放電等離子燒結的研究進展

閆秋實

摘 要：放電等離子燒結可使粉末顆粒在低于熔點的溫度下快速致密化，是一種新型的快速成型技術。放電等離子燒結對材料制備的環境要求不高，多用于制備難熔合金或復合材料。該文對近年來放電等離子燒結在實驗和模擬方面的研究成果進行了系統梳理和總結，并對存在的不足進行了深入分析，對發展方向作了科學研判。

關鍵詞：放電等離子燒結 快速成型技術 研究進展

中圖分類號：TF124 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（a）-0036-02

隨著科學研究和工業技術的不斷發展進步，航空航天、汽車制造、精密器械等領域對材料性能及加工工藝的要求越來越高。放電等離子燒結具有快速、低溫、高度致密化的優點，是一種無切屑、少廢料近凈成形材料成型工藝，廣泛應用于強度高、密度大、質量輕合金材料、陶瓷復合材料等特種材料的制備，是當前關注度最高、研究最熱的特種成型工藝之一。國內外高校企業和專家學者通過實驗測試和數值模擬等多種方法手段進行了大量研究，推動了此種成型工藝日趨成熟，廣泛應用。

1 放電等離子燒結機理

放電等離子燒結是一種新興的壓力輔助燒結技術，融合了單軸熱壓燒結和等離子活化兩種技術，具體工藝過程為：在真空環境下，將成型材料粉末（金屬、非金屬或復合材料均可）密封于導電模具（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的成型粉末上，燒結過程同時，對工件施加單軸壓力，從而使成型粉末迅速燒結成高性能的材料或零件。放電等離子燒結還可以通過調節燒結溫度、軸向壓力，調整模具配置，控制燒結材料的晶粒大小和微觀結構，是一項非常有發展前景的高新技術。

放電等離子燒結過程包括：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度脈沖電壓擊穿粉末的氧化膜，產生輕微放電；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]。放電等離子燒結在利用焦耳熱燒結成型的基礎上，通過輔助電流激活粉末的活化作用，使粉末顆粒持續保持熱塑狀態，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較高的復合材料方面具有明顯優勢。

2 放電等離子燒結的究現狀

早在20世紀30年代，美國科學家便開始探索利用脈沖電流進行材料燒結，但直到1965年，這項技術才真正應用于實際。放電等離子燒結以其獨特的加工優勢，吸引了國內外科研人員對其進行了大量研究，其中美、日、韓等國在燒結工藝和燒結材料上做了大量系統研究，技術水平一直處于前列；我國對放電等離子燒結技術的研究起步較晚，但發展迅速，國內高校和科研院所等在放電等離子燒結理論和應用工藝等方面做了深入研究。

2.1 實驗研究方面

放電等離子燒結實驗研究大多圍繞材料制備和不同參數對燒結工藝影響兩個方面。

對硬質合金的放電等離子燒結研究發現，放電等離子燒結不但可在外界環境要求不高的條件下制備難容合金材料，還能極大提高燒結合金材料的力學性能；采用放電等離子燒結進行鈦鎳記憶合金加工制備時，可在較短時間內實現鈦鎳合金致密化[1]，有效解決了熔煉生產無法得到組分均勻和形狀復雜的合金這一難題。

放電等離子燒結工藝還常用于制備陶瓷復合材料、電磁材料等功能性材料。研究發現，放電等離子燒結過程中，通過電流激發作用能夠有效降低超高溫陶瓷材料的燒結溫度，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性能和力學性能；實驗表明，應用放電等離子燒結制備磁體，通過脈沖電流的激發作用能夠促進磁體的相變，提高磁體的致密性，減少雜質的產生，改善電磁材料性能[2]；應用放電等離子燒結技術對純碳化硅粉末進行燒結，可成功制備相對密度為98%，晶粒尺寸小于100 nm的多晶碳化硅塊體。

國內外專家學者還對放電等離子燒結的重要參數如燒結溫度、壓力、電流強度對成型粉末熔合過程的影響進行了深入研究。研究發現，最佳的燒結溫度不應超過粉末顆粒完全熔化的溫度。以鋁粉放電等離子燒結為例，隨著燒結溫度的提高，燒結工件的密度、硬度也會隨之增強，但過高的溫度會使粉末顆粒表面會產生強烈的塑性變形、機械旋轉和原子擴散現象，反而使材料性能變差。此外，燒結溫度的控制還與粉末顆粒尺寸密切相關。

在燒結升溫過程中，燒結頸的增長狀況直接影響試件的致密化程度，對于可導電的納米顆粒，燒結過程的高溫會使顆粒局部蒸發、表面氧化膜去除，從而使電流傳導更加暢通，確保燒結頸尺寸均勻增長。此外，燒結頸還與材料收縮率變化、顆粒晶向、顆粒結構相關。

2.2 模擬研究方面

由于放電等離子燒結工藝中的粉末尺度非常小，受放電等離子燒結粉末成型環境的限制，一般方法很難對燒結過程、成型機理、影響因素進行準確的分析，獲取燒結過程中的實時參數和檢測也十分困難，因此模擬研究成為放電等離子成型技術不可或缺的研究手段之一。

應用ABAQUS或MATLAB等有限元模擬軟件對放電等離子燒結過程進行模擬，可獲得粉末、模具、沖頭間的溫度場分度、熱場分布和電場分布，研究發現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系，導熱率低的粉末會形成較大的溫度梯度等等。科研人員還通過有限元計算模擬出放電等離子燒結系統的電流密度和溫度分布變化，從而提出一種準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過程粉末成型的宏觀變化，但從原子尺度解釋燒結機制還有一定局限性。因此有學者應用分子動力學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，實現燒結過程的可視化，準確捕獲試驗研究無法測量的物理量，具有重要的指導意義。

分子動力學模擬為納米顆粒的研究提供了一個良好的平臺，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，可通過觀察兩顆粒間燒結頸與收縮率的變化來分析燒結過程。研究發現，由于顆粒間晶向異性，在燒結初期晶向會發生變化，形成不同類型的燒結頸[3]，而顆粒間的表面擴散、粘性流動、塑性變形和表面張力也會對燒結過程產生影響。

3 結語

科研人員圍繞著放電等離子燒結進行了大量的實驗、模擬研究。通過實驗研究能夠制備出新型特種材料，但無法詳細解釋材料性能變化的機理；模擬研究雖能夠從微觀角度揭示燒結模具內各種場的分布，解釋簡單的燒結機制，但無法與實驗進一步融合。隨著研究的細化與深入，放電等離子燒結的燒結機制將逐漸被人們揭開神秘的面紗。對于加工難以熔合在一起的合金或高熔點材料，放電等離子燒結表現出明顯優勢，在金屬混合物、多孔材料的制備和不同材料組成的層狀復合材料的生產等領域也將有突破性進展。

參考文獻

[1] 王海兵，劉詠，羊建高，等.電火花燒結的發展趨勢[J].粉末冶金材料科學與工程，2005，10（3）：138-143.

[2] 張小明.TiNi形狀記憶合金的電火花燒結[J].鈦工業進展2000（3）：8.

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