer with that for pre-fired parts, which can lead to to the occurrence of stresses and defects at the junction.

В способе (CN 101516804, МПК С04В 37/00, 2009) предлагается выполнять соединение предварительно обожженных деталей непосредственно между собой методом искрового плазменного спекания путем приложения высокого давления на стадии «размягчения» керамики с последующим повышением температуры для полного завершения процесса соединения в твердой фазе.In the method (CN 101516804, IPC S04B 37/00, 2009), it is proposed to connect the pre-fired parts directly to each other by the method of spark plasma sintering by applying high pressure at the stage of “softening” the ceramics, followed by an increase in temperature to complete the solid phase joining process.

Недостатками этого технического решения являются: высочайшие требования к не плоскостности сторон (менее 100 мкм), применение повышенного давления в условиях высоких температур, что усложняет технологическую оснастку для проведения искрового плазменного спекания, превышение конечной температуры соединения температуры спекания соединяемых деталей из порошков, что способствует росту кристаллов и ухудшению свойств ранее обожженных изделий.The disadvantages of this technical solution are: the highest requirements for the non-flatness of the sides (less than 100 microns), the use of increased pressure at high temperatures, which complicates the technological equipment for carrying out spark plasma sintering, the excess of the final temperature of the connection, the sintering temperature of the joined parts made of powders, which promotes the growth crystals and deterioration of the properties of previously fired products.

Примером реализации следующего способа соединения является (EN 200700052, МПК С04В 37/00, 2008), в котором предварительно обожженные детали соединяют при помощи композиционной пленки, состоящей из керамических частиц исходного порошка и органического связующего. В качестве керамического порошка используется материал основы. Конечный результат соединения достигается путем твердофазного спекания с приложением давления.An example of the implementation of the following joining method is (EN 200700052, IPC S04B 37/00, 2008), in which pre-fired parts are joined using a composite film consisting of ceramic particles of the original powder and an organic binder. The base material is used as the ceramic powder. The final bonding result is achieved by solid phase sintering with the application of pressure.

Недостатками технического решения являются: высокие требования к плоскостности сторон, особенно в случаях, когда толщина соединительной пленки составляет несколько микрон, сложность и длительность операции приготовления сырой пленки, применение дополнительного обжига с целью удаления органической составляющей керамической пленки.The disadvantages of the technical solution are: high requirements for the flatness of the sides, especially in cases where the thickness of the connecting film is several microns, the complexity and duration of the operation for preparing the green film, the use of additional firing in order to remove the organic component of the ceramic film.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является способ соединения деталей (патент EN №200700052, МПК С04В 37/00, 2008), в котором предварительно обожженные детали соединяют при помощи композиционной пленки, состоящей из керамических частиц исходного порошка удерживаемых вместе пластифицированным полимерным связующим.The closest to the proposed technical solution (prototype) is a method of joining parts (patent EN No. 200700052, IPC С04В 37/00, 2008), in which pre-fired parts are joined using a composite film consisting of ceramic particles of the original powder held together by a plasticized polymer binder ...

Недостатком прототипа является прежде всего наличие этой пленки и других органических компонентов, которые включают полимерные связующие, пластификаторы, диспергаторы, растворители и т.д., требующие своего удаления для получения прочного соединения керамических частиц. Кроме того, у прототипа существуют следующие ограничения:The disadvantage of the prototype is, first of all, the presence of this film and other organic components, which include polymer binders, plasticizers, dispersants, solvents, etc., requiring their removal to obtain a strong bond of ceramic particles. In addition, the prototype has the following limitations:

1) на величину давления (меньше 5 Мпа), чтобы не разрушить пленку с керамическими частицами в сыром виде;1) by the amount of pressure (less than 5 MPa), so as not to destroy the film with ceramic particles in their raw state;

2) на удельную поверхность керамических частиц, которая должна быть в диапазоне от 2 до 10 м2/г;2) on the specific surface of ceramic particles, which should be in the range from 2 to 10 m2 / g;

3) на средний размер керамических частиц от 0,1 до 1,0 мкм;3) for the average size of ceramic particles from 0.1 to 1.0 microns;

4) на максимальное отклонение от плоскостности соединяемых спеченных деталей, которое должно быть меньше 500 мкм;4) the maximum deviation from flatness of the sintered parts to be joined, which should be less than 500 microns;

5) на предпочтительную толщину сырого соединительного материала от 5 мкм до 1 мм;5) for the preferred thickness of the raw joint material from 5 μm to 1 mm;

6) на температуру соединения, которая должна быть меньше температуры спекания примерно на 100°С.6) for the temperature of the joint, which should be less than the sintering temperature by about 100 ° C.

Предлагаемый нами аддитивный способ получения габаритных изделий из токопроводящей керамики методом искрового плазменного спекания свободен от этих недостатков и ограничений.The proposed by us additive method for producing dimensional products from conductive ceramics by the method of spark plasma sintering is free from these disadvantages and limitations.

Разработка предлагаемого аддитивного способа направлена на решение технической проблемы: обеспечить способ образования соединения между первым спеченным изделием, из проводящего материала и порошковым слоем того же материала (без посторонних добавок), который, бы спекался при этом соединении, образуя химически и механически единое целое с первым спеченным изделием. Кроме того, желательно, чтобы после образования такого соединения не оставалось различимого межфазного слоя и полученный двухслойный материал проявлял сравнимую стабильность в термодинамических циклах.The development of the proposed additive method is aimed at solving a technical problem: to provide a method for the formation of a connection between the first sintered product, from a conductive material and a powder layer of the same material (without foreign additives), which would be sintered with this connection, forming a chemically and mechanically integral whole with the first sintered product. In addition, it is desirable that no discernible interfacial layer remains after the formation of such a bond and that the resulting bilayer material exhibits comparable stability in thermodynamic cycles.

Техническим результатом предлагаемого решения является:The technical result of the proposed solution is:

- наращивание первой предварительно обожженной электропроводящей детали, используемой как один из электродов, слоем из керамических частиц исходного порошка, зажатым вторым электродом из графита и совместно спеченных при пропускании импульсного электрического тока. При этом тепловая энергия выделяется в основном в порошковом слое и определяется как:- building up the first pre-fired electrically conductive part, used as one of the electrodes, with a layer of ceramic particles of the initial powder, clamped by the second graphite electrode and sintered together by passing a pulsed electric current. In this case, thermal energy is released mainly in the powder layer and is defined as:

Figure 00000001
Figure 00000001

где I(τ) - электрический ток, изменяющийся от времени, R(τ) - электрическое сопротивление компакта, изменяющееся от времени, М - масса компакта.where I (τ) is the electric current that varies with time, R (τ) is the electrical resistance of the compact, that changes with time, and M is the mass of the compact.

- получение габаритных изделий сложной геометрической формы из токопроводящей керамики при максимальном использовании объема (размеров) рабочей камеры установки SPS.- obtaining large-sized products of complex geometric shape from conductive ceramics with maximum use of the volume (dimensions) of the working chamber of the SPS installation.

В качестве токопроводящей керамики могут быть использованы карбиды, бориды SiC, TiC, ТаС, Zr2B, HfB2, а также металлы W, Мо, Та, Nb и их сплавы, в том числе высокоэнтропийные.Carbides, borides SiC, TiC, TaC, Zr 2 B, HfB 2 , as well as metals W, Mo, Ta, Nb and their alloys, including high-entropy ones, can be used as conductive ceramics.

В способе первую деталь получают из исходного порошка методом SPS, помещают ее в пресс-форму и наращивают ее высоту путем засыпки порошка близкого по массе порошку, который использовался для формования первой детали. Порошок располагают между торцом первой спеченной детали и графитовым электродом и проводят повторно операцию искрового плазменного спекания. Вновь полученную деталь, объединенную из двух частей, помещают в пресс-форму, насыпают порошок такой же массы и вновь проводят операцию искрового плазменного спекания и т.д.In the method, the first part is obtained from the initial powder by the SPS method, it is placed in a mold and its height is increased by filling the powder with a powder similar in mass, which was used to form the first part. The powder is placed between the end face of the first sintered part and the graphite electrode, and the spark plasma sintering operation is repeated. The newly obtained part, combined from two parts, is placed in a mold, a powder of the same mass is poured, and the operation of spark plasma sintering is carried out again, etc.

В способе активное соединение спеченной детали и исходного порошка происходит за счет того, что у порошка более высокое электросопротивление по сравнению с электросопротивлением уже спеченной детали. Поэтому происходит его нагревание на контактных границах частиц до более высоких температур, а консолидация активированной сплошной и порошковой частей происходит в результате одноосного сжатия.In the method, the active connection of the sintered part and the original powder occurs due to the fact that the powder has a higher electrical resistance compared to the electrical resistance of the already sintered part. Therefore, it is heated at the contact boundaries of the particles to higher temperatures, and the consolidation of the activated solid and powder parts occurs as a result of uniaxial compression.

Подлежащую в предлагаемом способе соединению поверхность обожженной детали активируют либо химическим методом, либо пескоструйной или электроэрозионной обработкой и очищают спиртом.The surface of the fired part to be joined in the proposed method is activated either by a chemical method, or by sandblasting or electroerosive processing and cleaned with alcohol.

Такой аддитивный способ позволяет изготавливать габаритные изделия сложной геометрической формы с максимально возможным использованием объема рабочей камеры установки SPS с достижением высоких прочностных и физико-химических свойств, присущих основному материалу соединяемых деталей.Such an additive method makes it possible to manufacture large-sized products of complex geometric shapes with the maximum possible use of the volume of the working chamber of the SPS installation with the achievement of high strength and physicochemical properties inherent in the base material of the parts to be joined.

Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.The essence of the technical solution is illustrated by the following description and the attached figures.

На Фиг. 1 показана спеченная методом SPS деталь 1 из порошка на основе диборида циркония (после электроэрозионной обработки).FIG. 1 shows a SPS sintered zirconium diboride powder part 1 (eroded).

На Фиг. 2 показан припеченный аддитивным методом SPS порошок на основе диборида циркония к детали 1 (после электроэрозионной обработки).FIG. 2 shows zirconium diboride-based powder baked by the additive SPS method to part 1 (after EDM).

На Фиг. 3 показан припеченный аддитивным методом SPS порошок на основе диборида циркония к детали 2 (без электроэрозионной обработки).FIG. 3 shows zirconium diboride-based powder baked by the additive SPS method to part 2 (without EDM).

На Фиг. 4 показана микроструктура спеченного методом SPS порошка на основе диборида циркония.FIG. 4 shows the microstructure of an SPS sintered zirconium diboride powder.

На Фиг. 5. показана спеченная методом SPS деталь с полусферической поверхностью из порошка диборида циркония.FIG. 5 shows an SPS sintered part with a hemispherical surface of zirconium diboride powder.

На Фиг. 6 показано изделие из порошка на основе диборида циркония, полученное из двух деталей (сплошной и пористой) аддитивным способом SPS (без электроэрозионной обработки).FIG. 6 shows an article made of zirconium diboride powder, obtained from two parts (solid and porous) by the additive SPS method (no electrical discharge machining).

Достижение технического результата, обеспечиваемого аддитивным способом получения изделий электропроводящей керамики методом искрового плазменного спекания, включающим предварительный обжиг соединяемых деталей, размещения между соединяемыми деталями порошка материала основы, базируется на том, что при получении изделия только первую соединяемую деталь подвергают предварительному спеканию, а вторую и последующие детали получают путем засыпки порошка исходной керамики в форму, в которой одним из электродов служит уже предварительно спеченная деталь, с последующим проведением совместного электроискрового плазменного спекания. Время спекания выбирается таким образом, чтобы успел произойти нагрев всего пористого слоя.Achievement of the technical result, provided by an additive method for producing electrically conductive ceramic products by the method of spark plasma sintering, including preliminary firing of the parts to be joined, placing the powder of the base material between the parts to be connected, is based on the fact that upon receipt of the product, only the first part to be connected is subjected to preliminary sintering, and the second and subsequent parts are obtained by pouring the original ceramic powder into a mold, in which one of the electrodes is already a previously sintered part, followed by joint electrospark plasma sintering. The sintering time is chosen in such a way that the entire porous layer can be heated.

Для многократного использования графитовой формы необходимо, чтобы величины коэффициентов теплового расширения проводящего спекаемого материала и графита были близки друг другу.For multiple use of the graphite mold, it is necessary that the values of the thermal expansion coefficients of the conductive sintered material and the graphite are close to each other.

Хотя на электрических контактах при прохождении мощных импульсов тока наблюдаются искры, поверхность соприкосновения обожженной детали с порошком дополнительно активируют электроэрозионным способом или путем пескоструйной обработки и очищают спиртом.Although sparks are observed on the electrical contacts during the passage of powerful current pulses, the contact surface of the fired part with the powder is additionally activated by electro-erosion or by sandblasting and cleaned with alcohol.

Проводящие детали с выпуклой криволинейной поверхностью должны сопрягаться с вогнутой криволинейной поверхностью графитового электрода, чтобы толщина слоя спекаемого порошка между ними сохранялась одинаковой. Наоборот, если у детали вогнутая поверхность, то у сопрягаемой поверхности электрода должна быть выпуклая криволинейная поверхность, чтобы толщина подлежащего спеканию слоя порошка между ними сохранялась одинаковой.Conductive parts with a convex curved surface must mate with the concave curved surface of the graphite electrode so that the thickness of the sintered powder layer between them remains the same. On the contrary, if the part has a concave surface, then the mating electrode surface must have a convex curved surface so that the thickness of the powder layer to be sintered between them remains the same.

Первую соединяемую деталь подвергают предварительному обжигу до плотности на (2÷6)% меньше конечной плотности готового изделия в зависимости от требуемого для него количества соединяемых деталей и числа соответствующих спеканий.The first part to be joined is pre-fired to a density (2 ÷ 6)% less than the final density of the finished product, depending on the required number of parts to be joined and the number of corresponding sintering.

Возможность воспроизведения настоящего изобретения и реализации способа с достижением указанного технического результата поясняют нижеследующие примеры конкретного выполнения изделий из токопроводящей керамики методом искрового плазменного спекания.The possibility of reproducing the present invention and implementing the method with the achievement of the specified technical result is illustrated by the following examples of specific execution of articles made of conductive ceramics by the method of spark plasma sintering.

Пример 1 - соединение двух деталейExample 1 - joining two pieces

Деталь 1Detail 1

Навеску композиционного порошка на основе ZrB2 в количестве 360 г помещают в графитовую форму диаметром 60 мм установки искрового плазменного спекания Labox 1575, откачивают воздух до 6Па, производят предварительное уплотнение до давления 5 МПа, выполняют нагрев со скоростью 20°С/мин до температуры 1600°С на поверхности графитовой пресс-формы при одновременном повышении давления до 30 МПа, производят выдержку таких условий в течение 7 мин, после чего установку плавно охлаждают с такой же скоростью 20°С/мин до комнатной температуры. Обожженная 1-я деталь (Фиг. 1) имеет размеры 30×60 мм и относительную плотность больше 90% и электрическую проводимость близкую по величине к электрической проводимости графита, используемого для изготовления формы и электродов.A weighed portion of a composite powder based on ZrB2 in an amount of 360 g is placed in a graphite mold with a diameter of 60 mm of a Labox 1575 spark plasma sintering unit, air is pumped out to 6 Pa, preliminary compaction is performed to a pressure of 5 MPa, heating is performed at a rate of 20 ° C / min to a temperature of 1600 ° C on the surface of the graphite mold while increasing the pressure to 30 MPa, maintain such conditions for 7 minutes, after which the installation is smoothly cooled at the same rate of 20 ° C / min to room temperature. The fired 1st part (Fig. 1) has dimensions of 30 × 60 mm and a relative density of more than 90% and an electrical conductivity close to the electrical conductivity of graphite used for making molds and electrodes.

Деталь 2 (Готовое изделие)Detail 2 (Finished product)

В графитовую форму с внутренним диаметром 60 мм помещают обожженную деталь 1, предварительно обработанную в месте будущего соединения электроэрозионным методом и очищенную этиловым спиртом, сверху засыпают 360 г композиционного порошка на основе ZrB2, помещают в установку Labox 1575, откачивают воздух до 6Па, производят предварительное уплотнение до давления 5МПа и выполняют нагрев со скоростью 20°С/мин до температуры 1600°С при одновременном повышении давления до 30 МПа, производят выдержку в течение 9 мин, после чего установку охлаждают с той же скоростью 20°С/мин до комнатной температуры. Готовое изделие, состоящее из двух деталей (Фиг. 2), имеет размеры 60×60 мм и относительную плотность более 90%.In a graphite mold with an inner diameter of 60 mm, a fired part 1 is placed, pretreated at the place of the future connection by the electroerosive method and purified with ethyl alcohol, 360 g of a composite powder based on ZrB2 are poured on top, placed in the Labox 1575 installation, air is evacuated to 6 Pa, preliminary compaction is performed to a pressure of 5 MPa and heating at a rate of 20 ° C / min to a temperature of 1600 ° C while increasing the pressure to 30 MPa, hold it for 9 minutes, after which the installation is cooled at the same rate of 20 ° C / min to room temperature. The finished product, consisting of two parts (Fig. 2), has dimensions of 60 × 60 mm and a relative density of more than 90%.

Пример 2 - соединение трех деталейExample 2 - joining three pieces

Деталь 1Detail 1

Навеску композиционного порошка на основе ZrB2 в количестве 360 г помещают в графитовую форму диаметром 60 мм установки искрового плазменного спекания Labox 1575, откачивают воздух до 6Па, производят предварительное уплотнение до давления 5 МПа и выполняют нагрев со скоростью 20°С/мин до температуры 1600°С при одновременном повышении давления до 30 МПа, производят выдержку в течение 5 мин, после чего установку плавно охлаждают до температуры 50°С. Обожженная 1-я деталь (Фиг. 1) имеет размеры 30×60 мм и относительную плотность более 90%.A weighed portion of a composite powder based on ZrB2 in an amount of 360 g is placed in a graphite mold with a diameter of 60 mm of a Labox 1575 spark plasma sintering unit, air is pumped out to 6 Pa, preliminary compaction is performed to a pressure of 5 MPa, and heating is performed at a rate of 20 ° C / min to a temperature of 1600 ° With a simultaneous increase in pressure to 30 MPa, hold for 5 minutes, after which the installation is smoothly cooled to a temperature of 50 ° C. The fired 1st part (Fig. 1) has dimensions of 30 × 60 mm and a relative density of more than 90%.

Деталь 2Detail 2

В графитовую форму помещают обожженную деталь 1, предварительно обработанную по форме электрода и в месте будущего соединения активированную электроэрозионным методом и очищенную спиртом, затем сверху засыпают 360 г композиционного порошка на основе ZrB2 и производят предварительное уплотнение под давлением 5МПа, откачивают воздух до 6Па и выполняют нагрев со скоростью 200°С/мин до температуры 1600°С при одновременном повышении давления до 30 МПа, производят выдержку в течение 7 мин, после чего установку плавно охлаждают до температуры 50°С. Обожженная деталь 2 (Фиг. 2), состоящая из двух деталей, имеет размеры 60×60 мм и относительную плотность 98%.A fired part 1 is placed in a graphite mold, pretreated in the shape of an electrode and activated by the electroerosive method and purified with alcohol at the place of the future connection, then 360 g of composite powder based on ZrB2 is poured on top and preliminary compaction is performed under a pressure of 5 MPa, air is pumped out to 6 Pa and heating is performed at a rate of 200 ° C / min to a temperature of 1600 ° C with a simultaneous increase in pressure to 30 MPa, hold for 7 minutes, after which the installation is smoothly cooled to a temperature of 50 ° C. The fired part 2 (Fig. 2), consisting of two parts, has dimensions of 60 × 60 mm and a relative density of 98%.

Полученную деталь 2 обрабатывают со всех сторон электроэрозионным методом для плотного контакта с окружающим графитом и активации поверхности, к которой засыпают навеску композиционного порошка на основе ZrB2 в количестве 360 г. Затем производят предварительное уплотнение порошка электродом под давлением 5 МПа, откачивают воздух до 6 Па, выполняют нагрев со скоростью 20°С/мин до температуры 1600°С при одновременном повышении давления до 30 МПа, производят выдержку в течение 9 мин, после чего установку плавно охлаждают с такой же скоростью 20°С/мин до комнатной температуры. Готовое изделие, состоящее из трех деталей (Фиг. 3), имеет размер 90×60 мм и относительную плотность более 90%. Готовое изделие в местах соединения имеет однородную микроструктуру (Фиг. 4), не отличающуюся от микроструктуры основы. При испытаниях прочности на трехточечный изгиб разрушение происходило по основному материалу, а не по месту соединения и получены значения прочности (170÷200) МПа.The resulting part 2 is processed from all sides by the electroerosive method for close contact with the surrounding graphite and activation of the surface, to which a weighed portion of a composite powder based on ZrB 2 is poured in an amount of 360 g. , heating is performed at a rate of 20 ° C / min to a temperature of 1600 ° C with a simultaneous increase in pressure to 30 MPa, holding is carried out for 9 minutes, after which the installation is smoothly cooled at the same rate of 20 ° C / min to room temperature. The finished product, consisting of three parts (Fig. 3), has a size of 90 × 60 mm and a relative density of more than 90%. The finished product at the joints has a homogeneous microstructure (Fig. 4), which does not differ from the microstructure of the base. When testing the strength for three-point bending, fracture occurred along the base material, and not at the joint, and the strength values (170 ÷ 200) MPa were obtained.

Таким образом, предлагаемый аддитивный способ последовательного наращивания высоты заготовки исходным порошком и спеканием полученных слоев методом SPS, позволяет получать высококачественную токопроводящую керамику при максимальном использовании высоты рабочей камеры установки искрового плазменного спекания.Thus, the proposed additive method of sequentially increasing the height of the workpiece with the initial powder and sintering the obtained layers by the SPS method makes it possible to obtain high-quality conductive ceramics with the maximum use of the height of the working chamber of the spark plasma sintering installation.

Пример 3 - соединение деталей с криволинейной формойExample 3 - joining parts with a curved shape

Поверхность соприкосновения обожженной детали с порошком может иметь криволинейную форму, например, в виде полусферы (Фиг. 5).The contact surface of the fired part with the powder can have a curved shape, for example, in the form of a hemisphere (Fig. 5).

Дальнейший аддитивный способ спекания методом SPS такой детали можно осуществлять как с плоской, так и с криволинейной поверхностей после их активации и очистки. Добавление порошкового слоя к плоской поверхности детали происходит аналогично примеру 1. Для добавления порошкового слоя к выпуклой криволинейной поверхности порошок располагали между ней и графитовым электродом, поверхность которого, обращенная к порошку имела вогнутую криволинейную поверхность. Таким образом, толщина спекаемого слоя порошка сохранялась одинаковой между криволинейными поверхностями детали и электрода. В результате такого аддитивного способа SPS получено изделие, показанное на Фиг. 6.Further additive sintering by the SPS method of such a part can be carried out both from flat and curved surfaces after their activation and cleaning. The addition of the powder layer to the flat surface of the part is similar to example 1. To add the powder layer to the convex curved surface, the powder was placed between it and a graphite electrode, the surface of which, facing the powder, had a concave curved surface. Thus, the thickness of the sintered layer of powder was kept the same between the curved surfaces of the part and the electrode. As a result of this additive SPS method, the article shown in FIG. 6.

Предлагаемый аддитивный способ можно осуществлять на любом известном SPS оборудовании, что, наряду с достигнутым положительным техническим и экономическим результатом, позволяет сделать вывод о целесообразности его широкого внедрения.The proposed additive method can be carried out on any known SPS equipment, which, along with the achieved positive technical and economic result, allows us to conclude that its widespread implementation is advisable.

Claims (5)

1. Аддитивный способ получения изделий электропроводящей керамики методом искрового плазменного спекания, включающий получение первой детали из керамического порошка методом искрового плазменного спекания, помещение полученной первой детали в пресс-форму и наращивание ее высоты путем засыпки порошка, используемого для формирования первой детали, и проведения повторной операции искрового плазменного спекания, при этом порошок располагают между торцом сформированной первой детали, которая используется как один из электродов, и вторым электродом из графита, получение объединенной детали, являющейся готовым изделием, или получение объединенной детали, ее повторное помещение в пресс-форму и повторение указанного выше процесса наращивания требуемое количество раз.1. An additive method for producing electrically conductive ceramic products by spark plasma sintering, including obtaining the first part from a ceramic powder by spark plasma sintering, placing the resulting first part in a mold and increasing its height by filling in the powder used to form the first part, and conducting a second spark plasma sintering operations, wherein the powder is placed between the end face of the formed first part, which is used as one of the electrodes, and the second electrode made of graphite, obtaining a combined part that is a finished product, or obtaining a combined part, re-placing it in the mold and repeating the above process of building up the required number of times. 2. Аддитивный способ по п. 1, отличающийся тем, что до начала операции соединения поверхность соприкосновения обожженной детали с порошком активируют электроэрозионным способом и очищают спиртом.2. An additive method according to claim 1, characterized in that before the start of the joining operation, the contact surface of the fired part with the powder is activated by the electroerosive method and cleaned with alcohol. 3. Аддитивный способ по п. 1, отличающийся тем, что до начала операции соединения поверхность соприкосновения обожженной детали с порошком активируют за счет пескоструйной обработки и очищают спиртом.3. The additive method according to claim 1, characterized in that before the start of the joining operation, the contact surface of the fired part with the powder is activated by sandblasting and cleaned with alcohol. 4. Аддитивный способ по п. 1, отличающийся тем, что для детали с выпуклой криволинейной поверхностью сопрягаемая поверхность электрода должна иметь вогнутую криволинейную поверхность, чтобы толщина слоя порошка между ними сохранялась одинаковой, и наоборот, если у детали вогнутая поверхность, то у сопрягаемой поверхности электрода должна быть выпуклая криволинейная поверхность, чтобы толщина слоя порошка между ними сохранялась одинаковой.4. The additive method according to claim 1, characterized in that for a part with a convex curved surface, the mating electrode surface must have a concave curved surface so that the thickness of the powder layer between them remains the same, and vice versa, if the part has a concave surface, then the mating surface the electrode must have a convex curved surface so that the thickness of the powder layer between them remains the same. 5. Аддитивный способ по п. 1, отличающийся тем, что первую соединяемую деталь подвергают предварительному обжигу до плотности на (2÷6) % меньше конечной плотности готового изделия в зависимости от количества соединяемых деталей.5. The additive method according to claim 1, characterized in that the first part to be joined is subjected to preliminary firing to a density (2 ÷ 6)% less than the final density of the finished product, depending on the number of parts to be joined.
RU2021106469A 2021-03-11 2021-03-11 Additive method for obtaining dimension products from conductive ceramics by spark plasma sintering RU2761813C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021106469A RU2761813C1 (en) 2021-03-11 2021-03-11 Additive method for obtaining dimension products from conductive ceramics by spark plasma sintering

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021106469A RU2761813C1 (en) 2021-03-11 2021-03-11 Additive method for obtaining dimension products from conductive ceramics by spark plasma sintering

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2761813C1 true RU2761813C1 (en) 2021-12-13

Family

ID=79175099

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021106469A RU2761813C1 (en) 2021-03-11 2021-03-11 Additive method for obtaining dimension products from conductive ceramics by spark plasma sintering

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2761813C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115057715A (en) * 2022-06-17 2022-09-16 中广核研究院有限公司 Silicon carbide cladding connecting material, silicon carbide ceramic connecting piece and manufacturing method and application thereof
CN115519123A (en) * 2022-09-23 2022-12-27 宁波江丰电子材料股份有限公司 Tungsten skeleton and preparation method and application thereof

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9102015B2 (en) * 2013-03-14 2015-08-11 Siemens Energy, Inc Method and apparatus for fabrication and repair of thermal barriers
RU2582867C1 (en) * 2014-12-23 2016-04-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") Method of producing copper-titanium current-conducting element
RU2598018C2 (en) * 2011-03-07 2016-09-20 Снекма Process for local repair of damaged thermomechanical part and part thus produced, in particular turbine part
DE102016004548A1 (en) * 2016-04-13 2017-10-19 Forschungszentrum Jülich GmbH Process for the production of metallic or ceramic components and components
US20190024738A1 (en) * 2015-11-21 2019-01-24 Ats Mer, Llc Systems and methods for forming a layer onto a surface of a solid substrate and products formed thereby
RU2728166C2 (en) * 2015-12-14 2020-07-28 Сафран Эркрафт Энджинз Abradable coating with variable density

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2598018C2 (en) * 2011-03-07 2016-09-20 Снекма Process for local repair of damaged thermomechanical part and part thus produced, in particular turbine part
US9102015B2 (en) * 2013-03-14 2015-08-11 Siemens Energy, Inc Method and apparatus for fabrication and repair of thermal barriers
RU2582867C1 (en) * 2014-12-23 2016-04-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") Method of producing copper-titanium current-conducting element
US20190024738A1 (en) * 2015-11-21 2019-01-24 Ats Mer, Llc Systems and methods for forming a layer onto a surface of a solid substrate and products formed thereby
RU2728166C2 (en) * 2015-12-14 2020-07-28 Сафран Эркрафт Энджинз Abradable coating with variable density
DE102016004548A1 (en) * 2016-04-13 2017-10-19 Forschungszentrum Jülich GmbH Process for the production of metallic or ceramic components and components

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115057715A (en) * 2022-06-17 2022-09-16 中广核研究院有限公司 Silicon carbide cladding connecting material, silicon carbide ceramic connecting piece and manufacturing method and application thereof
CN115519123A (en) * 2022-09-23 2022-12-27 宁波江丰电子材料股份有限公司 Tungsten skeleton and preparation method and application thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2761813C1 (en) Additive method for obtaining dimension products from conductive ceramics by spark plasma sintering
JP6085256B2 (en) Process of local repair of damaged thermomechanical parts and parts repaired according to the process, in particular turbine parts
US6371746B1 (en) Method of electronic sintering method and mold for use in the method
US8956478B2 (en) Process for joining refractory ceramic parts by spark plasma sintering (SPS)
US6270718B1 (en) Method of bonding a particle material to near theoretical density
KR20200032062A (en) Manufacturing method of boroncarbide sintered body and shaping die
JP2014513207A5 (en)
CN111285677A (en) Preparation method of high-density laminated composite part
JP2020027945A (en) Ring-shaped element for etcher and method for etching substrate using the same
JP2020525392A (en) Method for producing pellets of sintered material such as boron carbide pellets
JP6540863B2 (en) Thermal spray formed body
JP6654210B2 (en) How to make a mold for sintering
US6187087B1 (en) Method of bonding a particle material to near theoretical density
JPH0784352B2 (en) Method of manufacturing functionally graded material
JP4596855B2 (en) Metal-ceramic composite structure and electrode member for plasma generation comprising the same
JPH06102803B2 (en) Method of manufacturing functionally graded material
JP2022038259A (en) Manufacturing method of oxide sintered product
JP2019019026A (en) Sintering mold, and method for manufacturing the same
CN114193856A (en) Tungsten/copper laminated composite material, preparation method and application thereof
EP4301531A1 (en) Method for manufacturing a near net shape (nns) component of complex shape using pressure-assisted sintering
JP7216611B2 (en) Manufacturing method of SiC sintered member
JP2004169064A (en) Copper-tungsten alloy, and method of producing the same
CN102173809A (en) Preparation method of gradient zirconium boride ultrahigh-temperature ceramic
JP7280059B2 (en) Method for manufacturing electrode-embedded member
JP2016132612A (en) Die for sintering, and manufacturing method thereof