一種動態(tài)壓力電脈沖雙場控?zé)Y(jié)爐及燒結(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種燒結(jié)爐及燒結(jié)方法，特別是關(guān)于一種動態(tài)壓力電脈沖雙場控?zé)Y(jié)爐及燒結(jié)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]先進(jìn)材料制備過程中的燒結(jié)過程是實現(xiàn)顆粒致密化、賦予材料機械強度的關(guān)鍵步驟。陶瓷及某些金屬材料的熔點較高，往往難以實現(xiàn)燒結(jié)致密化，因此對燒結(jié)設(shè)備及技術(shù)提出了較高的要求。
[0003]目前常用的燒結(jié)方法包括常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)兩種和放電等離子體燒結(jié)。常壓燒結(jié)是單純的高溫?zé)Y(jié)方法，在大氣壓力下通過加熱促進(jìn)材料致密化，材料的致密化程度不高。熱壓燒結(jié)是在燒結(jié)的同時，對粉末施加單向或雙向的壓力，加速了致密化過程，相比常壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)的溫度更低，燒結(jié)時間更短，可以有效的促進(jìn)材料的致密化、抑制晶粒長大，目前的應(yīng)用領(lǐng)域包括先進(jìn)陶瓷、硬質(zhì)合金、粉末冶金以及復(fù)合材料等。放電等離子體燒結(jié)是近年來發(fā)展起來的一種新型材料燒結(jié)制備方法，又稱脈沖電流燒結(jié)。該技術(shù)的主要特點是對電極通入直流脈沖電流，瞬時產(chǎn)生放電等離子體，有效利用脈沖電流和顆粒自身發(fā)熱產(chǎn)生的表面活化作用，實現(xiàn)材料的超快速致密化燒結(jié)，大大縮短了燒結(jié)時間，降低燒結(jié)溫度，但是脈沖電流具有強烈的方向性和極性，導(dǎo)致燒結(jié)后的材料沿電流電場方向會出現(xiàn)性能分布不均勻，影響材料的使用。研究表明目前的燒結(jié)設(shè)備所提供的壓力均為恒定壓力，恒定壓力作用下顆粒難以滑移重排、氣孔難以排出，在燒結(jié)過程中顆粒間易產(chǎn)生“硬團聚”，容易導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的不均勻現(xiàn)象，因此制約了燒結(jié)體致密化的程度和力學(xué)性能的提高，而且，燒結(jié)過程中粉體收縮、材料致密化的情況無法及時掌握，從而制約了高性能材料的燒結(jié)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠有效的改善放電等離子燒結(jié)中出現(xiàn)的電場和溫度場不均勻現(xiàn)象，使得電場和動態(tài)壓力場處于可控的變化中，減少和消除“硬團聚”，實現(xiàn)材料在較低溫度下的快速致密化，提高粉體堆積密度、促進(jìn)氣孔排出，從而制備高密度、低缺陷、高強度等優(yōu)質(zhì)性能材料的動態(tài)壓力電脈沖雙場控?zé)Y(jié)爐及燒結(jié)方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種動態(tài)壓力電脈沖雙場控?zé)Y(jié)爐，其特征在于:它包括爐體、動態(tài)壓力系統(tǒng)、脈沖電流發(fā)生器和燒結(jié)控制器；所述爐體連接所述動態(tài)壓力系統(tǒng)和所述脈沖電流發(fā)生器，所述動態(tài)壓力系統(tǒng)和所述脈沖電流發(fā)生器都連接所述燒結(jié)控制器；
[0006]所述爐體內(nèi)部設(shè)置有模具，所述模具采用帶有中空內(nèi)腔的圓柱結(jié)構(gòu)；
[0007]所述動態(tài)壓力系統(tǒng)包括上壓頭電極、下壓頭電極、上壓頭、下壓頭、恒定壓力控制模塊、動態(tài)壓力控制模塊和壓力總控模塊；所述上壓頭電極、所述下壓頭電極分別固定在所述爐體上部和所述爐體下部；所述上壓頭一端連接所述上壓頭電極底部，另一端插入所述模具中空內(nèi)腔上部；所述下壓頭一端連接所述下壓頭電極，另一端插入所述模具中空內(nèi)腔底部，并且位于所述模具中空內(nèi)腔中的所述上壓頭端部與所述下壓頭端部之間具有容納待燒結(jié)材料的空間；所述上壓頭電極頂部與所述恒定壓力控制模塊和所述動態(tài)壓力控制模塊連接，所述恒定壓力控制模塊和所述動態(tài)壓力控制模塊都連接至所述壓力總控模塊；所述壓力總控模塊連接所述燒結(jié)控制器的輸出端，所述燒結(jié)控制器將動態(tài)壓力控制信號發(fā)送至所述壓力總控模塊，所述壓力總控模塊根據(jù)接收到的動態(tài)壓力控制信號控制所述恒定壓力控制模塊產(chǎn)生的恒定壓力和所述動態(tài)壓力控制模塊產(chǎn)生的動態(tài)壓力疊加為一個頻率和振幅可調(diào)的動態(tài)壓力作用于所述上壓頭電極，進(jìn)而通過所述上壓頭電極控制所述上壓頭對待燒結(jié)材料產(chǎn)生大小可調(diào)的動態(tài)壓力。
[0008]所述脈沖電流發(fā)生器的輸出端連接所述上壓頭電極和所述下壓頭電極，所述脈沖電流發(fā)生器的輸入端連接至所述燒結(jié)控制器的輸出端，所述燒結(jié)控制器將脈沖電流控制信號發(fā)送至所述脈沖電流發(fā)生器，所述脈沖電流發(fā)生器根據(jù)接收到的脈沖電流控制信號對所述上壓頭電極和所述下壓頭電極進(jìn)行等離子脈沖電流燒結(jié)，等離子脈沖電流通過所述上壓頭電極、所述下壓頭電極、所述上壓頭和所述下壓頭作用于待燒結(jié)材料。
[0009]所述動態(tài)壓力電脈沖雙場控?zé)Y(jié)爐還包括冷卻水系統(tǒng)，所述冷卻水系統(tǒng)包括水冷通道和冷卻水控制系統(tǒng)，所述水冷通道位于所述爐體內(nèi)部并靠近所述爐體壁面，所述水冷通道的出水口設(shè)置在所述爐體上端，所述水冷通道的入水口設(shè)置在所述爐體下端，所述水冷通道的入水口經(jīng)所述冷卻水控制系統(tǒng)連接所述燒結(jié)控制器，所述燒結(jié)控制器將冷卻水控制信號發(fā)送至所述冷卻水控制系統(tǒng)，所述冷卻水控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的冷卻水控制信號控制所述水冷通道中冷卻水的流入和流出。
[0010]所述動態(tài)壓力電脈沖雙場控?zé)Y(jié)爐還包括磁柵線位移測量系統(tǒng)，所述磁柵線位移測量系統(tǒng)包括磁頭、磁柵線位移傳感器和位移顯示器，所述磁頭在所述上壓頭電極的壓力點上采集軸向位移信號，將獲得的軸向位移信號傳輸給所述磁柵線位移傳感器，所述磁柵線位移傳感器將采集到的軸向位移數(shù)據(jù)輸送至所述位移顯示器進(jìn)行實時顯示。
[0011]所述動態(tài)壓力電脈沖雙場控?zé)Y(jié)爐還包括真空控制系統(tǒng)，所述爐體經(jīng)所述真空控制系統(tǒng)連接所述燒結(jié)控制器，所述燒結(jié)控制器將真空控制信號發(fā)送至所述真空控制系統(tǒng)，所述真空控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的真空控制信號調(diào)節(jié)所述爐體內(nèi)的真空度；所述真空控制系統(tǒng)包括機械栗、羅茨栗、真空壓力表和電磁閥。
[0012]所述模具采用碳/碳復(fù)合材料。
[0013]所述動態(tài)壓力控制模塊產(chǎn)生的動態(tài)壓力大小范圍為O?5MPa，可調(diào)頻率范圍為O ?3Hz0
[0014]—種使用動態(tài)壓力電脈沖雙場控?zé)Y(jié)爐的燒結(jié)方法，包括以下步驟:
[0015]I)檢測電源、水源和真空度，將待燒結(jié)材料放置于爐體內(nèi)模具的中空部內(nèi)腔內(nèi)；
[0016]2)通過真空控制系統(tǒng)控制爐體內(nèi)的真空度達(dá)到待燒結(jié)材料工藝要求中的真空度；
[0017]3)通過燒結(jié)控制器控制動態(tài)壓力系統(tǒng)作用于待燒結(jié)材料所需頻率和振幅的動態(tài)壓力，動態(tài)壓力促進(jìn)待燒結(jié)材料的顆粒重排，從而提高待燒結(jié)材料的生坯密度；
[0018]4)在對待燒結(jié)材料作用動態(tài)壓力的同時，通過燒結(jié)控制器控制脈沖電流發(fā)生器對待燒結(jié)材料進(jìn)行等離子脈沖電流燒結(jié)，使得待燒結(jié)材料同時受到動態(tài)壓力和等離子脈沖電流的雙場控綜合作用；
[0019]5)根據(jù)待燒結(jié)材料所需溫度及其工藝要求時間，當(dāng)待燒結(jié)材料達(dá)到所需溫度后，保持待燒結(jié)材料工藝要求時間；
[0020]6)待燒結(jié)材料工藝要求時間達(dá)到后，通過冷卻水系統(tǒng)控制水冷通道中冷卻水的進(jìn)入和排出，進(jìn)而對爐體進(jìn)行緩慢降溫；同時通過燒結(jié)控制器控制壓力總控模塊，緩慢降低動態(tài)壓力直至動態(tài)壓力為零；
[0021]7)當(dāng)爐體內(nèi)的溫度冷卻達(dá)到室溫后，燒結(jié)完成，將燒結(jié)體從爐體內(nèi)取出。
[0022]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明由于采用脈沖電流發(fā)生器對待燒結(jié)材料進(jìn)行等離子脈沖電流燒結(jié)，且通過動態(tài)壓力系統(tǒng)對待燒結(jié)材料施加一個動態(tài)壓力，動態(tài)壓力和等離子脈沖電流的雙場控綜合作用能夠大大降低待燒結(jié)材料所需的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間，促進(jìn)待燒結(jié)材料的顆粒重排、粒子迀移及氣孔排出，加速待燒結(jié)材料的體積收縮，減少和消除“硬團聚”，使其能夠快速致密化，消除氣孔、微裂紋等缺陷，大大提高制品的燒結(jié)密度和性能。2、本發(fā)明由于采用恒定壓力和動態(tài)壓力疊加產(chǎn)生動態(tài)壓力，使得待燒結(jié)材料獲得的動態(tài)壓力頻率和大小均可調(diào)控，滿足待燒結(jié)材料的工藝要求。綜上所述，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于制備高性能材料的燒結(jié)過程中。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的動態(tài)壓力電脈沖雙場控?zé)Y(jié)爐的示意圖
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0025]如圖1所示，本發(fā)明提供一種動態(tài)壓力電脈沖雙場控?zé)Y(jié)爐，其包括爐體1、動態(tài)壓力系統(tǒng)2、脈沖電流發(fā)生器3和燒結(jié)控制器4。爐體I連接動態(tài)壓力系統(tǒng)2和脈沖電流發(fā)生器3，動態(tài)壓力系統(tǒng)2和脈沖電流發(fā)生器3都連接燒結(jié)控制器4。
[0026]爐體I內(nèi)部設(shè)置有模具11，模具11采用帶有中空內(nèi)腔的圓柱結(jié)構(gòu)，待燒結(jié)材料放置于模具11的中空內(nèi)腔內(nèi)。
[0027]動態(tài)壓力系統(tǒng)2包括上壓頭電極21、下壓頭電極22、上壓頭23、下壓頭24、丨旦走壓力控制模塊25、動態(tài)壓力控制模塊26和壓力總控模塊27。上壓頭電極21、下壓頭電極22分別固定在爐體I上部和下部，上壓頭23 —端連接上壓頭電極21底部，另一端插入模具11中空內(nèi)腔上部；下壓頭24 —端連接下壓頭電極22，另一端插入中空內(nèi)腔底部，并且位于模具11中空內(nèi)腔中的上壓頭23端部與下壓頭24端部之間具有容納待燒結(jié)材料的空間。上壓頭電極21頂部與恒定壓力控制模塊25和動態(tài)壓力控制模塊26連接，恒定壓力控制模塊25和動態(tài)壓力控制模塊26都連接至壓力總控模塊27。壓力總控模塊27連接燒結(jié)控制器4的輸出端，燒結(jié)控制器4將動態(tài)壓力控制信號發(fā)送至壓力總控模塊27，壓力總控模塊27根據(jù)接收到的動態(tài)壓力控制信號控制恒定壓力控制模塊25產(chǎn)生的恒定壓力和動態(tài)壓力控制模塊26產(chǎn)生的動態(tài)壓力疊加為一個頻率和振幅可調(diào)的動態(tài)壓力作用于上壓頭電極21，進(jìn)而通過上壓頭電極21控制上壓頭23對待燒結(jié)材料產(chǎn)生大小可調(diào)的動態(tài)壓力。
[0028]脈沖電流發(fā)生器3的輸出端連接上壓頭電極21和下壓頭電極22，脈沖電流發(fā)生器3的輸入端連接至燒結(jié)控制器4的輸出端，燒結(jié)控制器4將脈沖電流控制信號發(fā)送至脈沖電流發(fā)生器3，脈沖電流發(fā)生器3根據(jù)接收到的脈沖電流控制信號對上壓頭電極21和下壓頭電極22進(jìn)行等離子脈沖電流燒結(jié)，等離子脈沖電流通過上壓頭電極21、上壓頭23、下壓頭電極22和下壓頭24，到達(dá)待燒結(jié)材料時瞬時產(chǎn)生放電等離子體，使待燒結(jié)材料自身產(chǎn)生焦耳熱并使待燒結(jié)材料的表面顆粒活化，所產(chǎn)生的能量在待燒結(jié)材料的顆粒間傳遞，加快能量在待燒結(jié)材料間的擴散，使得待燒結(jié)材料同時受到動態(tài)壓力和等離子