高比重鎢合金放電等離子燒結(jié)工藝是通過(guò)脈沖電流快速加熱粉末，并在壓力作用下實(shí)現(xiàn)材料快速致密化的技術(shù)。整個(gè)過(guò)程主要包括粉末準(zhǔn)備、裝模燒結(jié)及后處理幾個(gè)步驟。放電等離子燒結(jié)工藝的核心優(yōu)勢(shì)在于效率高，通常只需10~20分鐘即可完成，比傳統(tǒng)方法節(jié)能一半以上。由于加熱速度快、高溫時(shí)間短，能有效抑制晶粒長(zhǎng)大，該工藝使最終獲得的合金組織細(xì)小，強(qiáng)度和硬度更好。放電等離子燒結(jié)工藝的實(shí)際效果主要受燒結(jié)溫度與時(shí)間、粉末特性以及施加的壓力這三個(gè)因素影響，通過(guò)調(diào)整這些工藝參數(shù)，可以靈活控制材料的性能，以滿足不同應(yīng)用需求。
一、高比重鎢合金的放電等離子燒結(jié)工藝基本原理
高比重鎢合金的放電等離子燒結(jié)工藝（Spark Plasma Sintering，簡(jiǎn)稱SPS），其核心原理是利用脈沖直流大電流來(lái)快速實(shí)現(xiàn)材料的致密化。具體來(lái)說(shuō)，放電等離子燒結(jié)的基本原理可以歸納為以下三點(diǎn)。
1.表面活化與清潔
電流在通過(guò)導(dǎo)電模具或粉末自身時(shí)，會(huì)在顆粒接觸點(diǎn)附近形成很強(qiáng)的局部電場(chǎng)，并產(chǎn)生瞬間高溫。這個(gè)高溫能夠有效清除粉末顆粒表面的氧化層和吸附的雜質(zhì)，起到凈化和活化表面的作用，從而顯著降低了后續(xù)燒結(jié)過(guò)程所需要的能量。
2.快速加熱機(jī)制
放電等離子燒結(jié)工藝的加熱速度極快，能夠迅速將材料升至燒結(jié)溫度，這種快速的加熱方式，可以縮短材料在高溫下的停留時(shí)間，從而有效抑制晶粒的長(zhǎng)大和粗化，有利于最終獲得晶粒細(xì)小、組織均勻的高比重鎢合金材料。
3.多場(chǎng)耦合效應(yīng)
放電等離子燒結(jié)工藝過(guò)程并非單一的加熱，而是在施加脈沖電流的同時(shí)，同步對(duì)粉末施加較高的單軸壓力。這種壓力、電流與自身產(chǎn)生的焦耳熱共同構(gòu)成了多場(chǎng)協(xié)同作用的環(huán)境。在壓力與電場(chǎng)的共同促進(jìn)下，粉末顆粒更容易發(fā)生重排、局部塑性變形以及原子擴(kuò)散，從而大幅加快材料的致密化進(jìn)程。
二、高比重鎢合金的放電等離子燒結(jié)工藝流程
1.原料準(zhǔn)備
粉末選擇
需要選用高純度的鎢粉，同時(shí)搭配納米級(jí)的粘結(jié)相粉末，例如鎳、鐵或銅等，這些粘結(jié)相的粒徑通?？刂圃?0~100nm。粉末的粒度分布要盡量集中，且純度要高，這樣才能保證材料在燒結(jié)時(shí)活性充足，最終形成的顯微組織也更為均勻。
混合工藝
為了保證不同組分混合均勻，一般會(huì)采用高能球磨或超聲分散的方法。在球磨過(guò)程中，有時(shí)需要加入少量過(guò)程控制劑，比如硬脂酸，以避免細(xì)小的粉末顆粒發(fā)生團(tuán)聚。
干燥處理
混合好的粉末需要進(jìn)行干燥處理，例如放置在60℃的真空干燥箱中，以徹底去除混合過(guò)程中可能殘留的溶劑或水分，為后續(xù)燒結(jié)做好準(zhǔn)備。
2.燒結(jié)致密化
在高比重鎢合金的放電等離子燒結(jié)工藝中，要實(shí)現(xiàn)良好的燒結(jié)致密化，需要控制好以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。
在裝模設(shè)計(jì)上，通常會(huì)使用高強(qiáng)度的石墨模具，模具內(nèi)徑一般在10~50mm的范圍內(nèi)。為了防止燒結(jié)后樣品與模具粘連，需要在模具內(nèi)壁襯上一層石墨紙。裝填粉末時(shí)，要把粉末盡量鋪勻、壓實(shí)，這樣在加壓時(shí)應(yīng)力才能均勻分布。
燒結(jié)需要在保護(hù)氣氛下進(jìn)行。一般是高真空或者通入惰性氣體，主要目的是避免金屬在高溫下氧化。
具體的燒結(jié)程序分為三個(gè)階段。首先是升溫階段，升溫時(shí)速度很快，每分鐘能達(dá)到100~300℃，直接升到預(yù)設(shè)燒結(jié)溫度。到達(dá)溫度后，就會(huì)進(jìn)入保溫階段，此時(shí)會(huì)維持30~50 MPa的壓力，并保溫1~10分鐘，但實(shí)際操作中通常不超過(guò)5分鐘。最后是冷卻階段，樣品隨爐冷卻，降溫速率控制在每分鐘20~50℃，直到降至室溫。
放電等離子燒結(jié)工藝能讓材料快速致密，主要靠的是脈沖電流的作用。電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的局部等離子體以及焦耳熱效應(yīng)，共同促進(jìn)了粉末顆粒之間接觸區(qū)域的快速熔結(jié)和物質(zhì)擴(kuò)散，從而在很短時(shí)間內(nèi)完成致密化過(guò)程。
3.后處理
高比重鎢合金完成放電等離子燒結(jié)后，還需要經(jīng)過(guò)后續(xù)處理來(lái)達(dá)到最終要求。首先要進(jìn)行脫模與清理，需要先將試樣從石墨模具中小心取出，由于高溫?zé)Y(jié)后表面可能附著石墨殘留，所以一般會(huì)采用噴砂或化學(xué)清洗的方法進(jìn)行處理，以確保工件表面潔凈。為進(jìn)一步提升材料的性能，有時(shí)候還需要進(jìn)行熱處理優(yōu)化。如果材料內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，或者對(duì)致密度有更高要求，可安排退火處理，一般是在1000~1200℃下保溫1~2小時(shí)。對(duì)于一些關(guān)鍵部件，有時(shí)還會(huì)采用熱等靜壓技術(shù)進(jìn)行后處理，以有效減少材料內(nèi)部的微小孔隙，進(jìn)一步提升其綜合性能。
三、高比重鎢合金的放電等離子燒結(jié)的關(guān)鍵影響因素
高比重鎢合金的放電等離子燒結(jié)工藝成品的質(zhì)量受幾個(gè)關(guān)鍵因素制約。
燒結(jié)溫度與時(shí)間是基礎(chǔ)，它們直接決定了高比重鎢合金的致密程度和內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)。溫度不夠高或者燒結(jié)時(shí)間太短，材料就難以完全壓實(shí)，而溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，又會(huì)造成晶粒尺寸變大，從而削弱材料的力學(xué)性能。
粉末本身的特性也至關(guān)重要。粉末顆粒的大小、形狀以及不同尺寸的分布情況，都會(huì)改變其在燒結(jié)時(shí)的反應(yīng)活性和致密化行為。比如采用納米尺度的粉末，或者事先經(jīng)過(guò)高能球磨處理的粉末，通常能夠在更低的溫度下實(shí)現(xiàn)燒結(jié)，并且獲得更高的材料密度。
除了上述兩點(diǎn)外，燒結(jié)過(guò)程中施加的壓力是一個(gè)重要變量。合適的壓力能夠有效促使粉末顆粒重新排布，并增強(qiáng)材料在高溫下的塑性變形和蠕變能力，這些機(jī)制都能顯著加快材料致密化的速度。
四、高比重鎢合金的放電等離子燒結(jié)工藝的優(yōu)勢(shì)
高比重鎢合金采用的放電等離子燒結(jié)工藝，對(duì)比傳統(tǒng)方法，主要體現(xiàn)出下面幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。
一是在效率和節(jié)能上提升明顯。整個(gè)燒結(jié)過(guò)程很快，通常10~20分鐘就能完成，相比過(guò)去可能需要一兩個(gè)小時(shí)的液相燒結(jié)，時(shí)間大幅縮短，整體能耗也能降低一半以上。
二是做出來(lái)的材料性能通常更好。經(jīng)過(guò)放電等離子燒結(jié)工藝制備的高比重鎢合金，在強(qiáng)度、硬度這些關(guān)鍵指標(biāo)上往往更出色，綜合力學(xué)性能更有保障。
三是對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的控制力更強(qiáng)。因?yàn)闊Y(jié)時(shí)間短、溫度相對(duì)較低，可以有效地抑制鎢晶粒在燒結(jié)過(guò)程中過(guò)度長(zhǎng)大，同時(shí)，能讓鎳、鐵等粘結(jié)相保持比較細(xì)小的納米級(jí)分布，這樣不僅細(xì)化了晶粒，也增強(qiáng)了晶界和相界面的結(jié)合效果。
四是工藝調(diào)整起來(lái)比較靈活。在實(shí)際操作中，可以通過(guò)改變粉末的成分配比，或者調(diào)整放電等離子燒結(jié)工藝的壓力、溫度、時(shí)間這些具體參數(shù)，來(lái)有針對(duì)性地調(diào)節(jié)最終產(chǎn)品的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能。這樣一來(lái)，就能更好地適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)材料提出的特定要求。
