升溫速率對放電等離子燒結鐵粉致密化的影響

劉曉軍，袁鐵錘，李瑞迪，曾凡浩，劉廣宏

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升溫速率對放電等離子燒結鐵粉致密化的影響

劉曉軍，袁鐵錘，李瑞迪，曾凡浩，劉廣宏

(中南大學粉末冶金國家重點實驗室，長沙410083)

選用球型霧化鐵粉為典型材料，在溫度1075 ℃、壓力40 MPa、保溫時間5 min和脈沖8：2的條件下，以不同升溫速率(10，30，50，70和90 K/min)進行放電等離子燒結，對燒結體的致密度、微觀組織以及致密化動力學等進行分析，研究升溫速率對SPS鐵粉致密化的影響。結果表明：粉末的SPS致密化過程與傳統(tǒng)熱壓類似，燒結初期致密化速率較大；然后隨溫度升高，致密化速率加快；燒結后期致密度大幅提高，但由擴散蠕變控制的致密化過程受到晶粒長大的影響，最終致密度趨于穩(wěn)定。由于保溫時間較短，材料的致密度隨升溫速率提高而減小。提高升溫速率能有效抑制樣品與模具接觸而發(fā)生的滲碳行為。

放電等離子燒結；升溫速率；致密化機理；鐵粉；燒結組織

放電等離子燒結(spark plasma sintering, SPS)具有升溫速率快，燒結溫度低，致密化時間短等優(yōu)點，廣泛應用于各種材料的制備，如純金屬、合金、金屬間化合物，陶瓷材料，以及各種復合材料[1?2]。近年來，國內外在SPS技術方面開展了大量研究，取得了矚目的成就[3?9]，但對SPS機理的認識落后于其技術發(fā)展。如SPS工藝中可控參數(shù)較多(如升溫速率和脈沖電流模式)，特別是升溫速率的可調節(jié)范圍較廣(最高達400 K/min)，但有關升溫速率對SPS致密化及力學性能等影響的報道較少，且存在爭議。SHONGWE等[10]研究表明放電等離子燒結Fe-Ni合金的致密度與升溫速率(50~100 ℃/min)密切相關，在升溫速率為50℃/ min時致密度最高。而STANCI等[11]采用放電等離子燒結Al2O3和MoSi2時，在50~700 ℃/min之間升溫速率對這2種材料的致密度都沒有影響；同時發(fā)現(xiàn)Al2O3的晶粒尺寸與升溫速率具有一定關系，但MoSi2的最終晶粒尺寸不受升溫速率影響。ZHOU等[12]的研究表明，在50~300 ℃/min范圍內，升溫速率對氧化鋁的最終致密度沒有明顯影響。YE等[13]認為升溫速率對放電等離子燒結亞微米級氧化鋯粉末的致密度沒有明顯影響，但提高升溫速率會降低納米粉末的燒結致密度。以上文獻相對獨立地研究了升溫速率對幾種陶瓷材料SPS的影響，并且尚未得出一般規(guī)律，對金屬材料SPS影響的研究較少。本文以球形鐵基粉末為典型材料，在不同升溫速率下進行放電等離子燒結，研究其致密化過程與機理。研究結果可為金屬粉末的SPS工藝參數(shù)設定提供實驗及理論根據(jù)。

1 實驗

1.1 放電等離子燒結

采用霧化鐵粉作為原料，粉末粒度＜74 μm，純度為99.2%。鐵粉的化學成分列于表1，其中含少量的合金化元素。

表1 霧化鐵粉的化學成分

利用德國生產的FCT D25/3型放電等離子燒結設備對霧化鐵粉進行燒結，圖1所示為SPS模具示意圖。將金屬鐵粉置于模具中(通常為石墨模具)，通過石墨模具的上、下模沖施加壓力并通脈沖直流電升溫。燒結溫度1075 ℃，壓力40 MPa，升溫速率分別為10，30，50，70和90 K/min。為了降低保溫過程對結果的影響，保溫時間不宜過長，確定為5 min。整個燒結過程中樣品處于真空環(huán)境。采用紅外測溫手段測定燒結爐內的溫度，SPS設備自動記錄SPS過程中模沖的軸向位移。

采用排水法測量SPS樣品的密度；用德國Leica/ MeF3A型光學顯微鏡觀察燒結樣品的表面形貌；用美國FEI公司生產的Quanta FEG 250型場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡觀察燒結樣品腐蝕后的截面形貌。樣品表面由于滲碳的原因碳含量較高，故通過線切割方式獲得截面，截面經過拋光處理后再用含4%硝酸的硝酸酒精溶液進行腐蝕；采用日本理學D/max 2550型X射線衍射分析儀對燒結樣品的物相組成進行分析，測試參數(shù)為：Cu靶Kα輻射，石墨單色器進行濾波，特征波長為=0.154 nm，電壓40 kV，掃描步長0.02°，電流100 mA，掃描速度1 (°)/min，衍射角(2)范圍為20°~80°，為防止由于石墨滲碳對結果產生影響，檢測前對樣品表面進行磨平和拋光處理。

圖1 放電等離子燒結模具示意圖

2 結果與分析

2.1 致密度

圖2所示為不同升溫速率條件下SPS鐵制品的相對密度，圖3所示為SPS樣品的金相組織。由圖2和圖3可見，在10~100 K/min升溫速率下，所有樣品均較致密，但沒獲得全致密的樣品；在10 K/min的升溫速率下獲得最大相對密度98.45%，隨升溫速率增加，燒結制品的相對密度下降。

圖2 升溫速率對SPS樣品相對密度的影響

圖3 不同升溫速率條件下SPS樣品的表面形貌

2.2 致密化過程

根據(jù)SPS設備記錄的SPS過程中不同時刻壓頭的位移，得到粉末樣品燒結過程中每一時刻的收縮量。圖4所示為在90 K/min升溫速率條件下，鐵粉的溫度與收縮量(即壓頭位移)隨燒結時間的變化關系。

從圖4可看出，鐵粉的SPS過程大致可分為4個階段:第1階段(Ⅰ)為系統(tǒng)的加壓階段，隨時間延長，壓力增大，粉末收縮，直到壓力增加至指定值，壓坯停止收縮；第2階段(Ⅱ)為低溫預燒階段，在這一階段，軸向壓力不變，體系溫度較低，壓坯有輕微收縮。由于SPS過程中采用紅外測溫手段進行溫度測定，紅外測溫儀不能對400 ℃以下的溫度進行測量，所以400 ℃以下的溫度曲線為水平直線，實際上是在升溫；第3階段(Ⅲ)溫度快速上升，直至達到指定燒結溫度，此階段內壓坯收縮極為明顯，并達到較高的致密度；第4階段(Ⅳ)為保溫階段，壓坯進一步收縮，但收縮速率比第3階段(Ⅲ)緩慢。從圖4還看出，壓坯在第2階段向第3階段的過渡點b處發(fā)生明顯收縮，b點對應的溫度為555 ℃，這是由于升溫過程中金屬粉末的塑性隨溫度升高而增強，達到一定溫度時粉末的塑性明顯提高。

圖4 90 K/min升溫速率下溫度和壓頭位移隨時間的變化

為了進一步研究SPS過程中粉末的致密化過程與致密化機理，對上述第3和第4階段進行進一步分析。根據(jù)文獻[14]，SPS過程中樣品的厚度與致密度的關系如下：

式中：D為SPS樣品在燒結過程中任意時刻的致密度；D為最終致密度；h為樣品在任意時刻的厚度(可根據(jù)壓頭的位移計算)；h為樣品的最終厚度。利用式(1)可計算出SPS過程中任意時刻樣品的致密度。值得注意的是，粉末是放置在石墨模具中進行加熱的，由于系統(tǒng)測量的壓頭位移包括整個燒結體系的厚度變化，因此石墨隨溫度升高而產生的膨脹直接影響通過壓頭位移計算的粉末實際收縮量的準確性。為了獲得更加準確的樣品收縮量曲線，需要對石墨的膨脹進行矯正。方法是石墨模具中不添加任何粉末，對一整套石墨模具進行空燒，空燒工藝參數(shù)與實際SPS燒結工藝相同。圖5所示為石墨膨脹的位移曲線。

圖5 SPS過程中的石墨膨脹曲線

Fig.5 The of graphite during SPS expansion curve

圖5中A階段壓頭的位移是由位于石墨模具上、下壓頭之間的石墨紙在壓力作用下收縮導致的，B階段壓頭位移隨溫度上升不斷減小直至變?yōu)樨摂?shù)，對應于石墨模具隨溫度升高的膨脹程度。因此，可根據(jù)石墨模具的膨脹曲線，對同等工藝條件下鐵粉SPS過程中的位移曲線進行矯正，再根據(jù)校正后的位移，利用式(1)計算SPS過程中任意時刻樣品的致密度，從而得到較準確的致密度隨時間的變化曲線，如圖6(a)所示。圖6(b)所示為在90 K/min升溫速率條件下，溫度與樣品致密度隨時間的變化曲線。

圖6(b)中ac段為升溫階段，cd段為保溫階段?？梢娫谡麄€升溫過程中樣品的致密度隨時間延長不斷增大，但增大速率不斷變化，對ac段每一時刻的致密化速率進行計算，得到圖7所示致密度變化速率d/d隨時間的變化曲線。從圖7可看出，在ab段d/d的值先增加后減小，該階段處于低溫階段，粉末的致密化是金屬粉末熱塑性及顆粒重排共同作用的結果；在隨后的bc段，致密化速率也是先增大后減小，其原因是在一定壓力下，溫度升高有利于粉末顆粒表面的原子遷移，且加劇塑性流動與脈沖放電的耦合性，促使燒結頸的形成，從而實現(xiàn)快速致密化，但隨致密度提高，樣品中孔隙減少，因而致密化速率減??；在cd段內樣品孔隙極少，由擴散或者擴散控制的蠕變導致致密度略有增加。

圖6 SPS過程中鐵粉的燒結致密化曲線

圖7 90 K/min條件下SPS過程中樣品的致密化速率隨時間的變化

SPS工藝與熱壓過程類似，可看成是一種特殊加熱方式下的熱壓，因此可用熱壓理論對SPS過程進行分析。在熱壓中前期，粉末體在壓力與溫度的共同作用下，其致密度與時間的關系可用Murray熱壓方程[15]表述：

式中：為相對密度；為壓力；為粉末粘度；=ln[1/(1?0)]。從式(2)可知ln(1/(1?))與時間成線性關系。由于本文著重研究升溫速率對致密度的影響，而且為了避免由于顆粒重排導致計算復雜化，因此只對圖6(b)中的bc段進行擬合，并根據(jù)實驗結果，以ln(1/(1?))為縱坐標，時間為橫坐標，得到圖8(a)所示的關系曲線。從圖8(a)可看出，與Murray熱壓方程一致，SPS過程中l(wèi)n(1/(1?))與時間同樣成線性關系。通過類似分析得到不同升溫速率下ln(1/(1?))與時間的關系曲線，如圖8(b)所示，進而得到不同升溫速率下的關系式：

10 K/min: ln(1/(1?))=1.134+0.0013

30 K/min: ln(1/(1?))=1.354+0.0036

50 K/min: ln(1/(1?))=1.327+0.0056

70 K/min: ln(1/(1?))=1.279+0.0060

90 K/min: ln(1/(1?))=1.322+0.0085

由上述關系式看出，在SPS鐵粉升溫階段的后期，任意升溫速率下的致密度隨時間的變化關系符合Murray方程，即ln(1/(1?))與時間成線性關系；從圖8(b)看出升溫速率對粉末體升溫階段的致密化速率有很大影響：在升溫階段，升溫速率越大，粉體的致密化速率越大，相應地，樣品升溫所需的時間更短，而溫度、壓力及SPS工藝特有的電場作用的持續(xù)時間對樣品的最終致密度有重要影響，該試驗結果與SHONGWE等[10]關于升溫速率影響樣品致密度的結論一致。

圖8 ln(1/(1?ρ))與時間t的關系曲線

2.3 組織與形貌

圖9所示為不同升溫速率下SPS樣品的剖面經腐蝕后的SEM形貌以及能譜分析，圖10所示為燒結樣品的XRD譜。從圖9可看出，當升溫速率較小時，接近表面的區(qū)域形成少量針狀組織(圖9(a)中的A組織)，而中間區(qū)域則未發(fā)現(xiàn)該針狀組織，結合圖9(d)所示的能譜分析結果可知，該針狀組織中含1.68%的C元素及少量雜質元素Si。從圖10可知SPS樣品主要為α-Fe，存在微量Fe3C相，未發(fā)現(xiàn)其它相，因此圖9(a)中的針狀組織應為SPS過程中鐵粉與石墨模具接觸發(fā)生滲碳后形成的珠光體組織[16]，而樣品剖面的中間區(qū)域(未滲碳區(qū)域)則只有α-Fe相。從圖9(b)和(c)看出，隨升溫速率提高，因滲碳而生成的Fe3C相減少，這是由于高升溫速率條件下燒結周期縮短，減少了燒結過程中的滲碳行為。

圖9 不同升溫速率下SPS樣品的SEM形貌與A點的能譜分析

圖10 鐵粉及其在不同升溫速率下SPS后的XRD譜

3 結論

1) 對霧化鐵粉進行放電等離子燒結(SPS)時，隨升溫速率增大，燒結樣品的致密度降低。

2) 在SPS過程的中期，升溫速率越大，致密化速率越快，但由于升溫時間縮短，保溫時間也較短，導致最終致密度反而減小。在燒結中期，粉末的SPS致密化規(guī)律與熱壓工藝類似，致密化過程適用于Murry熱壓方程：ln[1/(1?)]=3P/4+C，即致密度的對數(shù)與時間成線性關系。

3) 提高升溫速率可有效抑制SPS過程中鐵粉因與石墨模具接觸而發(fā)生的滲碳行為，有利于粉末的燒結(縮短燒結周期)，但在保溫時間較短的條件下，過高的升溫速率會降低燒結致密度。

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(編輯 湯金芝)

Effect of heating rate on densification process of iron powder sintered by spark plasma sintering

LIU Xiaojun, YUAN Tiechui, LI Ruidi, ZENG Fanhao, LIU Guanghong

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

The effects of heating rate on densification process of metal powders were investigated by using atomized iron powders as raw material. The heating rate was ranged from 10 K/min to 90 K/min. During the SPS process, the samples were sintered for 5 min under the condition of 1075 ℃ and 40 MPa. Then the density, microstructure and densification kinetics of polished samples were observed and analyzed. The results show that the densification process of SPS is similar to that of heating pressing process. In the initial stage of sintering, the densification rate of powders is relatively high, and then the sintered sample obtains a high relative density with increasing the temperature. In the final stage, due to the relative density close to the theoretical density and diffusion creep limited by grown grain crystal, the relative density obtained a saturated value. When the holding time is short, the relative density decreases with increasing the heating rate, and also the high heating rate can limit the carburization behavior due to the contact of samples to graphite.

spark plasma sintering; heating rate; densification mechanism; iron powders; sintering microstructure

TG141

A

1673-0224(2017)02-177-07

國家自然科學基金資助項目(51474245, 51571214)

2016?03?08；

2016?05?19

袁鐵錘，教授，博士。電話：0731-88877322；E-mail: tiechuiyuan@csu.edu.cn