一種動態壓力電脈沖雙場控燒結爐及燒結方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種燒結爐及燒結方法，特別是關于一種動態壓力電脈沖雙場控燒結爐及燒結方法。
【背景技術】
[0002]先進材料制備過程中的燒結過程是實現顆粒致密化、賦予材料機械強度的關鍵步驟。陶瓷及某些金屬材料的熔點較高，往往難以實現燒結致密化，因此對燒結設備及技術提出了較高的要求。
[0003]目前常用的燒結方法包括常壓燒結、熱壓燒結兩種和放電等離子體燒結。常壓燒結是單純的高溫燒結方法，在大氣壓力下通過加熱促進材料致密化，材料的致密化程度不高。熱壓燒結是在燒結的同時，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，熱壓燒結的溫度更低，燒結時間更短，可以有效的促進材料的致密化、抑制晶粒長大，目前的應用領域包括先進陶瓷、硬質合金、粉末冶金以及復合材料等。放電等離子體燒結是近年來發展起來的一種新型材料燒結制備方法，又稱脈沖電流燒結。該技術的主要特點是對電極通入直流脈沖電流，瞬時產生放電等離子體，有效利用脈沖電流和顆粒自身發熱產生的表面活化作用，實現材料的超快速致密化燒結，大大縮短了燒結時間，降低燒結溫度，但是脈沖電流具有強烈的方向性和極性，導致燒結后的材料沿電流電場方向會出現性能分布不均勻，影響材料的使用。研究表明目前的燒結設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，在燒結過程中顆粒間易產生“硬團聚”，容易導致微觀結構的不均勻現象，因此制約了燒結體致密化的程度和力學性能的提高，而且，燒結過程中粉體收縮、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。
【發明內容】
[0004]針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠有效的改善放電等離子燒結中出現的電場和溫度場不均勻現象，使得電場和動態壓力場處于可控的變化中，減少和消除“硬團聚”，實現材料在較低溫度下的快速致密化，提高粉體堆積密度、促進氣孔排出，從而制備高密度、低缺陷、高強度等優質性能材料的動態壓力電脈沖雙場控燒結爐及燒結方法。
[0005]為實現上述目的，本發明采取以下技術方案:一種動態壓力電脈沖雙場控燒結爐，其特征在于:它包括爐體、動態壓力系統、脈沖電流發生器和燒結控制器；所述爐體連接所述動態壓力系統和所述脈沖電流發生器，所述動態壓力系統和所述脈沖電流發生器都連接所述燒結控制器；
[0006]所述爐體內部設置有模具，所述模具采用帶有中空內腔的圓柱結構；
[0007]所述動態壓力系統包括上壓頭電極、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腔底部，并且位于所述模具中空內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壓力控制模塊連接，所述恒定壓力控制模塊和所述動態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控制器的輸出端，所述燒結控制器將動態壓力控制信號發送至所述壓力總控模塊，所述壓力總控模塊根據接收到的動態壓力控制信號控制所述恒定壓力控制模塊產生的恒定壓力和所述動態壓力控制模塊產生的動態壓力疊加為一個頻率和振幅可調的動態壓力作用于所述上壓頭電極，進而通過所述上壓頭電極控制所述上壓頭對待燒結材料產生大小可調的動態壓力。
[0008]所述脈沖電流發生器的輸出端連接所述上壓頭電極和所述下壓頭電極，所述脈沖電流發生器的輸入端連接至所述燒結控制器的輸出端，所述燒結控制器將脈沖電流控制信號發送至所述脈沖電流發生器，所述脈沖電流發生器根據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行等離子脈沖電流燒結，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材料。
[0009]所述動態壓力電脈沖雙場控燒結爐還包括冷卻水系統，所述冷卻水系統包括水冷通道和冷卻水控制系統，所述水冷通道位于所述爐體內部并靠近所述爐體壁面，所述水冷通道的出水口設置在所述爐體上端，所述水冷通道的入水口設置在所述爐體下端，所述水冷通道的入水口經所述冷卻水控制系統連接所述燒結控制器，所述燒結控制器將冷卻水控制信號發送至所述冷卻水控制系統，所述冷卻水控制系統根據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]所述動態壓力電脈沖雙場控燒結爐還包括磁柵線位移測量系統，所述磁柵線位移測量系統包括磁頭、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據輸送至所述位移顯示器進行實時顯示。
[0011]所述動態壓力電脈沖雙場控燒結爐還包括真空控制系統，所述爐體經所述真空控制系統連接所述燒結控制器，所述燒結控制器將真空控制信號發送至所述真空控制系統，所述真空控制系統根據接收到的真空控制信號調節所述爐體內的真空度；所述真空控制系統包括機械栗、羅茨栗、真空壓力表和電磁閥。
[0012]所述模具采用碳/碳復合材料。
[0013]所述動態壓力控制模塊產生的動態壓力大小范圍為O?5MPa，可調頻率范圍為O ?3Hz0
[0014]—種使用動態壓力電脈沖雙場控燒結爐的燒結方法，包括以下步驟:
[0015]I)檢測電源、水源和真空度，將待燒結材料放置于爐體內模具的中空部內腔內；
[0016]2)通過真空控制系統控制爐體內的真空度達到待燒結材料工藝要求中的真空度；
[0017]3)通過燒結控制器控制動態壓力系統作用于待燒結材料所需頻率和振幅的動態壓力，動態壓力促進待燒結材料的顆粒重排，從而提高待燒結材料的生坯密度；
[0018]4)在對待燒結材料作用動態壓力的同時，通過燒結控制器控制脈沖電流發生器對待燒結材料進行等離子脈沖電流燒結，使得待燒結材料同時受到動態壓力和等離子脈沖電流的雙場控綜合作用；
[0019]5)根據待燒結材料所需溫度及其工藝要求時間，當待燒結材料達到所需溫度后，保持待燒結材料工藝要求時間；
[0020]6)待燒結材料工藝要求時間達到后，通過冷卻水系統控制水冷通道中冷卻水的進入和排出，進而對爐體進行緩慢降溫；同時通過燒結控制器控制壓力總控模塊，緩慢降低動態壓力直至動態壓力為零；
[0021]7)當爐體內的溫度冷卻達到室溫后，燒結完成，將燒結體從爐體內取出。
[0022]本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點:1、本發明由于采用脈沖電流發生器對待燒結材料進行等離子脈沖電流燒結，且通過動態壓力系統對待燒結材料施加一個動態壓力，動態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材料所需的燒結溫度和燒結時間，促進待燒結材料的顆粒重排、粒子迀移及氣孔排出，加速待燒結材料的體積收縮，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密度和性能。2、本發明由于采用恒定壓力和動態壓力疊加產生動態壓力，使得待燒結材料獲得的動態壓力頻率和大小均可調控，滿足待燒結材料的工藝要求。綜上所述，本發明可以廣泛應用于制備高性能材料的燒結過程中。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明的動態壓力電脈沖雙場控燒結爐的示意圖
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
[0025]如圖1所示，本發明提供一種動態壓力電脈沖雙場控燒結爐，其包括爐體1、動態壓力系統2、脈沖電流發生器3和燒結控制器4。爐體I連接動態壓力系統2和脈沖電流發生器3，動態壓力系統2和脈沖電流發生器3都連接燒結控制器4。
[0026]爐體I內部設置有模具11，模具11采用帶有中空內腔的圓柱結構，待燒結材料放置于模具11的中空內腔內。
[0027]動態壓力系統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中空內腔上部；下壓頭24 —端連接下壓頭電極22，另一端插入中空內腔底部，并且位于模具11中空內腔中的上壓頭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和動態壓力控制模塊26連接，恒定壓力控制模塊25和動態壓力控制模塊26都連接至壓力總控模塊27。壓力總控模塊27連接燒結控制器4的輸出端，燒結控制器4將動態壓力控制信號發送至壓力總控模塊27，壓力總控模塊27根據接收到的動態壓力控制信號控制恒定壓力控制模塊25產生的恒定壓力和動態壓力控制模塊26產生的動態壓力疊加為一個頻率和振幅可調的動態壓力作用于上壓頭電極21，進而通過上壓頭電極21控制上壓頭23對待燒結材料產生大小可調的動態壓力。
[0028]脈沖電流發生器3的輸出端連接上壓頭電極21和下壓頭電極22，脈沖電流發生器3的輸入端連接至燒結控制器4的輸出端，燒結控制器4將脈沖電流控制信號發送至脈沖電流發生器3，脈沖電流發生器3根據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進行等離子脈沖電流燒結，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，到達待燒結材料時瞬時產生放電等離子體，使待燒結材料自身產生焦耳熱并使待燒結材料的表面顆粒活化，所產生的能量在待燒結材料的顆粒間傳遞，加快能量在待燒結材料間的擴散，使得待燒結材料同時受到動態壓力和等離子