Жидкофазное спекание

Жидкофазное спекание — это метод спекания , в котором жидкая фаза используется для ускорения межчастичного соединения твердой фазы. В дополнение к быстрой первоначальной перегруппировке частиц из-за капиллярных сил, перенос массы через жидкость обычно на несколько порядков быстрее, чем через твердое тело, что усиливает диффузионные механизмы, которые приводят к уплотнению. ^[1] Жидкую фазу можно получить либо путем смешивания разных порошков — плавления одного компонента или образования эвтектики — либо путем спекания при температуре между ликвидусом и солидусом . Кроме того, поскольку более мягкая фаза обычно плавится первой, полученная микроструктура обычно состоит из твердых частиц в пластичной матрице, что увеличивает ударную вязкость хрупкого компонента. ^[2] Однако спекание в жидкой фазе по своей сути менее предсказуемо, чем спекание в твердой фазе, из-за сложности, добавляемой наличием дополнительных фаз и высокой скоростью затвердевания. Активированное спекание является твердотельным аналогом процесса жидкофазного спекания.

Процесс

Исторически жидкофазное спекание использовалось для обработки керамических материалов, таких как глиняный кирпич , фаянс и фарфор . Современное жидкофазное спекание было впервые применено в 1930-х годах для таких материалов, как твердые сплавы (например, WC-Co ) для режущих инструментов, пористая латунь (Cu-Sn) для безмасляных подшипников и тяжелые вольфрамовые сплавы (W-Ni-Cu). , но теперь находит применение в самых разных областях: от суперсплавов до стоматологической керамики и конденсаторов . ^[2]^[3] Жидкофазное спекание происходит в три перекрывающихся этапа.

Перестановка

Два порошка, основу и добавку, смешивают и прессуют в неспеченную прессовку. Затем неспеченную прессовку нагревают до температуры, при которой образуется жидкость; типичны объемные доли жидкости 5-15%. ^[3] Капиллярная сила, возникающая вследствие смачивания твердых частиц жидкостью, быстро втягивает жидкость в межчастичные пустоты и заставляет частицы перестраиваться. Смачиваемость описывается углом смачивания , $\theta$ , которую можно представить как разность относительных поверхностных энергий между твердым телом, жидкостью и паром ( $S$ , $L$ , $V$ , соответственно):

$\theta =\arccos \left({\frac {\gamma _{SV}}{\gamma _{LV}}}-{\frac {\gamma _{SL}}{\gamma _{LV}}}\right)$

Низкие углы контакта указывают на хорошую смачиваемость и приводят к капиллярной силе, стягивающей прессовку. Высокие углы смачивания указывают на плохую смачиваемость, что приводит к компактному набуханию. ^[3] Смачиваемость можно улучшить путем легирования или повышения температуры, а также этому способствуют мелкие частицы правильной формы и однородная неспеченная прессовка. Чрезвычайно эффективным подходом является непосредственное покрытие порошков компонентом, образующим жидкость, что позволяет жидкой фазе образовываться непосредственно на границах частиц. ^[3] Однако компоненты могут «оседать» или деформироваться, если на этом этапе образуется слишком много жидкости. Стадия перегруппировки протекает очень быстро, причем большая часть уплотнения происходит в течение трех минут после образования расплава. ^[2]

Раствор-переосаждение

По мере устранения пористости и замедления перегруппировки диффузионные механизмы, аналогичные тем, которые присутствуют при диффузионной ползучести , становятся доминирующими и изменяют размеры и форму частиц порошка. Эти механизмы протекают через растворение твердого вещества в жидкой фазе, диффузию через жидкость и переосаждение; следовательно, растворимость и диффузия твердого вещества в жидкости контролируют скорость этих процессов. Процесс роста зерна или укрупнения частиц называется оствальдовским созреванием и происходит потому, что более мелкие зерна более растворимы в жидкости, чем более крупные. Результирующий градиент концентрации заставляет материал диффундировать через жидкость, вызывая рост более крупных зерен за счет более мелких зерен. Изменение формы происходит аналогично; В процессе, называемом «сплющиванием контакта», твердое вещество преимущественно растворяется в областях с высоким капиллярным давлением (т.е. там, где частицы расположены близко друг к другу) и переосаждается в других местах. Таким образом, две изогнутые поверхности, находящиеся в непосредственной близости, со временем сплющиваются. Изменение формы также может быть вызвано анизотропия поверхностной энергии твердого тела и/или различия в величинах межфазных энергий твердого тела и твердого тела и жидкости. Эти изменения формы позволяют зернам упаковываться более плотно, что еще больше устраняет пористость и уплотняет прессовку. Ранние модели переосаждения из раствора демонстрируют, что скорость уплотнения можно увеличить за счет повышения температуры, уменьшения размера зерен и увеличения растворимости твердого вещества в жидкости. ^[3]

Окончательное уплотнение

На заключительном этапе уплотнение замедляется еще больше, поскольку компактная ткань укрепляется по мере роста шейки и формирования твердой скелетной микроструктуры. Этот режим обычно лучше всего описывается классическим твердофазным спеканием. Перегруппировка тормозится, но укрупнение продолжает происходить за счет диффузии. Кроме того, поры, содержащие захваченный газ, могут расширяться до достижения порового давления. $P_{pore}$ , сбалансирован относительно поверхностной энергии жидкость-пар. Для сферических пор диаметром $d_{pore}$ , это описано

$P_{pore}={\frac {4\gamma _{LV}}{d_{pore}}}$

где $\gamma _{LV}$ – энергия границы раздела жидкость/пар. ^[3] Как правило, из-за огрубления и расширения пор длительное время на этом конечном этапе приводит к ухудшению свойств прессовок.

Характеристики

Обычно жидкая фаза затвердевает в непрерывную пластичную матрицу, которая окружает более твердые и хрупкие частицы. Механические свойства обычно являются основной проблемой спеченных компонентов, которые представляют собой композит, в котором твердая фаза обеспечивает прочность, а матрица обеспечивает ударную вязкость. Механические свойства во многом определяются остаточной пористостью, но в полностью плотных компонентах доминирующим фактором является микроструктура, образующаяся в результате спекания. В первом приближении многие механические свойства, такие как твердость и модуль упругости , могут быть связаны с объемной долей каждой фазы, причем правило смесей дает верхнюю границу, а обратное правило смесей дает нижнюю границу. Механические свойства при высоких температурах обычно контролируются поведением ползучести матрицы из-за ее более низкой температуры плавления. Таким образом, оптимизация свойств может быть затруднена, поскольку уменьшение объемной доли матрицы улучшает поведение ползучести, но может отрицательно повлиять на поведение при спекании. Для высокотемпературных материалов обычно используется вариант процесса, называемый «спеканием в переходной жидкой фазе», при котором жидкость хорошо растворима в твердой фазе и исчезает с течением времени. ^[2]

См. также

Спекание

Ссылки

^ Зовас, ЧП; немецкий, РМ; Хван, Канзас; Ли, CJ (январь 1983 г.). «Активное и жидкофазное спекание – прогресс и проблемы». Журнал металлов . 35 (1): 28–33. дои : 10.1007/BF03338181 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Герман, РМ (1985). Жидкофазное спекание . Бостон, Массачусетс: Springer US. ISBN 978-1-4899-3601-1 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж немецкий, РМ; Сури, П.; Парк, SJ (январь 2009 г.). «Обзор: жидкофазное спекание» . Журнал материаловедения . 44 (1): 1–39. Бибкод : 2009JMatS..44....1G . дои : 10.1007/s10853-008-3008-0 .

[Zovas_1983-1] Зовас, ЧП; немецкий, РМ; Хван, Канзас; Ли, CJ (январь 1983 г.). «Активное и жидкофазное спекание – прогресс и проблемы». Журнал металлов . 35 (1): 28–33. дои : 10.1007/BF03338181 .

[German_1985-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Герман, РМ (1985). Жидкофазное спекание . Бостон, Массачусетс: Springer US. ISBN 978-1-4899-3601-1 .

[German_2009-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж немецкий, РМ; Сури, П.; Парк, SJ (январь 2009 г.). «Обзор: жидкофазное спекание» . Журнал материаловедения . 44 (1): 1–39. Бибкод : 2009JMatS..44....1G . дои : 10.1007/s10853-008-3008-0 .

[1]

[2]

[3]