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1、等离子喷射技术等离子喷射技术本讲总结本讲总结等离子体的概念及其产生等离子体的概念及其产生等离子体烧结的原理及工艺等离子体烧结的原理及工艺等离子体电弧切割的原理及方法等离子体电弧切割的原理及方法等离子体的基本概念等离子体的基本概念等离子体由美国物理学家郞等离子体由美国物理学家郞谬尔谬尔(Irving(Irving Langmuir)Langmuir)首次首次命名命名,被称为物质的第四态被称为物质的第四态等离子体的组分等离子体的组分:电子电子,正离正离子子,中性粒子中性粒子印度物理学家沙哈印度物理学家沙哈(M.Saha)(M.Saha)计算计算:宇宙中宇宙中99.9%99.9%的物质是的物质是等离
2、子体状态等离子体状态等离子体的基本概念等离子体的基本概念等离子体与气体的区分等离子体与气体的区分 等离子体是导电流体而又整体上保持电中性等离子体是导电流体而又整体上保持电中性组成中带电粒子间存在库仑力组成中带电粒子间存在库仑力等离子体的运动行为受到电磁场的影响和制约等离子体的运动行为受到电磁场的影响和制约并非任何电离气体都是等离子体。只要当电离度大到并非任何电离气体都是等离子体。只要当电离度大到确定程度，使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足确定程度，使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足以限制其自身运动时，这样的以限制其自身运动时，这样的“电离气体电离气体”才算转变才算转变成等离子体。否则，体系
3、中虽有少数粒子电离，仍不成等离子体。否则，体系中虽有少数粒子电离，仍不过是互不相关的各部分的简洁加和，而不具备作为物过是互不相关的各部分的简洁加和，而不具备作为物质的第四态的典型性和特征，仍属于气态。质的第四态的典型性和特征，仍属于气态。等离子体的基本概念等离子体的基本概念等离子体分类等离子体分类高温等离子体（热等离子体）：压力大于高温等离子体（热等离子体）：压力大于1.33104Pa时，气体密度大，电子撞击气体分子，能量转移，电时，气体密度大，电子撞击气体分子，能量转移，电子温度和气体温度几乎相等子温度和气体温度几乎相等低温等离子体（冷等离子体）：压力小于低温等离子体（冷等离子体）：压力小于
4、1.33104Pa时，气体密度小，电子撞击气体概率小，气体吸取电时，气体密度小，电子撞击气体概率小，气体吸取电子的能量少，气体温度与电子温度分别，电子温度子的能量少，气体温度与电子温度分别，电子温度104K，气体温度，气体温度102103K气体压力越小，电子和气体的温差就越大气体压力越小，电子和气体的温差就越大等离子体的基本概念等离子体的基本概念等离子体产生的方法等离子体产生的方法:光照光照,燃烧燃烧,电场激发电场激发,放放射线，与高温介质接触等射线，与高温介质接触等分子 原子 电子+带电的离子等离子体的电离度等离子体的电离度,假定电子假定电子,离子和中性粒子离子和中性粒子的密度分别外的密度分
5、别外n ne e,n,ni i及及n na aneni=ne/(ni+na)1%,高温等离子体温度是原子、分温度是原子、分子或离子热运动子或离子热运动的剧烈程度的剧烈程度等离子体的基本概念等离子体的基本概念等离子体的表征方法等离子体的表征方法等离子体的密度等离子体的密度ni或或ne等离子体的温度等离子体的温度等离子体中的粒子碰撞问题等离子体中的粒子碰撞问题原子原子-原子原子弹性碰撞弹性碰撞原子电离原子电离原子原子-电子电子:原子电离原子电离离子离子-电子电子:中性原子中性原子离子离子-原子原子:电荷转移电荷转移离子离子-离子离子:弹性碰撞弹性碰撞,变更方向和速度变更方向和速度电子电子-电子电子
6、等离子放电烧结等离子放电烧结等离子体烧结技术等离子体烧结技术SPS（Spark Plasma Sintering）：）：在粉末间干脆通入脉冲电流进行加热烧结，也被称为在粉末间干脆通入脉冲电流进行加热烧结，也被称为等离子活化烧结或等离子体协助烧结等离子活化烧结或等离子体协助烧结等离子体烧结发展始：等离子体烧结发展始：1930年，美国科学家提出利用等离子体脉冲烧结原理年，美国科学家提出利用等离子体脉冲烧结原理1965年，脉冲电流烧结技术在美国和日本等国得到应年，脉冲电流烧结技术在美国和日本等国得到应用用1988年，日本研制出第一台工业型等离子体烧结装置年，日本研制出第一台工业型等离子体烧结装置19
7、96年，日本组织了等离子体烧结研讨会，每年召开年，日本组织了等离子体烧结研讨会，每年召开一次一次1998年，瑞典购进等离子体烧结系统，对碳化物、氧年，瑞典购进等离子体烧结系统，对碳化物、氧化物及生物陶瓷等进行较多探讨工作化物及生物陶瓷等进行较多探讨工作2006年年6月武汉理工高校购置了国内首台等离子体烧月武汉理工高校购置了国内首台等离子体烧结装置，此后国内多所高校及探讨所相继引进该装置，结装置，此后国内多所高校及探讨所相继引进该装置，成为材料制备的全新技术成为材料制备的全新技术等离子放电烧结等离子放电烧结等离子体放电烧结原理：机理尚无统一相识等离子体放电烧结原理：机理尚无统一相识SPSSPS的
8、制造商的制造商SumitomoSumitomo公司的公司的M.TokitaM.Tokita最早提出放电等最早提出放电等离子烧结的观点：粉末颗粒微区存在电场诱导的正负离子烧结的观点：粉末颗粒微区存在电场诱导的正负极，在脉冲电流作用下颗粒间发生放电，激发等离子极，在脉冲电流作用下颗粒间发生放电，激发等离子体，由放电产生的高能粒子撞击颗粒间的接触部分，体，由放电产生的高能粒子撞击颗粒间的接触部分，使物质产生蒸发作用而起到净化和活化作用，电能贮使物质产生蒸发作用而起到净化和活化作用，电能贮存在颗粒团的介电层中，介电层发生间歇式快速放电存在颗粒团的介电层中，介电层发生间歇式快速放电 等离子放电烧结等离子
9、放电烧结SPSSPS等离子烧结机理示意图等离子烧结机理示意图等离子放电烧结等离子放电烧结施加直流开关脉冲电流作用施加直流开关脉冲电流作用等离子放电烧结等离子放电烧结由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流淌，可使粉末吸附的气体逸散，粉末表面的起方向的高速流淌，可使粉末吸附的气体逸散，粉末表面的起始氧化膜在确定程度上被击穿，使粉末得以净化、活化；始氧化膜在确定程度上被击穿，使粉末得以净化、活化；由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生，在粉末颗粒未接触部由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生，在粉末颗粒未接触部位产生的放电热，以及粉末
10、颗粒接触部位产生的焦耳热，都位产生的放电热，以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热，都大大促进了粉末颗粒原子的扩散，其扩散系数比通常热压条大大促进了粉末颗粒原子的扩散，其扩散系数比通常热压条件下的要大得多，从而达到粉末烧结的快速化件下的要大得多，从而达到粉末烧结的快速化;ON-OFFON-OFF快速脉冲的加入，使粉末内的放电部位及焦耳发热部快速脉冲的加入，使粉末内的放电部位及焦耳发热部件，都会快速移动，使粉末的烧结能够匀整化。使脉冲集中件，都会快速移动，使粉末的烧结能够匀整化。使脉冲集中在晶粒结合处是在晶粒结合处是SPSSPS过程的一个特点。过程的一个特点。等离子放电烧结等离子放电烧结特点：特点：非
11、导电粉中难以有电流通过，因此非导电粉中难以有电流通过，因此SPSSPS难以对非导电粉难以对非导电粉体的进行烧结体的进行烧结SPSSPS过程中，颗粒之间放电时，会瞬时产生高达几千度过程中，颗粒之间放电时，会瞬时产生高达几千度至上万度的局部高温，在颗粒表面引起蒸发和熔化，至上万度的局部高温，在颗粒表面引起蒸发和熔化，在颗粒接触点形成颈部，由于热量马上从发热中心传在颗粒接触点形成颈部，由于热量马上从发热中心传递到颗粒表面和向四周扩散，颈部快速冷却而使蒸汽递到颗粒表面和向四周扩散，颈部快速冷却而使蒸汽压低于其他部位。压低于其他部位。气相物质凝合在颈部形成高于一般烧结方法的蒸发气相物质凝合在颈部形成高于
12、一般烧结方法的蒸发-凝凝固传递是固传递是SPSSPS过程的另一个重要特点。过程的另一个重要特点。晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用，体扩散、晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用，体扩散、晶界扩散都得到加强，加速了烧结致密化过程，因此晶界扩散都得到加强，加速了烧结致密化过程，因此用较低的温度和比较短的时间可得到高质量的烧结体。用较低的温度和比较短的时间可得到高质量的烧结体。SPSSPS过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。用的结果。等离子放电烧结等离子放电烧结放电等离子烧结的中间过程和现象特别困难，科学家放电等离子烧结的中间过程和
13、现象特别困难，科学家们对们对SPSSPS的烧结过程建立了模型的烧结过程建立了模型 非导电材料非导电材料(Al(Al2 2O O3 3)SPS)SPS烧结时计算的温度分布和热流分布烧结时计算的温度分布和热流分布 温度分布温度分布热流分布热流分布等离子放电烧结等离子放电烧结导电粉体与非导电粉体粉末接触点的计算温度导电粉体与非导电粉体粉末接触点的计算温度非导电（非导电（AlAl2 2O O3 3）和导电（）和导电（CuCu）材料计算的径向温度分布）材料计算的径向温度分布 等离子放电烧结等离子放电烧结等离子体烧结技术的适用范围：等离子体烧结技术的适用范围：纳米材料：纳米材料：传统的热压烧结、热等静压等
14、方法制备纳米材料，很传统的热压烧结、热等静压等方法制备纳米材料，很难保证晶粒的纳米尺寸，又达到完全致密的要求。利难保证晶粒的纳米尺寸，又达到完全致密的要求。利用用SPSSPS技术，因其加热快速，合成时间短，可明显抑制技术，因其加热快速，合成时间短，可明显抑制晶粒粗化。利用晶粒粗化。利用SPSSPS技术，因其加热快速，合成时间短，技术，因其加热快速，合成时间短，可明显抑制晶粒粗化。可明显抑制晶粒粗化。利用利用SPSSPS能快速降温这一特点来限制烧结过程的反应历能快速降温这一特点来限制烧结过程的反应历程，避开一些不必要的反应发生，这就可能使粉末中程，避开一些不必要的反应发生，这就可能使粉末中的缺陷
15、和亚结构在烧结后的块体材料中得以保留，在的缺陷和亚结构在烧结后的块体材料中得以保留，在更广泛的意义上说，这一点有利于合成介稳材料，特更广泛的意义上说，这一点有利于合成介稳材料，特殊有利于制备纳米材料。殊有利于制备纳米材料。等离子放电烧结等离子放电烧结梯度功能材料：梯度功能材料：梯度功能材料是一种组成在某个方向上梯度分布的复合材料，梯度功能材料是一种组成在某个方向上梯度分布的复合材料，各层的烧结温度不同，利用传统的烧结方法难以一次烧成。各层的烧结温度不同，利用传统的烧结方法难以一次烧成。利用利用CVD,PVDCVD,PVD等方法制备梯度材料，成本很高，也很难实现等方法制备梯度材料，成本很高，也很
16、难实现工业化生产。通过工业化生产。通过SPSSPS技术可以很好地克服这一难点。技术可以很好地克服这一难点。SPSSPS可以制造陶瓷可以制造陶瓷/金属、聚合物金属、聚合物/金属以及其他耐热梯度、耐金属以及其他耐热梯度、耐磨梯度、硬度梯度、导电梯度、孔隙度梯度等材料。梯度层磨梯度、硬度梯度、导电梯度、孔隙度梯度等材料。梯度层可到可到1010多层，实现烧结温度的梯度分布。多层，实现烧结温度的梯度分布。电磁材料：接受电磁材料：接受SPSSPS技术还可以制作技术还可以制作SiGeSiGe，PbTePbTe，BiTeBiTe，FeSiFeSi，CoSb3CoSb3等体系的热电转化元件，以及广泛用于电子领域
17、的各等体系的热电转化元件，以及广泛用于电子领域的各种功能材料，如超导材料、磁性材料、靶材、介电材料、贮种功能材料，如超导材料、磁性材料、靶材、介电材料、贮氢材料、形态记忆材料、固体电池材料、光学材料等。氢材料、形态记忆材料、固体电池材料、光学材料等。等离子放电烧结等离子放电烧结金属间化合物：金属间化合物具有常温脆性和高熔点，因此金属间化合物：金属间化合物具有常温脆性和高熔点，因此制备或生产须要特殊的过程。利用熔化法（电火花熔化、电制备或生产须要特殊的过程。利用熔化法（电火花熔化、电阻熔化、感应熔化等）制备金属间化合物往往须要高能量、阻熔化、感应熔化等）制备金属间化合物往往须要高能量、真空系统，
18、而且须要进行对其二次加工（锻造）。利用真空系统，而且须要进行对其二次加工（锻造）。利用SPSSPS技技术准备金属间化合物，因为有效利用了颗粒间的自发热作用术准备金属间化合物，因为有效利用了颗粒间的自发热作用和表面活化作用，可实现低温、快速烧结，所以和表面活化作用，可实现低温、快速烧结，所以SPSSPS技术为制技术为制备金属间化合物的一种有效方法。目前，利用备金属间化合物的一种有效方法。目前，利用SPSSPS技术已制备技术已制备的金属间化合物体系有：的金属间化合物体系有：Ti-AlTi-Al体系、体系、Mo-SiMo-Si体系、体系、Ni-AlNi-Al体系体系等。等。高致密度、细晶粒陶瓷和金属
19、陶瓷：在高致密度、细晶粒陶瓷和金属陶瓷：在SPSSPS过程中，样品中每过程中，样品中每一个粉末颗粒及其相互间的空隙本身都可能是发热源。用通一个粉末颗粒及其相互间的空隙本身都可能是发热源。用通常方法烧结时所必需的传热过程在常方法烧结时所必需的传热过程在SPSSPS过程中可以忽视不计。过程中可以忽视不计。因此烧结时间可以大为缩短，烧结温度也明显降低。对于制因此烧结时间可以大为缩短，烧结温度也明显降低。对于制备高密度、细晶粒陶瓷，备高密度、细晶粒陶瓷，SPSSPS是一种很有优势的烧结手段。是一种很有优势的烧结手段。等离子放电烧结等离子放电烧结其他材料：其他材料：SPSSPS技术也已成功地应用于金属基
20、复合材料、非晶技术也已成功地应用于金属基复合材料、非晶合金、生物材料、超导材料和多孔材料等各种新材料的制备，合金、生物材料、超导材料和多孔材料等各种新材料的制备，并获得了较为优异的性能。同时，并获得了较为优异的性能。同时，SPSSPS在硬质合金的烧结，多在硬质合金的烧结，多层金属粉末的同步连接（层金属粉末的同步连接（bondingbonding）、陶瓷粉末和金属粉末的）、陶瓷粉末和金属粉末的连接以及固体连接以及固体-粉末粉末-固体的连接方面也已有了广泛的应用。固体的连接方面也已有了广泛的应用。等离子放电烧结等离子放电烧结等离子体放电烧结工艺等离子体放电烧结工艺 产生单轴向压力产生单轴向压力的加
21、压系统的加压系统等离子体烧结设备一般组成等离子体烧结设备一般组成脉冲电流发生器脉冲电流发生器电阻加热系统电阻加热系统等离子放电烧结等离子放电烧结放电等离子烧结系统示意图放电等离子烧结系统示意图1.1.上电极上电极 2.2.上压头上压头 3.3.粉末粉末 4.4.下压头下压头 5.5.下电极下电极 6.6.模具模具等离子放电烧结等离子放电烧结特点：特点：SPSSPS利用直流脉冲电流干脆通电烧结的加压烧结方法，利用直流脉冲电流干脆通电烧结的加压烧结方法，通过调整脉冲直流电的大小限制升温速率和烧结温度。整个通过调整脉冲直流电的大小限制升温速率和烧结温度。整个烧结过程可在真空环境下进行，也可在爱护气氛
22、中进行。烧烧结过程可在真空环境下进行，也可在爱护气氛中进行。烧结过程中，脉冲电流干脆通过上下压头和烧结粉体或石墨模结过程中，脉冲电流干脆通过上下压头和烧结粉体或石墨模具，因此加热系统的热容很小，升温顺传热速度快，从而使具，因此加热系统的热容很小，升温顺传热速度快，从而使快速升温烧结成为可能快速升温烧结成为可能可用于短时间、低温、高压（可用于短时间、低温、高压（500MPa1000MPa500MPa1000MPa）可用于低压（可用于低压（20MPa30MPa20MPa30MPa）、高温（）、高温（10000C20000C10000C20000C）致密度可以达到致密度可以达到90%90%以上以上等
23、离子放电烧结等离子放电烧结等离子体烧结技术的工艺流程：在进行具体的试验操作时，将试等离子体烧结技术的工艺流程：在进行具体的试验操作时，将试样装入石墨模具中，模具置于上下电极之间，通过油压系统加压，样装入石墨模具中，模具置于上下电极之间，通过油压系统加压，然后对腔体抽真空，达到要求的真空度后通入脉冲电流。脉冲电然后对腔体抽真空，达到要求的真空度后通入脉冲电流。脉冲电流干脆施加于导电模具和样品上，通过样品及间隙的部分电流激流干脆施加于导电模具和样品上，通过样品及间隙的部分电流激活晶粒表面，在孔隙间局部放电，产生等离子体，粉末颗粒表面活晶粒表面，在孔隙间局部放电，产生等离子体，粉末颗粒表面被活化、发
24、热，同时，通过模具的部分电流加热模具，使模具起被活化、发热，同时，通过模具的部分电流加热模具，使模具起先对试样传热，试样温度上升，起先收缩，产生确定的密度，并先对试样传热，试样温度上升，起先收缩，产生确定的密度，并随着温度的上升而增大，直至达到烧结温度后收缩结束，致密度随着温度的上升而增大，直至达到烧结温度后收缩结束，致密度达到最大。达到最大。等离子放电烧结等离子放电烧结等离子体烧结工艺参数的限制：等离子体烧结工艺参数的限制：烧结气氛：烧结气氛对样品烧结的影响很大（真空烧烧结气氛：烧结气氛对样品烧结的影响很大（真空烧结状况除外），合适的气氛将有助于样品的致密化结状况除外），合适的气氛将有助于样
25、品的致密化 在氧气气氛下，由于氧被烧结物表面吸附或发生化学在氧气气氛下，由于氧被烧结物表面吸附或发生化学反应作用，使晶体表面形成正离子缺位型的非化学计反应作用，使晶体表面形成正离子缺位型的非化学计量化合物，正离子空位增加，同时使闭口气孔中的氧量化合物，正离子空位增加，同时使闭口气孔中的氧可干脆进入晶格，并沿表面进行扩散和烧结加速。当可干脆进入晶格，并沿表面进行扩散和烧结加速。当烧结由正离子扩散限制时，氧化气氛或氧分压较高并烧结由正离子扩散限制时，氧化气氛或氧分压较高并有利于正离子空位形成，促进烧结；由负离子扩散限有利于正离子空位形成，促进烧结；由负离子扩散限制时，还原气氛或较低的氧分压将导致氧
26、离子空位产制时，还原气氛或较低的氧分压将导致氧离子空位产生并促进烧结。生并促进烧结。在氢气气氛下烧结样品时，由于氢原子半径很小，易在氢气气氛下烧结样品时，由于氢原子半径很小，易于扩散并有利于闭口气孔的消退，氧化铝等类型的材于扩散并有利于闭口气孔的消退，氧化铝等类型的材料于氢气气氛下烧结可得到接近于理论密度的烧结体料于氢气气氛下烧结可得到接近于理论密度的烧结体样品。样品。等离子放电烧结等离子放电烧结烧结温度：烧结温度是等离子快速烧结过程烧结温度：烧结温度是等离子快速烧结过程中一个关键的参数之一中一个关键的参数之一烧结温度的确定要考虑烧结体样品在高温下烧结温度的确定要考虑烧结体样品在高温下的相转变
27、、晶粒的生长速率、样品的质量要的相转变、晶粒的生长速率、样品的质量要求以及样品的密度要求。一般状况下，随着求以及样品的密度要求。一般状况下，随着烧结温度的上升，试样致密度整体呈上升趋烧结温度的上升，试样致密度整体呈上升趋势，这说明烧结温度对样品致密度程度有明势，这说明烧结温度对样品致密度程度有明显的影响，烧结温度越高，烧结过程中物质显的影响，烧结温度越高，烧结过程中物质传输速度越快，样品越简洁密实。传输速度越快，样品越简洁密实。但是，温度越高，晶粒的生长速率就越快，但是，温度越高，晶粒的生长速率就越快，其力学性能就越差。而温度太低，样品的致其力学性能就越差。而温度太低，样品的致密度就很低，质量
28、达不到要求。温度与晶粒密度就很低，质量达不到要求。温度与晶粒大小之间的冲突在温度的选择上要求一个合大小之间的冲突在温度的选择上要求一个合适的参数。适的参数。等离子放电烧结等离子放电烧结保温时间：延长烧结温度下的保温时间，一保温时间：延长烧结温度下的保温时间，一般都会不同程度地促进烧结完成，完善样品般都会不同程度地促进烧结完成，完善样品的显微结构，这对粘性流淌机理的烧结较为的显微结构，这对粘性流淌机理的烧结较为明显，而对体积扩散和表面扩散机理的烧结明显，而对体积扩散和表面扩散机理的烧结影响较小。在烧结过程中，一般保温仅影响较小。在烧结过程中，一般保温仅1分分钟时，样品的密度就达到理论密度的钟时，
29、样品的密度就达到理论密度的96.5%以上，随着保温时间的延长，样品的致密度以上，随着保温时间的延长，样品的致密度增大，但是变更范围不是很大，说明保温时增大，但是变更范围不是很大，说明保温时间对样品的致密度虽然有确定的影响，但是间对样品的致密度虽然有确定的影响，但是作用效果不是很明显。但不合理地延长烧结作用效果不是很明显。但不合理地延长烧结温度下的保温时间，晶粒在此时间内急剧长温度下的保温时间，晶粒在此时间内急剧长大，加剧二次重结晶作用，不利于样品的性大，加剧二次重结晶作用，不利于样品的性能要求，而时间太短会引起样品的致密化下能要求，而时间太短会引起样品的致密化下降，因此须要选择合适的保温时间。
30、降，因此须要选择合适的保温时间。等离子放电烧结等离子放电烧结升温速率：时间升温速率的加快，使得样品升温速率：时间升温速率的加快，使得样品在很短的时间内达到所要求的温度，晶粒的在很短的时间内达到所要求的温度，晶粒的生长时间会大大削减，这不仅有利于抑制晶生长时间会大大削减，这不仅有利于抑制晶粒的长大，得到大小匀整的细晶粒陶瓷，还粒的长大，得到大小匀整的细晶粒陶瓷，还能节约时间、节约能源以及提高烧结设备的能节约时间、节约能源以及提高烧结设备的利用率。但是，由于设备本身的限制，升温利用率。但是，由于设备本身的限制，升温速率过快对设备会造成破坏性影响。因此在速率过快对设备会造成破坏性影响。因此在可允许的
31、范围内尽可能的的加快升温速率。可允许的范围内尽可能的的加快升温速率。但是，在实测的试验数据中反映到。与烧结但是，在实测的试验数据中反映到。与烧结温度和保温时间不同，升温速率对样品致密温度和保温时间不同，升温速率对样品致密度的影响显示出相反的结果，即随着升温速度的影响显示出相反的结果，即随着升温速率的增大，样品致密度表现粗化渐渐下降的率的增大，样品致密度表现粗化渐渐下降的趋势，有学者提出这是因为在烧结温度旁边趋势，有学者提出这是因为在烧结温度旁边升温速率的提高相当于缩短了保温时间，因升温速率的提高相当于缩短了保温时间，因而样品致密度会有所下降。而样品致密度会有所下降。等离子放电烧结等离子放电烧结
32、在实际的高温烧结过程中，升温过程一般分为三个阶段，在实际的高温烧结过程中，升温过程一般分为三个阶段，分别为从室温至分别为从室温至600600左右、左右、600600至至900900左右、左右、900900至至烧结温度：烧结温度：第一阶段是准备阶段，升温速率相对比较缓慢；第一阶段是准备阶段，升温速率相对比较缓慢；其次阶段是可控的快速升温阶段，升温速率一般限制在其次阶段是可控的快速升温阶段，升温速率一般限制在100500(/min)100500(/min)；第三阶段是升温的缓冲阶段，该阶段温度缓慢升至烧结温第三阶段是升温的缓冲阶段，该阶段温度缓慢升至烧结温度，保温时间一般是度，保温时间一般是171
33、7分钟，保温后随炉冷却，冷却速分钟，保温后随炉冷却，冷却速率可达率可达300/min300/min。等离子放电烧结等离子放电烧结压力：压力对烧结的影响主要表现为素坯成压力：压力对烧结的影响主要表现为素坯成型压力和烧结时的外压力。从烧结和固相反型压力和烧结时的外压力。从烧结和固相反应机理简洁理解，压力越大，样品中颗粒积应机理简洁理解，压力越大，样品中颗粒积累就越紧密，相互的接触点和接触面积增大累就越紧密，相互的接触点和接触面积增大烧结被加速。这样能使样品得到更好的致密烧结被加速。这样能使样品得到更好的致密度，并能有效的抑制晶粒长大和降低烧结温度，并能有效的抑制晶粒长大和降低烧结温度。因此选择的压
34、力一般为度。因此选择的压力一般为3050MPa3050MPa（试验（试验允许的最大值）。不过有探讨表明，当烧结允许的最大值）。不过有探讨表明，当烧结时外压力为时外压力为30MPa30MPa和和50MPa50MPa时，样品的致密度时，样品的致密度相差并不大，这说明致密度随压力增大的现相差并不大，这说明致密度随压力增大的现象仅在确定范围内较为明显象仅在确定范围内较为明显以上说明，烧结温度、保温时间、升温速率以上说明，烧结温度、保温时间、升温速率构成了影响烧结体微观组织的主要因素。其构成了影响烧结体微观组织的主要因素。其中烧结温度和保温时间对烧结体微观组织影中烧结温度和保温时间对烧结体微观组织影响最
35、为显著，升温速率次之，烧结过程中压响最为显著，升温速率次之，烧结过程中压力对样品的微观组织的影响最小。力对样品的微观组织的影响最小。等离子体电弧等离子体电弧利用气体放电方法利用气体放电方法a.密闭真空玻璃管密闭真空玻璃管,两端安装电极两端安装电极b.OA段段(非自持放电非自持放电):增加电压增加电压,电流无明显增加电流无明显增加,电流来自于宇宙射线电流来自于宇宙射线和自然放射线引起的粒子电离和自然放射线引起的粒子电离c.AB段段(自持放电自持放电):电流增加与电压无关电流增加与电压无关,电子从电场获得能量电子从电场获得能量,与原子碰与原子碰撞撞,产生二次电子产生二次电子,被电场加速被电场加速,
36、再发生新碰撞再发生新碰撞,使电流雪崩式增加使电流雪崩式增加d.BC段段(辉光放电辉光放电):正离子被电场加速正离子被电场加速,撞击阴极所至撞击阴极所至e.CD段段(电弧放电电弧放电):电流增加电流增加,电离度急剧增加电离度急剧增加,DE段几乎完全电离段几乎完全电离等离子体电弧等离子体电弧分子温度与电离度的关系分子温度与电离度的关系利用热致电离方法利用热致电离方法氢的电离度与温度的关系氢的电离度与温度的关系温度低于温度低于0.5eV,0.5eV,电离度低温度上升电离度低温度上升,电离度急剧上升电离度急剧上升等离子弧及其发生器等离子弧及其发生器电弧特性电弧特性英国化学家戴维英国化学家戴维(Hump
37、hry Davy)约于约于18101811年间年间,首次点燃首次点燃并视察了电弧并视察了电弧装置组成装置组成:直流电流直流电流,两个石墨电极两个石墨电极,一个可变电阻一个可变电阻等离子弧及其发生器等离子弧及其发生器弧柱区弧柱区:高温高温:5000K-50000K:5000K-50000K等离子体态物质等离子体态物质,压降匀整压降匀整电流电流:I=Ie+Ii:I=Ie+Ii Ie:Ie:电子电流电子电流 Ii:Ii:离子电流离子电流电子速度远大于离子速度电子速度远大于离子速度,Ie/I99.9%,Ie/I99.9%阴极压降：阴极表面积累着大阴极压降：阴极表面积累着大量从电弧中被电离出来的正离量从
38、电弧中被电离出来的正离子形成子形成阳极压降：阳极表面积累着电阳极压降：阳极表面积累着电弧中被电离出来的电子形成弧中被电离出来的电子形成电弧的电压分布电弧的电压分布等离子弧及其发生器等离子弧及其发生器阴极区阴极区热放射型阴极热放射型阴极:高熔点高熔点,高沸点材料如碳高沸点材料如碳,钨等材料钨等材料电子流依靠阴极加热产生热放射供应电子流依靠阴极加热产生热放射供应电场放射型阴极电场放射型阴极:热放射不足以供应电子热放射不足以供应电子阴极旁边正离子过剩阴极旁边正离子过剩,产生正离子聚焦区产生正离子聚焦区,宽度为宽度为10-610-7cm,场强可达场强可达107108V/cm新的场强导致了场致放射新的场
39、强导致了场致放射等离子型阴极等离子型阴极热阴极材料热阴极材料,中等电流中等电流,压力较低压力较低阴极前面有亮的球形区域阴极前面有亮的球形区域,温度可高达温度可高达100000C电流密度可高达电流密度可高达104A/cm等离子弧及其发生器等离子弧及其发生器阳极区阳极区正离子电流约点总电流的正离子电流约点总电流的0.1%0.1%电子流与阳极间产生阳极压降电子流与阳极间产生阳极压降,使电子被加速使电子被加速加速电子与中性原子撞击加速电子与中性原子撞击,产生阳离子产生阳离子阳极区的宽度阳极区的宽度10-210-3cm10-210-3cm最小电压原理最小电压原理2020世纪世纪3030年头年头,斯延倍克
40、斯延倍克(Steenbeck)(Steenbeck)提出弧压最小值原理提出弧压最小值原理:给给定电流和边界条件的状况下定电流和边界条件的状况下,稳定电弧的载流区存在稳定的弧稳定电弧的载流区存在稳定的弧柱半径或温度柱半径或温度,使弧柱的电场强度最小使弧柱的电场强度最小+-e+轴线式等离子发生器中的电弧轴线式等离子发生器中的电弧轴线式等离子发生器中的分流轴线式等离子发生器中的分流分流是指弧柱与器壁之间或弧柱自身不同部位之间发生的不同分流是指弧柱与器壁之间或弧柱自身不同部位之间发生的不同程度的电击穿现象程度的电击穿现象轴线式等离子发生器的结构轴线式等离子发生器的结构轴线式等离子发生器中的电弧轴线式等
41、离子发生器中的电弧电弧电压的分析电弧电压的分析U=UE+0l(t)E(l)dl U电弧电压电弧电压,UE阳极电压和阴极阳极电压和阴极电压之和电压之和,E(l)电场强度电场强度,l(t)电弧的电弧的瞬间长度瞬间长度3代表击穿电压代表击穿电压U*沿沿z轴变更轴变更,气流进气流进入弧室后入弧室后,沿途受到电弧加热沿途受到电弧加热,温度上温度上升升,导致导致U*沿沿z轴方向递减轴方向递减当当E(l)为常量时为常量时,电弧电位沿电弧电位沿z轴方向轴方向呈直线状态分布呈直线状态分布假定端面假定端面O点为正极点为正极,器壁为负极器壁为负极时间时间t1时时,瞬间电弧电位按曲线瞬间电弧电位按曲线1分布分布,曲线
42、上全部点电位小于曲线上全部点电位小于U*,不能产生不能产生击穿击穿时间时间t2时时,曲线曲线2与与U*产生交点产生交点,构成构成击穿条件击穿条件,产生击穿产生击穿,电弧电弧ABE消逝消逝,新的电弧新的电弧DEC形成形成形成周期脉动形成周期脉动电弧的压缩效应电弧的压缩效应机械压缩效应机械压缩效应:当弧柱电流增大时当弧柱电流增大时,电弧的横截面电弧的横截面会增大会增大,使能量密度和温度难以进使能量密度和温度难以进一步提高一步提高,假如使电弧通过确定孔假如使电弧通过确定孔径的喷嘴径的喷嘴,则弧柱受到孔道限制则弧柱受到孔道限制,无无法随意扩张法随意扩张,使弧柱的直径小于孔使弧柱的直径小于孔道直径道直径
43、,提高了弧柱的能量密度提高了弧柱的能量密度两个平板沿电弧平行方向放置后两个平板沿电弧平行方向放置后,平板间电弧电位梯度平板间电弧电位梯度,随板间距增随板间距增加而减小加而减小;喷嘴直径的变大导致电喷嘴直径的变大导致电位梯度的减小位梯度的减小减小孔道直径减小孔道直径,增加孔径长度都可增加孔径长度都可以提高压缩效果以提高压缩效果,使能量密度提高使能量密度提高电弧的压缩效应电弧的压缩效应热压缩效应热压缩效应,也称为流体压缩效应也称为流体压缩效应:对喷嘴进行液体冷却对喷嘴进行液体冷却,使沿喷嘴壁流过的气体不易被电离使沿喷嘴壁流过的气体不易被电离,形成一形成一个套层个套层,使电弧扩张受到限制使电弧扩张受
44、到限制干脆用流体对电弧进行压缩干脆用流体对电弧进行压缩a)机械压缩机械压缩;b)旋转气流冷却旋转气流冷却;c)径向气流冷却径向气流冷却;d)切向流水冷却切向流水冷却自磁压缩效应自磁压缩效应:把弧柱看成很多载流导线束把弧柱看成很多载流导线束,电流同向电流同向,导电束彼此导电束彼此吸引吸引,形成指向轴心的力场形成指向轴心的力场,称为自磁压缩称为自磁压缩自磁压缩效应与电流平方成正比自磁压缩效应与电流平方成正比电弧等离子体发生器基本结构电弧等离子体发生器基本结构基本构成基本构成:阴极阴极,阳极阳极,气体气体阴极与阳极间形成电弧阴极与阳极间形成电弧气体流淌导致电弧的周期性跳动气体流淌导致电弧的周期性跳动
45、气体流淌把高温等离子体吹出形成等离子体射流气体流淌把高温等离子体吹出形成等离子体射流等离子弧切割等离子弧切割等离子弧切割方法等离子弧切割方法常规等离子弧切割常规等离子弧切割:气体主要为气体主要为Ar(或或Ar+H2),N2,熔化切割熔化切割,切口切口宽度稍大宽度稍大,主要用于切割碳素钢以外的金属，切口会生成主要用于切割碳素钢以外的金属，切口会生成0.25-3.18mm厚的熔化层厚的熔化层,但在惰性气体中凝固但在惰性气体中凝固,不变更切口化学成分不变更切口化学成分,不影响金属性能不影响金属性能空气等离子弧切割空气等离子弧切割:利用空气作为切割气体利用空气作为切割气体优点：氧气与铁发生反应放出大量
46、的热优点：氧气与铁发生反应放出大量的热,提高切割速度提高切割速度.缺点缺点:空气中的氮溶入材料切口空气中的氮溶入材料切口,氮气孔的主要来源氮气孔的主要来源切割铝材和不诱钢时切割铝材和不诱钢时,会在表面产生严峻氧化会在表面产生严峻氧化钨极在高温有氧条件下氧化速度极快钨极在高温有氧条件下氧化速度极快,运用寿命以秒来计算运用寿命以秒来计算,只能只能运用锆运用锆,铪或其合金电极铪或其合金电极等离子弧切割等离子弧切割水射流等离子弧切割水射流等离子弧切割:靠水射流进一步压缩惰性气体或氧气等靠水射流进一步压缩惰性气体或氧气等离子射流离子射流,来获得高切割效率的方法来获得高切割效率的方法,水的吸热实力远大于气
47、水的吸热实力远大于气体体,产生更强的压缩效应产生更强的压缩效应,离子弧温度可高达离子弧温度可高达500000C等离子弧切割等离子弧切割氧等离子弧切割氧等离子弧切割:接受氧气作为接受氧气作为切割介质切割介质,可以明显提高切割低可以明显提高切割低碳钢的速度和质量碳钢的速度和质量,但易造成切但易造成切口氧化和电极氧化口氧化和电极氧化水下等离子弧切割水下等离子弧切割:切割材料浸切割材料浸于水下于水下880mm水层水层,等离子切等离子切割枪的前端也浸在水中割枪的前端也浸在水中.切割前切割前先用气枪把枪体中的水完全排先用气枪把枪体中的水完全排出出,并用气体或水幕使枪口与被并用气体或水幕使枪口与被切割表面形
48、成空腔切割表面形成空腔,再引燃电弧再引燃电弧,进行切割进行切割,切割速度比常规慢切割速度比常规慢1020%,功率增加功率增加1020%等离子弧切割工艺等离子弧切割工艺等离子弧切割质量的评价指标等离子弧切割质量的评价指标切口宽度切口宽度:一般在一般在0.156mm之间之间,切口宽度比喷嘴孔径大切口宽度比喷嘴孔径大10-40%表面粗糙度表面粗糙度:等离子弧切割口的粗糙度低于火焰切割等离子弧切割口的粗糙度低于火焰切割,但高于激但高于激光切割光切割切口棱边的方形度切口棱边的方形度:该指标通常用垂直度该指标通常用垂直度U来表示来表示,U(14%板板厚厚)热影响区的宽度热影响区的宽度:等离子弧的热影响宽度
49、在等离子弧的热影响宽度在0.3mm左右左右,水下切水下切割更小割更小挂渣量挂渣量等离子弧切割工艺等离子弧切割工艺等离子弧切割工艺参数的选择等离子弧切割工艺参数的选择切割电流切割电流:即切割实力即切割实力,确定了切割厚度确定了切割厚度和切割速度和切割速度厚度不变时厚度不变时,电流增大电流增大,切割速度加大切割速度加大,同时电弧直径也会加大同时电弧直径也会加大电流大，喷嘴热负荷增大电流大，喷嘴热负荷增大,寿命变短寿命变短切割速度切割速度:不同的材料和厚度不同的材料和厚度,切割速度切割速度通常有一个最佳的范围通常有一个最佳的范围切割电流不变时切割电流不变时,切割速度随板厚度的切割速度随板厚度的增加而
50、减小增加而减小切割速度过高时切割速度过高时,切缝中的射流不能快切缝中的射流不能快速将熔化的切割体吹走速将熔化的切割体吹走,形成挂渣形成挂渣,质量质量下降下降速度过慢速度过慢,切口变宽切口变宽,切口两侧熔融的材切口两侧熔融的材料会在底缘聚焦并凝固料会在底缘聚焦并凝固切割速度切割速度VSVS板厚板厚等离子弧切割工艺等离子弧切割工艺喷嘴高度喷嘴高度:喷嘴高度增加后喷嘴高度增加后,电流变更很小电流变更很小,弧长增加导致电弧弧长增加导致电弧电压增大电压增大,使电弧功率提高使电弧功率提高;同时暴露在环境中的弧长增加同时暴露在环境中的弧长增加,弧弧柱能量损失增大柱能量损失增大.两者同时影响切割实力两者同时影