Урок 9.4Придать формуГлава 9 · Порошки и керамика

Искровое плазменное спекание (SPS)

Импульсный ток за минуты нагревает спрессованную графитовую пресс-форму

Искровое плазменное спекание (SPS) прессует порошок в графитовой пресс-форме, пока через неё идёт огромный импульсный электрический ток. Пресс-форма нагревается сама, поэтому порошок превращается в плотное твёрдое тело за минуты, а не часы. Лаборатории используют его для создания новых материалов, например сверхтвёрдой керамики, которую обычные печи с трудом уплотняют.

Фото: Raihan.Rumman, CC BY-SA 3.0, через Wikimedia Commons

Искровое плазменное спекание · колонна пресса, токовый контур, уплотнениеКолонна пресса показана в разрезе пополам; панель справа показывает, что происходит внутри пресс-формы и что получается на выходе. Номера в кружках соответствуют шагам.

Как это работает

Заполните пресс-форму. Порошок засыпают в графитовую матрицу (толстую трубу) между двумя графитовыми пуансонами. Матрицу обычно выстилают графитовой фольгой, чтобы деталь вынималась.
Загрузите и откачайте воздух. Комплект пресс-формы помещают между рабочими штоками пресса с водяным охлаждением внутри камеры. Воздух откачивают (вакуум) или заменяют аргоном, чтобы горячий графит и порошок не сгорели.
Прессуйте и пропускайте ток. Штоки давят обычно с усилием 30–100 МПа, пока источник питания посылает через графит импульсный постоянный ток — тысячи ампер при нескольких вольтах. Пресс-форма нагревается изнутри электрическим сопротивлением, как проволока тостера, со скоростью 100 °C в минуту и более. Несмотря на название, обычно нет ни искры, ни плазмы.
Выдержите недолго. После обычно 5–10 минут при пиковой температуре (часто 1000–2000 °C, в зависимости от материала) частицы соединяются, а поры выдавливаются. Шток движется вниз по мере усадки порошка, что показывает, когда он стал плотным.
Остудите и вытолкните. При выключенном питании штоки с водяным охлаждением быстро уносят тепло. Плотный диск выпрессовывают из пресс-формы, а его графитовый слой сошлифовывают перед резкой или доводкой.

Ключевые факты

Материалы: Керамика (оксид алюминия, карбид кремния, бориды), твёрдые сплавы, вольфрам и другие тугоплавкие металлы, термоэлектрики, композиты, очень тонкие порошки
Типичные детали: Диски и простые блоки: мишени для распыления, броневые плитки, заготовки режущих инструментов, исследовательские образцы
Размер детали: В основном диски 10–50 мм в лабораториях; промышленные машины делают детали до нескольких сотен миллиметров в поперечнике
Точность: Грубая после спекания: диаметр задан пресс-формой, толщина менее точно; окончательные допуски получаются шлифовкой
Качество поверхности: Серый графитовый слой, затем сошлифовываемый или полируемый
Подходящая партия: От единичных изделий до малых партий: исследования, прототипы и специальные детали
Стоимость оснастки и оборудования: Графитовые пресс-формы — расходный материал стоимостью примерно от десятков до сотен долларов; машины — от нескольких сотен тысяч долларов (лабораторные) до миллионов (промышленные)
Скорость: Обычно 10–30 минут на цикл плюс охлаждение, по одной детали или небольшому пакету за раз

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Очень быстро: минуты вместо часов
Сохраняет зёрна (крошечные кристаллы в материале) очень мелкими, что может сделать материал прочнее или даже прозрачным
Уплотняет трудно спекаемые материалы, такие как бориды и карбиды, часто без добавок
Может соединять слои разных материалов за один запуск

Ограничения

Только простые формы: диски, блоки, короткие цилиндры
Небольшие детали и низкая производительность на машину
Графитовая оснастка ограничивает давление примерно 100 МПа и может добавлять углерод на поверхность
Температура может быть неравномерной в больших деталях или в непроводящих порошках

Где применяется

Исследовательские лабораторииНовые керамики, сплавы и композиты; быстрые испытания множества рецептур
ЭлектроникаТермоэлектрические материалы, мишени для распыления при нанесении тонких плёнок
Оборона и аэрокосмическая отрасльБроня из карбида бора, керамика для экстремального нагрева
ИнструментЗаготовки режущих инструментов и детали из твёрдых сплавов
ОптикаПрозрачная керамика, например окна из шпинели, в основном в исследовательском масштабе

Как узнать процесс

Плоские диски или короткие цилиндры точно формы круглой пресс-формы.
Серый графитовый слой на необработанных деталях.
Шлифованные поверхности почти на каждой готовой детали, поскольку детали SPS редко используют в том виде, в каком они выходят.

Сравните с

Горячее изостатическое прессование9.3прессует газом со всех сторон и справляется со сложными формами, но цикл занимает часы.Порошковая металлургия9.1прессует холодным, затем спекает в отдельной печи; гораздо дешевле на деталь, но менее плотно.Микроволновое спекание9.5тоже нагревает изнутри для скорости, но микроволнами вместо тока и без давления.

Смотрите

Prof. Neha Gupta · Принцип: импульсный ток через графитовую пресс-форму под давлением

Haoyuevac · Настоящий лабораторный запуск, пресс-форма раскаляется при нагреве

ThermalTechnology1 · Промышленная система: камера, колонна пресса и управление

Taylor Sparks · Для чего SPS используют в промышленности и его ограничения

Смотреть реальные фото

Википедия: Spark plasma sintering — другие названия (FAST, PECS), скорости нагрева и материалы; в основном текст
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

SPS нагревает пресс-форму и порошок напрямую большим импульсным током при одновременном прессовании.
Минуты вместо часов сохраняют мелкие зёрна и уплотняют твёрдые материалы.
Это лабораторный и специальный процесс для простых дисков и блоков, а не для массового производства.