Thiêu kết plasma xung (SPS)

Cách hoạt động

1. 1

   Nạp khuôn. Bột được đổ vào khuôn than chì (một ống dày) giữa hai chày than chì. Khuôn thường được lót giấy than chì để chi tiết dễ tách ra.

2. 2

   Nạp và hút chân không. Cụm khuôn được đặt giữa các đầu ép làm mát bằng nước của máy ép trong một buồng. Không khí được hút ra (chân không) hoặc thay bằng argon, để than chì nóng và bột không bị cháy.

3. 3

   Ép và cho dòng điện chạy qua. Các đầu ép ép với lực thường 30–100 MPa trong khi nguồn điện gửi dòng điện một chiều xung, hàng nghìn ampe ở vài vôn, qua than chì. Khuôn nóng lên từ bên trong nhờ điện trở, như dây máy nướng bánh mì, với tốc độ 100 °C mỗi phút hoặc hơn. Dù tên gọi thế, thường không có tia lửa hay plasma.

4. 4

   Giữ trong thời gian ngắn. Sau thường 5–10 phút ở nhiệt độ đỉnh (thường 1.000–2.000 °C, tùy vật liệu), các hạt liên kết và lỗ xốp bị ép ra. Đầu ép đi xuống khi bột co lại, điều này cho thấy khi nào nó đã đặc.

5. 5

   Làm nguội và đẩy ra. Khi tắt nguồn, các đầu ép làm mát bằng nước hút nhiệt đi nhanh. Chiếc đĩa đặc được ép ra khỏi khuôn, và lớp da than chì của nó được mài bỏ trước khi cắt hoặc hoàn thiện.

Thông số chính

Vật liệu

Gốm (alumina, silic cacbua, borua), kim loại cứng, vonfram và các kim loại nóng chảy cao khác, vật liệu nhiệt điện, vật liệu composite, bột rất mịn

Chi tiết thường gặp

Đĩa và khối đơn giản: bia phún xạ, tấm giáp, phôi dụng cụ cắt, mẫu nghiên cứu

Kích thước chi tiết

Chủ yếu là đĩa 10–50 mm trong phòng thí nghiệm; máy công nghiệp làm chi tiết rộng đến vài trăm milimet

Độ chính xác

Thô khi thiêu kết xong: đường kính do khuôn quyết định, độ dày kém chính xác hơn; dung sai cuối cùng có được nhờ mài

Bề mặt hoàn thiện

Một lớp da than chì xám, được mài hoặc đánh bóng bỏ sau đó

Số lượng phù hợp

Từ chiếc đơn lẻ đến lô nhỏ: nghiên cứu, mẫu thử và chi tiết đặc chủng

Chi phí khuôn dụng cụ và máy

Khuôn than chì là vật tư tiêu hao giá khoảng vài chục đến vài trăm USD; máy có giá từ vài trăm nghìn USD (phòng thí nghiệm) đến hàng triệu (công nghiệp)

Tốc độ

Thường 10–30 phút mỗi lần chạy cộng thời gian làm nguội, một chi tiết hoặc một chồng nhỏ mỗi lần

Ưu điểm và hạn chế

Ứng dụng

• Phòng thí nghiệm nghiên cứuGốm, hợp kim và composite mới; thử nhanh nhiều công thức
• Điện tửVật liệu nhiệt điện, bia phún xạ để phủ màng mỏng
• Quốc phòng và hàng không vũ trụGiáp bo cacbua, gốm chịu nhiệt cực cao
• Dụng cụPhôi dụng cụ cắt và chi tiết kim loại cứng
• Quang họcGốm trong suốt như cửa sổ spinel, chủ yếu ở quy mô nghiên cứu

Cách nhận biết

• Đĩa phẳng hoặc trụ ngắn có đúng hình dạng của một khuôn tròn.
• Một lớp da than chì xám trên chi tiết chưa hoàn thiện.
• Các mặt đã mài trên hầu hết mọi chi tiết thành phẩm, vì chi tiết SPS hiếm khi được dùng nguyên như khi ra khỏi máy.

So sánh với

Xem video

Spark Plasma Sintering

Prof. Neha Gupta · Nguyên lý: dòng điện xung qua khuôn than chì dưới áp suất

How SPS sintering works-A demo of the S2 laboratory furnace SPS system. FAST.

Haoyuevac · Một lần chạy thực tế trong phòng thí nghiệm, với khuôn đỏ rực khi nóng lên

Thermal Technology Spark Plasma Sintering

ThermalTechnology1 · Một hệ thống công nghiệp: buồng, cột ép và bộ điều khiển

Materialism Podcast Ep 63: Spark Plasma Sintering at CalNano

Taylor Sparks · SPS được dùng để làm gì trong công nghiệp, và những giới hạn của nó

Xem ảnh thật

• Wikipedia: Spark plasma sintering — các tên gọi khác (FAST, PECS), tốc độ gia nhiệt và vật liệu; chủ yếu là văn bản
• Tìm ảnh trên Wikimedia Commons