400-875-1717轉865
技術文章
放電等離子燒結 是一種先進的粉末快速固結技術。它通過將脈沖直流電直接通過石墨模具和粉末顆粒，實現內部加熱和燒結。與傳統熱壓（HP）或熱等靜壓（HIP）相比，SPS具有以下獨特之處：
快速升溫和冷卻：加熱速率可達幾百攝氏度每分鐘，能極大縮短工藝周期。
放電效應：在粉末顆粒之間產生的瞬時脈沖放電，可以活化顆粒表面，清除氧化物污染，促進物質遷移和擴散。
壓力輔助：在整個燒結過程中施加軸向壓力，有助于粉末致密化。
這些特點使得SPS非常適合制備細晶、高性能的金屬材料，包括對氧化敏感且難以燒結的鎂合金。
粉末選擇：使用氣霧化法制備的AZ91D預合金粉末。氣霧化粉末通常為球形，流動性好，氧含量相對較低，且成分均勻。
成分：Mg-9Al-1Zn（主要合金元素），以及微量的Mn、Si、Cu、Fe、Ni等。
粉末預處理：
篩分：選擇合適粒徑范圍的粉末（例如 20-100 µm），以確保均勻的填充和燒結。
干燥：在真空或惰性氣氛（如氬氣）中低溫干燥，去除吸附的水分，這對防止鎂粉氧化和氫化至關重要。
模具系統：通常使用高強石墨模具和沖頭。在粉末與模具內壁之間放置石墨紙，以防止粘連并便于脫模。
裝粉：將稱量好的AZ91D粉末裝入石墨模具中，輕微振動以保證粉末均勻填充。
系統組裝：將組裝好的模具放入SPS爐腔內。
這是整個工藝的核心，通常在真空或惰性氣氛保護下進行。
抽真空與預加壓：先將爐腔抽至中高真空（例如 10 Pa 以下），然后施加一個較小的初始壓力（如 5-10 MPa），使粉末初步固定。
燒結循環：
加熱階段：以ji高的加熱速率（如 100 °C/min 或更高）升至燒結溫度。
燒結溫度：對于AZ91D，燒結溫度通常在其固相線溫度（約468°C）以下進行，一般在 400°C - 450°C 之間。溫度過高會導致低熔點共晶相（β-Mg??Al??）熔化，發生“過燒"，損害性能。
燒結壓力：壓力范圍通常在 30 - 50 MPa。壓力有助于塑性變形、破碎顆粒表面的氧化膜，并促進致密化。
保溫時間：由于SPS的快速燒結特性，保溫時間通常很短，幾分鐘到十幾分鐘。長時間保溫會導致晶粒粗化。
冷卻與卸壓：保溫結束后，停止加熱，在壓力下或卸壓后隨爐冷卻至室溫。
脫模：從SPS設備中取出模具，利用脫模機將燒結好的樣品頂出。
機加工：使用車床或線切割去除樣品表面附著的石墨紙和可能存在的污染層。
熱處理（可選）：根據性能要求，可對SPS制備的AZ91D進行T4（固溶處理）或T6（固溶+時效處理）以調控β-Mg??Al??相的形態和分布，從而優化力學性能。
細化晶粒：快速的燒結過程有效抑制了晶粒長大，能夠獲得細小均勻的顯微組織，這是實現高強度和高塑性的關鍵。
高致密度：放電、壓力和快速燒結的協同作用，使得樣品可以達到接近理論密度（>99%），減少孔隙等缺陷。
抑制氧化：快速的燒結周期和真空/惰性氣氛環境，最大限度地減少了鎂合金粉末的氧化。
保留非平衡相：快速冷卻可能保留高溫下的過飽和固溶體或其他非平衡相，為后續熱處理提供獨特的初始狀態。
氧化問題：鎂粉極其活潑，任何工藝環節的暴露都可能引入氧化物，成為裂紋源，惡化性能。必須嚴格控制氣氛。
燒結窗口窄：燒結溫度必須低于AZ91D的固相線，但又需要足夠高以實現致密化。溫度控制精度要求高。
石墨污染：石墨模具可能在高溫下與鎂發生輕微反應或在樣品表面留下碳污染，需要后續機加工去除。
參數優化：燒結溫度、壓力、保溫時間三者之間存在復雜的交互作用，需要通過系統實驗進行優化，以平衡密度、晶粒尺寸和相組成。
微觀結構：SPS制備的AZ91D通常由細小的α-Mg晶粒和彌散分布在晶界處的β-Mg??Al??相組成。由于快速凝固，β相的尺寸和分布比傳統鑄造材料更細小、更均勻。
力學性能：
強度：由于細晶強化和彌散強化，其屈服強度和抗拉強度通常顯著高于傳統鑄造（如壓鑄）的AZ91D。
塑性：細小的晶粒和均勻的組織也有助于改善合金的延展性。
耐腐蝕性：致密的組織和減少的孔隙、夾雜物有利于提高耐腐蝕性能。但晶界處連續分布的β相可能會形成電偶腐蝕，需要通過熱處理來優化相的分布。
放電等離子燒結（SPS）為制備高性能的AZ91D鎂合金提供了一條ji具潛力的技術路徑。它能夠克服傳統鑄造方法帶來的晶粒粗大、偏析和孔隙等缺陷，獲得細晶、致密、高性能的近凈成形制品。盡管在工藝控制和成本方面存在挑戰，但在航空航天、生物醫學和3C產品等領域對輕量化、高強度鎂合金需求日益增長的背景下，SPS技術具有廣闊的應用前景。未來的研究重點將集中在進一步優化工藝參數、開發新型復合/梯度材料以及深入理解燒結過程中的物理冶金行為上。
掃碼加微信