CN115502401A - 一种耦合加热的粉末冶金场辅助烧结装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合加热的粉末冶金场辅助烧结装置，包括成型箱体、成型模具***、动力***、电流输入***、以及感应加热***，其中所述成型箱体为能够实现可控气氛环境的密封箱体；所述成型模具***，放置于所述成型箱体内部，用于材料制备成型；所述感应加热***，用于在材料制备过程中对材料进行加热，其中，所述电流输入***与所述感应加热***二者按照控制策略作用于材料制备成型过程，使材料制备过程中电流和温度可控。本装置可有效控制材料制备所涉及到的工艺参数，进而能够根据稳定的压力、合理的电流、适当的温度耦合作用，设计出特定性能的材料。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金制备工艺设备，尤其涉及一种粉末冶金场辅助烧结装置。
背景技术
在材料制备工艺中，粉末冶金可以制备出难熔金属、硬质合金、陶瓷等一系列高性能材料，还可以容易地实现多种类型材料的复合，以及生产铸造工艺无法生产的一些材料，同时可以实现近净形成和自动化批量生产。
粉末冶金工艺常涉及的工序有：制粉、混粉、预成形、烧结、后处理等。
一般采用有压烧结(热压、热等静压等)对粉体进行致密化，相对于传统烧结，以获得高致密、晶粒细小、组织均匀的材料。然而，这种低温长时间的烧结，一方面不利于合金组织均质化；另一方面高温长时间烧结必然导致晶粒的长大。
目前，制备难固结粉体材料已多采用场辅助烧结技术(FAST)，即利用脉冲直流电流的电流场和轴向外加载荷的应力场使粉体在低温快速致密化。
在FAST致密化过程中，增大升温速率(≥100℃/min)时，可以有效地避免材料晶粒的长大，且有利于其组织均匀化。另外，施加于粉体上的外加载荷，在低温时可以促进粉体的位移和重排；在高温下可以促进物质扩散和塑性流动，均有利于粉体的致密化。
采用FAST固结粉体时，烧结温度的高低受限于脉冲直流电流，当电流恒定时，烧结温度无法进一步提升；烧结温度提高时，电流值需要上升到更高水平，对使用条件有更为严苛的要求。
发明内容
本发明的目的在于一种耦合加热的粉末冶金场辅助烧结装置，破除以往烧结设备中加热温度受电流数值的限制，使烧结温度与电流大小解耦。
为此，本发明提供了一种耦合加热的粉末冶金场辅助烧结装置，包括成型箱体、成型模具***、动力***、电流输入***、以及感应加热***，其中所述成型箱体，为能够实现可控气氛环境的密封箱体；所述成型模具***，放置于所述成型箱体内部，用于材料制备成型；所述动力***，用于在材料制备成型过程中为材料致密化提供压力；所述电流输入***，用于在材料制备成型过程中为材料内部电子迁移提供驱动力；所述感应加热***，用于在材料制备过程中对材料进行加热，其中，所述电流输入***与所述感应加热***二者按照控制策略作用于材料制备成型过程，使材料制备过程中电流和温度可控。
进一步地，上述成型箱体设置有内部保温层，该内部保温层将所述成型模具***环裹，实现热量集中，保证材料制备的温度环境均匀稳定。
上述内部保温层材质选优为不锈钢或陶瓷隔热层，可将所述成型模具***包裹，最大限度阻挡成型模具***的热辐射，形成一个团聚的能量腔体，使热量集中，保证样品的温度环境始终处于可控的条件下，使材料制备的过程按照实际设计进行，保证材料制备的温度环境的均匀性、准确性和稳定性。
进一步地，上述成型模具***包括电极上压头、石墨上模、材料成型板、石墨下模、以及电极下压头，所述材料成型板设置有上下贯穿的模具腔。其中，模具腔作为材料制备的关键部位，对于材料施加压力、电流及控制烧结温度等条件，可充分实现耦合作用效果，最终实现制备高致密、组织均匀、晶粒细小的材料。
进一步地，上述动力***携带所述成型模具***的电极上压头和/或电极下压头移动，为材料致密化提供动力。如此样品在电流、压力及感应加热的耦合作用下制备结构致密、组织均匀、晶粒细小、综合性能优异的材料。
进一步地，上述电流输入***具有电流调节功能，其流经所述成型模具***内部的电流可调节。
当对制备的材料保持恒定电流，改变烧结温度时，可借助感应加热***的配合提升总体烧结温度；当对制备材料样品保持恒定温度时，改变流经材料的电流值，可借助感应加热***与电流加热的双场耦合作用实现温度恒定；调控电流加热与感应加热的配合，可以进一步提升烧结温度，总体实现材料组织结构设计。
进一步地，上述感应加热***包括感应加热线圈、移动装置及连接架，所述移动装置用于携带感应线圈上下移动，所述感应线圈以环绕的形式覆盖所述成型模具***。
本感应加热***的感应线圈放置于移动装置上，自动化程度高，可快速完成使材料样品脱离加热源的过程，为材料烧结的工艺流程提供更好的保证，为实现材料性能的提升奠定基础。
进一步地，上述迁移装置还用于带动感应加热线圈与所述成型模具***瞬时脱离或重合。如此保证了感应加热作用的即时性。
进一步地，上述控制策略选自：恒定电流制备材料样品、恒定温度制备材料样品、或者恒定温度及恒定电流变化梯度下制备材料样品。
进一步地，上述成型箱体的可控气氛环境包括真空和保护气氛，所述保护气氛包括氮气气氛和惰性气体气氛。
进一步地，上述粉末冶金场辅助烧结装置为科学试验装置。
本发明装置采用电流与感应加热同时作用于材料，可以打破粉末材料烧结过程中的局限；当流经样品的电流数值达到设定值时，可通过感应线圈的辅助加热作用进而改变烧结温度，使电流与温度的关系不再相互制约。
采用本装置，可有效控制材料制备所涉及到的工艺参数，实现稳定的压力、合理的电流、适当的温度耦合作用，设计出特定性能的材料。
本装置解决了以往设备中特定烧结温度无法改变电流或者特定电流无法改变烧结温度的限制，实现烧结温度不再依赖于电流而实时可控，同时，实现提升最大烧结参数(温度、升温速率)极值点。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的粉末冶金场辅助烧结装置的***组成示意图。以及
图2为本发明的粉末冶金场辅助烧结装置的成型模具***及感应加热***的结构配合示意图；
图3为本发明的粉末冶金场辅助烧结装置的成型模具***的内部结构示意图；
图4为本发明的粉末冶金场辅助烧结装置的感应加热线圈引线由成型箱体底壁引出的示意图；
图5为本发明的粉末冶金场辅助烧结装置的工程应用示意图。
附图标记：
1-电流输入***；2-动力***；3-成型箱体；31-内部保温层；32-过孔；4-感应加热***；5-成型模具***；41-感应加热线圈；411-引线；42-移动装置；43-连接架；51-电极上压头；52-石墨上模；53-材料成型板；531-模具腔；54-石墨下模；55-电极下压头；6-波纹管；7-波纹管。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
考虑到烧结温度与电流数值均对材料的显微组织有较大的影响，双向制约材料的制备过程，在现有的FAST材料制备设备中，材料性能改善受到极大的限制。
本发明提供了一种耦合加热的粉末冶金场辅助烧结装置，破除以往烧结设备中加热温度受电流数值的限制，使电流大小与烧结温度解耦，不再互相制约。
实施例一
结合参照图1至图3，本实施例的粉末冶金场辅助烧结装置包括电流输入***1、动力***2、成型箱体3、感应加热***4、以及成型模具***5。
所述成型模具***5放置于所述成型箱体3内，成型模具***5上下两端具有电极压头，上下两个电极压头与成形箱体3的上下两端贴合，在保证气密性的前提下可以实现成型模具***5与成形箱体3能够相对运动。
电流输入***1与所述成型模具***5的上下两电极压头连通，所述感应加热***4可将所述成型模具的模具腔环绕，所述动力***2与所述成型模具***5上端电极压头接触，在对成型模具***5施加压力的状态下，电流与感应线圈通过耦合作用制备材料样品。
成型箱体3设置有内部保温层31，内部保温层31将所述成型模具***5的模具腔环裹，内部保温层31最大限度阻挡成型模具***5的热辐射，形成一个团聚的能量腔体，使热量集中，保证样品的温度环境始终处于可控的条件下，使制备材料样品的过程按照实际设计的进程开展，保证制备材料样品的温度环境的精准度。
成型模具***5包括依次设置的电极上压头51、石墨上模52、材料成型板53、石墨下模54、以及电极下压头55。该材料成型板53设置有上下贯穿的模具腔531，石墨上模52和石墨下模54自上下两端伸入模具腔531中，粉末在压力、电流、感应加热耦合作用下，通过控制特定工艺参数，在模具腔531内制备具有较高性能的材料样品。
感应加热***4包括感应加热线圈41、移动装置42及连接架43，所述移动装置42可携带感应线圈41上下移动，所述感应线圈41以环绕的形式覆盖所述模具腔，当通过控制工艺参数制备样品时，移动装置42可携带感应加热线圈41脱离所述模具腔，实现所制备的样品烧结温度呈梯度下降。
移动装置42例如电动推杆等设置在成型箱体3的外部，由于成型箱体3内的温度过高，置放在外部可避免高温影响。此时感应加热线圈41的引线伸出成型箱体3外，并作运动密封处理。
电流输入***1可调节流经所述成型模具***内部的电流大小。在材料制备时，通过调节电流，实现材料内部粒子按照特定途径进行迁移，同时电流的焦耳热作用可实现对模具腔内材料的加热过程。
感应加热***4可实现对所述模具腔内部材料的加热过程，移动装置42可使感应加热线圈41与所述模具腔快速脱离，停止所述成型模具内部样品的加热过程。
动力***2可带动所述电极上压头51使模具腔内部的样品在压力的辅助作用下逐步致密化。
实施例二
本实施例的粉末冶金场辅助烧结装置用于恒定电流制备材料样品，该装置包括成型箱体3、成型模具***5、动力***2、电流输入***1及感应加热***4。
成型箱体3，为可实现真空环境的密封箱体，作为制样的内部腔体。
成型模具***5，放置于所述成型箱体3内部，用于材料制备成型。
动力***2，与所述成型模具***5上下两端对接，并与所述成形箱体3保持密封，为样品成型提供压力。
电流输入***1，与所述成型模具***5连通，为材料内部电子迁移提供动力。
感应加热***4，可将所述成型模具***环绕，为材料提供热能。
所述电流输入***1、感应加热***4与所述动力***2共同作用于成型模具***5，借助电流、压力、高温的耦合作用，通过智能调控，制备组织均匀、结构稳定的样品。
感应加热***4的感应线圈环绕成型模具***5中材料成型板的模具腔，感应线圈工作时直接实现对样品的加热过程，此时，可实现压力、电流及感应加热三场耦合的作用效果。
当对制备材料保持恒定电流I0时，改变烧结温度，将材料的原位温度按照特定规律从T1、T2、T3.......依次提升至Tn，在特定电流下，研究样品的实际显微组织及性能概况，构建温度与材料显微组织的关系，量化研究温度对材料组织与性能的影响。
实施例三
本实施例的粉末冶金场辅助烧结装置用于恒定温度制备材料样品，该装置包括成型箱体3、成型模具***5、动力***2、电流输入***1、以及感应加热***4。
成型箱体3，为可实现氩气氛围的密封箱体，作为制样的内部腔体。
成型模具***5，放置于所述成型箱体3内部，用于材料制备成型。
动力***2，与所述成型模具***5上下两端对接，并与所述成形箱体3保持密封，为样品成型提供压力。
电流输入***1，与所述成型模具***连通，为样品内部电子迁移提供动力。
感应加热***4，可将所述成型模具***环绕，为材料样品提供热能。
所述电流输入***1、感应加热***4与所述动力***2共同作用于成型模具***5，借助电流、压力、高温的耦合作用，通过智能调控，制备组织均匀、结构稳定的样品。
感应加热***4的感应线圈环绕成型模具***5中样品成型板的模具腔，感应线圈工作时直接实现对样品的加热过程，此时，可实现压力、电流及感应加热三向耦合的作用效果。
当对制备材料保持恒定温度T0时，借助感应加热***与电流加热的双向耦合作用实现温度恒定，仅改变烧结样品的电流，将电流值从I1、I2......提升至In，即解耦电流和温度的关系，研究样品的实际显微组织及性能概况，构建电流与材料显微组织的关系，量化研究电流对材料组织与性能的影响。
实施例四
本实施例的粉末冶金场辅助烧结装置用于恒定温度及恒定电流变化梯度下制备材料样品，该装置包括成型箱体3、成型模具***5、动力***2、电流输入***1、以及感应加热***4。
成型箱体3，为可实现氮气氛围的密封箱体，作为制样的内部腔体。
成型模具***5，放置于所述成型箱体3内部，用于材料制备成型。
动力***2，与所述成型模具***5上下两端对接，并与所述成形箱体3保持密封，为样品成型提供压力。
电流输入***1，与所述成型模具***连通，为样品内部电子迁移提供动力。
感应加热***4，可将所述成型模具***环绕，为材料样品提供热能。
所述电流输入***1、感应加热***4与所述动力***2共同作用于成型模具***5，借助电流、压力、高温的耦合作用，通过智能调控，制备组织均匀、结构稳定的样品。
感应加热***4的感应线圈环绕成型模具***5中样品成型板的模具腔，感应线圈工作时直接实现对样品的加热过程，此时，可实现压力、电流及感应加热三向耦合的作用效果。
当对制备材料保持恒定温度T0时，借助感应加热***与电流加热的双向耦合作用实现温度恒定，烧结样品的电流值从I1提升至I2，此过程中电流按照特定的梯度△I增加，研究样品的实际显微组织及性能概况，构建电流梯度与材料显微组织的关系，量化研究电流梯度对材料组织与性能的影响。
实施例五
结合参照图4和图5，本实施例中将感应加热线圈41的引线411由成型箱体3的底壁引出，此时底壁仅开设引线过孔32即可，与感应加热线圈的引线从成型箱体3侧面引出相比，本方案解决了引线运动密封难题，同时方便布置内保温层31。此外，电极上压头51和电极下压头55与成型箱体3之间通过波纹管6、7密封。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种耦合加热的粉末冶金场辅助烧结装置，其特征在于，包括成型箱体、成型模具***、动力***、电流输入***、以及感应加热***，其中
所述成型箱体，为能够实现可控气氛环境的密封箱体；
所述成型模具***，放置于所述成型箱体内部，用于材料制备成型；
所述动力***，用于在材料制备成型过程中为材料致密化提供压力；
所述电流输入***，用于在材料制备成型过程中为材料内部电子迁移提供驱动力；
所述感应加热***，用于在材料制备过程中对材料进行加热，
其中，所述电流输入***与所述感应加热***二者按照控制策略作用于材料制备成型过程，使材料制备过程中电流和温度可控。
2.根据权利要求1所述的耦合加热的粉末冶金场辅助烧结装置，其特征在于，所述成型箱体设置有内部保温层，该内部保温层将所述成型模具***环裹，实现热量集中，保证材料制备的温度环境均匀稳定。
3.根据权利要求1所述的耦合加热的粉末冶金场辅助烧结装置，其特征在于，所述成型模具***包括电极上压头、石墨上模、材料成型板、石墨下模、以及电极下压头，所述材料成型板设置有上下贯穿的模具腔。
4.根据权利要求3所述的耦合加热的粉末冶金场辅助烧结装置，其特征在于，所述动力***携带所述成型模具***的电极上压头和/或电极下压头移动，为材料致密化提供动力。
5.根据权利要求1所述的耦合加热的粉末冶金场辅助烧结装置，其特征在于，所述电流输入***具有电流调节功能，其流经所述成型模具***内部的电流可调节。
6.根据权利要求1所述的耦合加热的粉末冶金场辅助烧结装置，其特征在于，所述感应加热***包括感应加热线圈、移动装置及连接架，所述感应加热线圈环绕所述成型模具***，所述移动装置用于带动感应加热线圈与所述成型模具***瞬时脱离或重合。
7.根据权利要求1所述的耦合加热的粉末冶金场辅助烧结装置，其特征在于，所述感应加热***的感应加热频率可调。
8.根据权利要求1所述的耦合加热的粉末冶金场辅助烧结装置，其特征在于，所述控制策略选自：恒定电流制备材料样品、恒定温度制备材料样品、或者恒定温度及恒定电流变化梯度下制备材料样品。
9.根据权利要求1所述的耦合加热的粉末冶金场辅助烧结装置，其特征在于，所述成型箱体的可控气氛环境包括真空和保护气氛，所述保护气氛包括氮气气氛和惰性气体气氛。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的耦合加热的粉末冶金场辅助烧结装置，其特征在于，所述粉末冶金场辅助烧结装置为科学试验装置。
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