放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering,簡稱SPS)工藝是將金屬等粉末裝入石墨等材質(zhì)制成的模具內(nèi),利用上、下模沖及通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加于燒結(jié)粉末,經(jīng)放電活化、熱塑變形和冷卻完成制取高性能材料的一種新的粉末冶金燒結(jié)技術(shù)。放電等離子燒結(jié)具有在加壓過程中燒結(jié)的特點,脈沖電流產(chǎn)生的等離子體及燒結(jié)過程中的加壓有利于降低粉末的燒結(jié)溫度。同時低電壓、高電流的特征,能使粉末快速燒結(jié)致密。
優(yōu)點:升溫速度快、燒結(jié)時間短、燒結(jié)溫度低、晶粒均勻、有利于控制燒結(jié)體的細微結(jié)構(gòu)、獲得材料的致密度高,并且有著操作簡單、再現(xiàn)性高、安全可靠、節(jié)省空間、節(jié)省能源及成本低等
SPS
| 型號 | SPS-30T-200 | |||
原理 | SPS技術(shù)是通過將特殊電源控制裝置發(fā)生的ON-OFF直流脈沖電壓加到粉體試料上,除了能利用通常放電加工所引起的燒結(jié)促進作用(放電沖擊壓力和焦耳加熱)外,還有效利用脈沖放電初期粉體間產(chǎn)生的火花放電現(xiàn)象(瞬間產(chǎn)生高溫等離子體)所引起的燒結(jié)促進作用通過瞬時高溫場實現(xiàn)致密化的快速燒結(jié)技術(shù)。 | ||||
優(yōu)點 | 1、腔體空間大,操作方便。 2、上下壓頭有熱電偶檢測溫度,如有異常,用戶會立即觀察到,關(guān)閉設(shè)備,保護設(shè)備免受損傷。 3、紅外測溫儀從爐頂測溫,比側(cè)面測溫更精準(zhǔn)。 4、水路系統(tǒng)做了水溫檢測、水壓監(jiān)測,如有異常會報警并自動切斷加熱。 5、安裝有防爆系統(tǒng),當(dāng)腔體內(nèi)壓力超過設(shè)定壓力會報警并切斷加熱。 6、具有超溫、超壓、過流、欠壓、斷偶保護和顯示等。 | ||||
功率 | 203KW(電源200KW+機械泵2.2KW+其他) | ||||
壓頭直徑 | 135(mm) | ||||
外形尺寸 |
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電源電壓 | 三相 380V | ||||
SPS電源
| 功率 | 200KVA | |||
輸入電壓 | 三相五線制AC380V/50Hz | ||||
輸出電流(瞬間) | DC 0-20000A | ||||
輸出電壓(瞬間) | DC 0-10 V(矩形波峰值) | ||||
脈沖參數(shù) | 開通時間:1-255 ms 關(guān)斷時間:1-255 ms 脈沖個數(shù):1-255 ms 休止時間:3-255 ms | ||||
控制系統(tǒng) | 控制系統(tǒng)由PLC程序加觸摸屏組成,觸摸屏中內(nèi)置本公司自主研發(fā)的控制系統(tǒng) 所有的操作都集成到觸摸屏中,人機交互界面友好,一鍵操作,簡單方便。
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腔體真空度(分子泵機組) | < 6X10 -4Pa | ||||
腔體充氣壓力 | < 0.05MPa | ||||
升壓率 | <4Pa/小時 | ||||
腔體內(nèi)室圖 | | ||||
斷偶保護和顯示 | 有 | ||||
過溫保護 | 有 | ||||
過流保護 | 有 | ||||
欠壓保護(水壓) | 有 | ||||
控溫模式 | 智能PID | ||||
控溫精度 | ±1℃ | ||||
溫度檢測方式 | S型熱電偶和紅外測溫儀 S熱電偶測溫范圍0~1500℃ 進口紅外測溫儀,測溫范圍(500~3000℃) | ||||
觀察窗尺寸 | 有 | ||||
加壓系統(tǒng)
| 采用電動輸入方式。由液壓站配有進口比例閥、調(diào)節(jié)電位器、壓力傳感器、位移顯示器采用光柵尺(測距精度0.02mm)、液壓缸等相關(guān)液壓裝置,壓力調(diào)節(jié)手動自動可切換、可通過手動調(diào)節(jié)。可通過觸摸屏設(shè)定自動調(diào)節(jié)壓力,并能實現(xiàn)穩(wěn)壓、保壓。 | ||||
控溫方式 | 采用歐陸3504程序控溫儀表 1、高精度的溫度儀表,LCD液晶顯示屏,5位數(shù)值顯示,通過快速設(shè)置配置簡單,C/F單位切換 2、500段程序控溫,8組PID智能調(diào)節(jié)。 3、具有過溫保護 斷偶保護,過溫或斷偶時電爐加熱電路自動切斷,,(當(dāng)電爐溫度超過1820度或熱電偶燒斷時,主電路上的交流繼電器會自動斷開,主電路斷開,面板上ON燈熄滅,OFF燈亮,有限的保護電爐)。 4、支持各種通訊接口 Modbus, Ethernet, Profibus,Devicenet,可以與任意PLC或上位系統(tǒng)集成 5、具有斷電保護功能,即斷電后再給電啟動爐子時、程序不是從起始溫度開始升、而是從斷電時爐溫開始升。 6、儀表具有溫度自整定的功能 歐陸儀表 | ||||
石墨模具 | 1、高溫模具單元由高純石墨制成,工作壓強50MPa 2、請認(rèn)真設(shè)計高溫模具的尺寸,選擇正確的壓力。 | ||||
壓力控制 | PID程序控制 | ||||
壓頭行程 | 100mm | ||||
溫度 | 2300 ℃(受樣品性能、模具尺寸影響) | ||||
加壓壓力精度 | ±0.01T | ||||
壓力 | 30T | ||||
水路系統(tǒng) | 由管道等相關(guān)裝置組成。冷卻水總管進入后,經(jīng)過各支管送到爐體、爐蓋、爐底、水冷電極等需要冷卻水的地方,然后匯總到水管排出。冷卻水循環(huán)水管采用耐高溫橡膠管連接。總進水管上設(shè)有電接點壓力表,當(dāng)水壓低于0.2MPa時,自動切斷加熱??偝鏊苌习惭b有溫度傳感器,當(dāng)溫度高于45℃時,自動切斷加熱 | ||||
真空機組
| 機組輸入電壓 | 380V /220V | |||
波紋管 | KF40X1000 | ||||
真空擋板閥 | KF40 | ||||
BSV30
| 功率 | 2.2KW | |||
電壓 | 380V | ||||
轉(zhuǎn)速 | 1450rpm | ||||
進氣口徑 | KF25/KF40 | ||||
前機泵抽氣速率(L/S) | 15 | ||||
極限壓強 | 5×10 -1Pa | ||||
復(fù)合真空計 | 復(fù)合真空計型號 | ZDF | |||
電源 | 220V 55W | ||||
控制精度 | ± 1% | ||||
真空計測量范圍 | 10-5 -10 5 Pa | ||||
二級泵 為分子泵
| 分子泵 (可以把腔體真空度抽到6X10E-4Pa) | 分子泵型號 | FF200 | ||
輸入電壓 | 220V | ||||
分子泵進氣口法蘭 | DN200 | ||||
分子泵抽氣速率L/S(對空氣) | 1200 | ||||
分子泵極限壓強(Pa) | 6×10-7 | ||||
冷卻方式 | 水冷 | ||||
冷卻水壓(MPa) | 0.1-0.2 | ||||
冷卻水溫度 | <25℃ | ||||
環(huán)境溫度 | 0~40℃ | ||||
建議啟動壓強 | <10Pa | ||||
| 二級泵為擴散泵
(選購) | 擴散泵 可以把腔體真空度抽到5X10E-3Pa) | 電壓 | 220V | |
功率 | 1500W | ||||
極限真空度(在無泄露時) | 10E-5Pa | ||||
進氣接口 | DN200 | ||||
出氣接口 | DN40 | ||||
注入油量 | 1.3L | ||||
抽氣速率(N2) | 2000L/S | ||||
水冷機(選購) HZ-12A | 電源 | 3PH-380V/50HZ | |||
輸入總功率 | 11.6KW | ||||
揚程 | 50M | ||||
冷凍水量 | 5.6m3/h | ||||
水箱容量 | 160L | ||||
制冷量 | 27.8*10-3Kcal/h | ||||
出入水口 | Rp1/2’’ | ||||
機器尺寸 | 1535×780×1515(長X寬X高) |
1、什么是放電等離子體
放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering)簡稱SPS,是近年來發(fā)展起來的一種新型的快速燒結(jié)技術(shù)。該技術(shù)是在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進行加熱燒結(jié),因此有時也被稱為等離子活化燒結(jié)(Plasma Activated Sintering, PAS)或等離子體輔助燒結(jié)(Plasma Assister Sintering, PAS)。該技術(shù)是通過將特殊電源控制裝置發(fā)生的ON-OFF直流脈沖電壓加到粉體試料上,除了能利用通常放電加工所引起的燒結(jié)促進作用(放電沖擊壓力和焦耳加熱)外,還有效利用脈沖放電初期粉體間產(chǎn)生的火花放電現(xiàn)象(瞬間產(chǎn)生高溫等離子體)所引起的燒結(jié)促進作用通過瞬時高溫場實現(xiàn)致密化的快速燒結(jié)技術(shù)。
2、放電等離子體優(yōu)點
放電等離子體燒結(jié)由于強脈沖電流加在粉末顆粒間,因此可產(chǎn)生諸多有利于快速燒結(jié)的效應(yīng)。其相比常規(guī)燒結(jié)技術(shù),放電等離子體燒結(jié)融等離子活化、熱壓、電阻加熱為一體,升溫速度快、燒結(jié)時間短、燒結(jié)溫度低、晶粒均勻、有利于控制燒結(jié)體的細微結(jié)構(gòu)、獲得材料的致密度高,并且有著操作簡單、再現(xiàn)性高、安全可靠、節(jié)省空間、節(jié)省能源及成本低等優(yōu)點。
3、放電等離子體燒結(jié)的原理
SPS燒結(jié)機理目前還沒有達成較為統(tǒng)一的認(rèn)識,其燒結(jié)的中間過程還有待于進一步研究。SPS的制造商Sumitomo公司的M.Tokita提出放電等離子燒結(jié)的觀點,他認(rèn)為:粉末顆粒微區(qū)還存在電場誘導(dǎo)的正負(fù)極,在脈沖電流作用下顆粒間發(fā)生放電,激發(fā)等離子體,由放電產(chǎn)生的高能粒子撞擊顆粒間的接觸部分,使物質(zhì)產(chǎn)生蒸發(fā)作用而起到凈化和活化作用,電能貯存在顆粒團的介電層中,介電層發(fā)生間歇式快速放電,在粉末顆粒未接觸部位產(chǎn)生自發(fā)熱。
目前一般認(rèn)為,SPS與熱壓(HP)有相似之處,但加熱方式不同,它是一種利用通-斷直流脈沖電流直接通電燒結(jié)的加壓燒結(jié)法。通-斷式直流脈沖電流的主要作用是產(chǎn)生放電等離子體、放電沖擊壓力、焦耳熱和電場擴散作用。在SPS燒結(jié)過程中,電極通入直流脈沖電流時瞬間產(chǎn)生的放電等離子體,使燒結(jié)體內(nèi)部各個顆粒均勻的自身產(chǎn)生焦耳熱并使顆粒表面活化。與自身加熱反應(yīng)合成法(SHS)和微波燒結(jié)法類似,SPS是有效利用粉末內(nèi)部的自身發(fā)熱作用而進行燒結(jié)的。SPS燒結(jié)過程可以看作是顆粒放電、導(dǎo)電加熱和加壓綜合作用的結(jié)果。除加熱和加壓這兩個促進燒結(jié)的因素外,在SPS技術(shù)中,顆粒間的有效放電可產(chǎn)生局部高溫,可以使表面局部熔化、表面物質(zhì)剝落;高溫等離子的濺射和放電沖擊清除了粉末顆粒表面雜質(zhì)(如去處表面氧化物等)和吸附的氣體。
4、放電等立體燒結(jié)工藝
在進行具體的SPS實驗操作時,將試樣裝入石墨模具中,模具置于上下電極之間,通過油壓系統(tǒng)加壓,然后對腔體抽真空,達到要求的真空度后通入脈沖電流進行實驗。脈沖大電流直接施加于導(dǎo)電模具和樣品上,通過樣品及間隙的部分電流激活晶粒表面,在孔隙間局部放電,產(chǎn)生等離子體,粉末顆粒表面被活化、發(fā)熱,同時,通過模具的部分電流加熱模具,使模具開始對試樣傳熱,試樣溫度升高,開始收縮,產(chǎn)生一定的密度,并隨著溫度的升高而增大,直至達到燒結(jié)溫度后收縮結(jié)束,致密度達到。
5、放電等離子體燒結(jié)的應(yīng)用
由于SPS的燒結(jié)機理,SPS技術(shù)具有升溫速度快、燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短、節(jié)能環(huán)保等特點,SPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于納米材料、梯度功能材料、金屬材料、磁性材料、復(fù)合材料、陶瓷等材料的制備