硬质合金喷嘴—离子体活化烧结

等离子体活化烧结(Plasma Activated Sintering,简称PAS)是利用开关直流脉冲电压在粉末颗粒间或空隙内产生瞬间的高温等离子体。而等离子体是一种高温、高活性离子化的电导气体,能产生4000-10000K的高温。也正因为其这样的特性,等离子体能迅速消除粉末颗粒表面所吸附的杂质和气体,促使物质产生高速度的扩散和迁移,从而有效地降低烧结温度,加快烧结的整体过程,极大地提高了烧结的效率。与自蔓延高温合成和微波烧结相似,它也是利用粉末内部产生的热量而实现快速烧结的工艺。

硬质合金喷嘴等离子体活化烧结工艺技术总的概括起来有四个主要阶段
1.对粉末施加单轴向的压力;
2.通脉冲电流放电产生等离子体对粉末颗粒进行活化作用;
3.用直流电对样品进行电阻加热至所需温度并保持一段时间;
4.最后消除应力的阶段。

而其中的第三阶段就是放电等离子体烧结与等离子体活化烧结工艺最大的不同之处,SPS工艺主要依靠脉冲电流进行加热,在整个烧结的过程中并没有使用到直流电作为热源。与常见的热压烧结法、无压常规烧结法、热等静压烧结法相比,硬质合金喷嘴等离子体活化烧结具有许多优势。其中较为突出的就是它采用直流电直接对粉末材料和石墨模具进行加热,而且采用开关直流脉冲电压使颗粒之间或空隙内产生高温活化等离子体。这样一来操作更为方便并且在烧结过程中可更为精确地控制烧结能,在材料内部进行均匀加热,提高了热传导效率,提高了材料的致密性。此外,PAS法可提供的工作压力范围和烧结温度可控范围更广,能有效抑制晶粒的长大,保持原始颗粒的微观结构,目前在梯度功能材料、金属间化合物、微晶材料、超导材料、纤维强化材料等用常规烧结法较难制备的材料中得到了较为广泛的运用。

硬质合金喷嘴图片

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钨铜FGM粉浆浇注法

钨铜FGM粉浆浇注法是将原料粉末均匀混合成浆料,注入模型内干燥后进行连续控制浆料配比,从而形成成分连续变化的工艺。其属于无压成型工艺中的一种,最早起源于陶瓷工业中,直到上世纪40年代才开始在钨、钼、硬质合金和金属陶瓷等硬脆粉末的成形中应用。1956年用来成形不锈钢件。现在已用于制造纤维增强高温合金如钨合金纤维增强镍基高温合金,喷气发动机部件如涡轮叶片和燃气室零件等。

钨铜FGM粉浆浇注工艺包括制备粉浆和模具、浇注、注件干燥3个阶段。粉浆由金属粉末或纤维与母液构成。对粉浆的要求是具有一定的浓度(粉末重量占40%~70%);粉末与母液润湿良好,颗粒表面不粘附气体;粉浆均匀悬浮不沉降等。用于粉浆浇注的原料粉末以细粉为宜,粒度常为5~10tim。母液是各种添加剂与水的混合液。添加剂有多种成分,包括粘结剂、分散剂、悬浮剂(稳定剂)、除气剂和滴定剂等。它们各有其作用。粘结剂可粘结粉末,提高注件强度,常用藻肮酸钠、聚乙烯醇。分散剂和悬浮剂可防止颗粒聚集,改善粉末与母液的润湿,形成稳定的悬浮液。

影响钨铜FGM粉浆浇注的因素有金属粉末特性如粒度、形状、粉浆特性(固液比、pH值、添加剂等)、热处理特性(注件在模内和出模后的干燥速度以及模具的孔隙度等)。为了得到不同类型的注件,粉浆浇注有实心浇注和空心浇注两种工艺。前者采用储存器或其他方法补充料浆,以使模具中完全充满料浆而得到实心注件;后者是控制粉浆的静置时间,当模壁上形成的粉层厚度适当时,将多余粉浆倒出而得到空心注件。

钨铜棒图片

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钨铜材料—自蔓延高温合成法

钨铜材料自蔓延高温合成法(self-propagation high-temperature synthesis,简称SHS),又被称为燃烧合成(combustion synthesis),其是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术。当反应物一旦被引燃,便会自动向尚未反应的区域传播,直至反应完全,是制备无机化合物高温材料以及功能梯度材料(FGM)的一种新型工艺方法。

燃烧引发的反应或燃烧波的蔓延速度很快(0.1~20.0cm/s,最高可达25.0cm/s),燃烧波的温度或反应温度(通常都在2100~3500K以上,最高可达5000K)。SHS以自蔓延方式实现粉末间的反应,与制备材料的传统工艺比较,工序减少,流程缩短,工艺简单,一经引燃启动过程后就不需要对其进一步提供任何能量。由于燃烧波通过试样时产生的高温,可将易挥发杂质排除,使产品纯度高。同时燃烧过程中有较大的热梯度和较快的冷凝速度,有可能形成复杂相,易于从一些原料直接转变为另一种产品。并且可能实现过程的机械化和自动化。另外还可能用一种较便宜的原料生产另一种高附加值的产品,成本低,经济效益好。

钨铜SHS烧结可采用以下3种方式进行:
1.直接在空气中燃烧合成;
2.将经过预先热处理的钨铜混合粉末放在真空反应器内进行合成;
3.在充有反应气体的高压反应容器内进行合成。
此外,为了进一步提高钨铜材料的致密度,发展了多种自蔓延高温合成材料的合成与致密化同时进行的一体化技术,如SHS致密化技术以及SHS焊接技术。

钨铜电极

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钨铜FGM喷射沉积法

钨铜FGM喷射沉积技术,也叫喷射成形技术,是近30年来发展起来的一种利用快速凝固技术直接制备金属材料坯料或半成品的先进成型技术。主要由熔融金属的气体雾化、雾化熔滴的沉积等连续过程组成。钨铜FGM喷射沉积技术主要包括以下几个步骤:
喷射轧制:喷射沉积形成连续的带材产品,随后进行热轧或冷轧;
喷射锻造:目的在于生产供热锻用的喷射铸造预型坯,或者在喷射铸造中空坯后挤压;
离心喷射沉积:熔融金属被离心雾化,沉积在冷衬底上,由衬底上可取下形成的大管子;
喷射涂层:涂层结合在衬底上,同时喷射喷丸,可制得全致密热加工的无应力沉积物。钨铜FGM喷射沉积技术的最主要优势在于能够制造大型薄壁零件和获得连续带材,可得到细晶粒和性能优异的材质,节约能源,降低成本。

喷射沉积的基本原理是:熔融金属经导流管流出,被雾化喷嘴出口的高速气流破碎,雾化为细小弥散的熔滴射流;雾化熔滴射流在高速气流动量作用下加速,并与气流进行强烈的热交换;到达沉积表面以前,小于某一临界尺寸的熔滴凝固成为固体颗粒,较大尺寸的仍然为液态,而中间尺寸的熔滴则为含有一定比例液相的半凝固颗粒;这些大大小小凝固程度不同的熔滴高速撞击沉积表面,并在沉积表面附着、铺展、堆积、熔合形成一个薄的半液态层后顺序凝固结晶,逐步沉积生长成为一个大块致密的金属实体沉积坯。总的来说,喷射沉积技术实际上是通过两个过程完成的。第一步是采用喷射技术将合金液雾化成细小的液滴。这些液滴在飞行过程中散热,获得一定的过冷度,甚至发生部分凝固。在完成凝固之前在基板上沉积并进一步冷却、凝固,完成第二个过程,即快速凝固过程。

钨铜电子封装片图片

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钨铜材料电弧熔炼法

钨铜材料电弧熔炼法是用粉末冶金法所制取的合金作为可熔电极,在真空或惰性气氛中进行自耗熔化,经快速凝固—时效—固溶处理得到细晶、致密化程度高、密度偏析小和具有优良抗蚀性的钨铜合金材料。真空电弧炉由炉体、电源、真空系统、电控系统、光学系统和水冷系统组成。炉体部分由炉壳、电极、结晶器及电极升降装置构成。工作时,在电极(负极)和水冷铜结晶器(正极)形成的两极之间,建立低电压(20~40V)大电流(若干kA),产生电弧放电,靠电弧释放出的热量来熔化金属。电炉一般是直流供电,一根电极。按照熔炼过程中电极是否消耗(熔化),分成非自耗电极电弧炉熔炼和自耗电极电弧炉熔炼两种。

按照其加热方式的不同,电弧熔炼法还可细分为:
1.直接加热式:电弧产生在电极棒和被熔炼的炉料之间,炉料受电弧直接加热,电弧是熔炼得以进行的唯一热量来源,它还能细分为:
a.非真空直接加热式三相电弧熔炼法:多见于炼钢工艺中,电弧炉内可以通过造渣将炉内气氛控制到呈弱氧化性甚至还原性。电弧炉内合金成分烧损较少,加热过程比较容易调节。因此,尽管电弧熔炼需要消耗大量的电能,但工业上仍然用这种方法来熔炼各种高级合金钢;
b.直接加热式真空电弧炉熔炼法:它主要用来熔炼钛、锆、钨、钼、钽、铌等活泼和高熔点金属以及它们的合金,也用来熔炼耐热钢、不锈钢、工具钢、轴承钢等合金钢。经直接加热式真空自耗电弧炉熔炼出来的金属,其气体和易挥发杂质含量下降,铸锭一般不会出现中心疏松,锭子结晶较均匀,金属性能得到改善。
2.间接加热式:电弧产生在两根石墨电极之间,炉料被电弧间接加热。这种熔炼方法主要用来熔炼铜和铜合金。间接加热式电弧熔炼由于噪声大、熔炼金属质量较差,正逐渐被其他熔炼方法所取代。

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