Thiêu kết xung điện Plasma SPS - (Spark Plasma Sintering) - Phần I

Category: Teaching Published: 17 November 2009
Hits: 7183

Kỹ thuật Thiêu Kết Xung Điện Plasma (SPS), là một kỹ thuật tương đối với mới cho phép chuẩn bị mẫu vật liệu có mật độ (tỷ trọng) lý tưởng (full dense) tại nhiệt độ thiêu kết tuơng đối thấp và khoảng thời gian giữ nhiệt (holding time) ngắn hơn (tính theo đơn vị phút) so với các phuơng pháp thiêu kết truyền thống như thiêu kết thường (pressureless), ép nóng (hot isostatic pressing-HIP) là các phương pháp thiêu kết đòi hỏi thời gian giữ nhiệt kéo dài (hàng giờ) ở nhiệt độ cao.

Kỹ thuật thiêu kết xung diện plasma (SPS) cũng được gọi là công nghệ thiêu kết trường hỗ trợ - Field Assistant Sintering Technology (FAST), thiêu kết dòng điện xung - Puled Electric Current Sintering (PECS), và Kết khối hỗ trợ bởi xung điện - Electric Pulse Assisted Consolidation (EPAC) đã được phát triển đầu tiên vào những năm 1930, nhưng ở thời gian này công nghệ chưa cho phép để có thể thương mại hóa chúng. Vào những năm 1980, công nghệ SPS đã được phát triển xa hơn và nó đã bắt đầu được sử dụng tại nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu, đặc biệt tại Nhật Bản. Sơ đồ cấu trúc của thiết bị thiêu kết xung điện plasma được biểu thị ở hình dưới đây:

SPS Configuration

Sơ đồ cấu trúc của thiết bị thiêu kết xung điện Plasma

Bộ phận thiêu kết xung điện tuơng tự bộ phận của thiết bị ép nóng thông thường, nghĩa là bột được dưa vào khuôn ép áp lực cao và được ép đơn trục (theo 2 mặt cắt dọc trục), áp lực ép có thể được điều khiển và thay đổi trong quá trình thiêu kết. Ở thiết bị ép nóng, nhiệt được sinh bởi phần tử phát nhiệt và truyền nhiệt (nhờ dẫn nhiệt) cho bột thiêu kết, hệ quả là tốc độ nâng nhiệt bị giới hạn, và quá thiêu kết mất hàng giờ. Trong thiết bị thiêu kết xung điện plasma, dòng điện xung một chiều được dẫn qua khuôn ép, thường được chế tạo bằng vật liệu dẫn điện, nhiệt (thường là khuôn Graphit) và trong một số trường hợp thích hợp dòng điện xung cũng có thể chạy trực tiếp qua mẫu. Điều này cho phép có được tốc độ nâng nhiệt nhanh (có thể tới 600K/phút). Quá trình thiêu kết thường được thực hiện trong buồng chân không và có hệ thống làm nguội bằng nước. Dòng điện một chiều được phát sinh và duy trì bởi bộ tạo xung, và xung điện có khoảng thời gian sống điển hình là 3.3ms. Số lượng xung trong một đơn vị thời gian có thể thay đổi. Nhà sản xuất khuyến nghị nên sử dụng chuỗi xung là 12:2 nghĩa là 12 xung dòng một chiều chạy qua khuôn/mẫu tiếp theo là khoảng thời gian không có xung điện là 6.6ms.

Thường thiết bị thiêu kết sử dụng áp lực ép đơn trục lên đến 500MPa hoặc cao hơn cho thiết bị SPS thường và cỡ lớn. Việc sử dụng áp lực ép cao hay thấp tùy thuộc tính chất độ bền cơ học của khuôn và sự sắp xếp khuôn ép. Áp lực ép cao hơn so với thiết bị ép nóng (thường khoảng 50-100MPa) do SPS có cấu hình khuôn đơn giản và việc thiết lập áp lực nhanh hơn khi nâng áp hay hạ áp.

Các ưu điểm của SPS là:

  • Tốc độ nâng/hạ nhiệt nhanh dẫn đến rút ngắn thời gian của quá trình thiêu kết.
  • Có thể sử dụng áp lực ép cao hơn so với ép nóng thông thường, dẫn đến mẫu thiêu kết có tỷ trong cao hơn ngay tại thiệt độ thiêu kết thấp hơn.
  • Sự xuất hiện của dòng điện/trường cho thấy quá trình thiêu kết được tăng cường (activated).
  • Nhiều vật liệu có thể được kết khối tại nhiệt độ thiêu kết thấp đến đáng kinh ngạc.

TS. Nguyễn Hoàng Việt.

viet4777
Author: Nguyễn Hoàng Việt
About: Viet Nguyen-Hoang is a lecturer in school of Materials Science and Engineering at HUST (www.hust.edu.vn). He starts coding with Joomla from 2006. His lectures could be found at kythuatvatlieu.ORG. His writing is about IT, Joomla and his teaching topics.

Donate

Donate using PayPal
Amount: