ما هو تلبيد السيراميك بالضغط الساخن؟

التلبيد بالضغط الساخن (HP) هو طريقة تلبيد مضغوطة ميكانيكيًا. هذه الطريقة هي المكانالسيراميكمسحوق في تجويف القالب وتسخين المسحوق إلى درجة حرارة التلبيد أثناء الضغط. نظرًا لأن القوة الدافعة مكملة بالضغط الخارجي، يمكن تحقيق التكثيف في وقت قصير نسبيًا، ويمكن الحصول على بنية مجهرية ذات حبيبات دقيقة وموحدة. لذلك، بالنسبة للمواد الخزفية ذات درجة الحرارة العالية (مثل Si3N4، B، C، SiC، TiB2، ZrB2) التي يصعب تلبيدها بروابط تساهمية، فإن تلبيد الضغط الساخن هو تقنية تكثيف فعالة. يمكن للتلبيد بالضغط الساخن الحصول على منتجات سيراميك ذات كثافة قريبة من الكثافة النظرية عند درجة حرارة أقل قليلاً من 100 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية تحت درجة حرارة التلبيد بالضغط العادي؛ يمكن أن يؤدي تلبيد الضغط الساخن أيضًا إلى تحسين أداء المنتج، مثل الشفافية والموصلية والخصائص الميكانيكية وموثوقية الاستخدام.

ومع ذلك، فإن تلبيد الضغط الساخن عادة ما ينتج فقط منتجات ذات شكل واحد، وفي كثير من الحالات، ستؤدي المعالجة اللاحقة إلى زيادة تكلفة التصنيع بشكل كبير. ومع ذلك، بعد أكثر من 40 عامًا من التطوير، تطورت عملية التلبيد بالضغط الساخن من الأبحاث المعملية البسيطة إلى التطبيقات الصناعية واسعة النطاق وأصبحت عملية تلبيد ناضجة ومهمة.

فرن الضغط الساخن ومواد العفن:

عادةً ما يتم وضع المساحيق أو الفراغات المشكلة مسبقًا في القالب، ويتم تسخينها وضغطها في نفس الوقت. اعتمادًا على التطبيق، يمكن أن تصل درجة حرارة العمل إلى 2500 درجة مئوية، ويكون ضغط العمل عادة من 10 إلى 75 ميجا باسكال. في تلبيد الضغط الساخن، الحد الأقصى للضغط الذي يمكن تطبيقه يقتصر على قوة القالب. بالنسبة لقوالب الجرافيت شائعة الاستخدام، يمكن أن يصل الضغط بشكل عام إلى 40 ميجا باسكال.

باستخدام قوالب جرافيت خاصة أو معادن أكثر تكلفة ذات درجة حرارة عالية (مثل سبائك النيمونيك) أو قوالب السيراميك ذات درجة الحرارة العالية (مثل Al2O3، SiC)، يمكن زيادة الضغط إلى 75 ميجا باسكال. بالنسبة لمواد القوالب مثل Al2O3 وSiC، نظرًا للقيود المفروضة على تكنولوجيا التحضير والتكلفة، لا يمكن استخدامها إلا لصنع قوالب صغيرة الحجم (مثل قطرها 5 سم)؛ يجب أن تكون الفجوة بين القالب ورأس الضغط أكبر قليلاً عند استخدامه، كما يلزم وجود طلاء لمنع التلبد أو اللحام بين رأس الضغط والقالب.

هناك عامل مقيد آخر وهو أن الشوائب النزرة (مثل SiO2) سوف تسبب زحفًا شديدًا في مثل هذه القوالب. عادةً ما تؤدي الشوائب بنسبة 0.1% إلى تقليل ضغط الاستخدام ودرجة الحرارة بشكل كبير، لذا فإن 99% من الألومينا النقية غير مناسبة لقوالب الضغط الساخنة. تم استخدام قوالب SiC المضغوطة على الساخن تجاريًا لأجزاء الفريت المضغوطة على الساخن في الهواء أو في أجواء أخرى (لأن الجو المختزل لقوالب الجرافيت لا يمكن استخدامه لصنع الفريت).

الجرافيت هو مادة القالب الأكثر استخدامًا لأنه رخيص نسبيًا، وسهل المعالجة، وله مقاومة جيدة جدًا للزحف في درجات الحرارة العالية. يتأكسد الجرافيت ببطء أقل من 1200 درجة مئوية ويمكن وضعه في جو مؤكسد لفترة قصيرة. فوق 1200 درجة مئوية، يجب استخدامه في جو خامل أو مخفض. نظرًا لأن الجرافيت قد يتفاعل مع عينات السيراميك عند درجات حرارة عالية، مما يتسبب في تآكل سطح التلامس أو التصاق العينة بجدار القالب، فعادةً ما يتم طلاء نيتريد البورون على جدار قالب الجرافيت لتجنب التفاعل وتسهيل إزالة قالب العينة بعد التلبيد.

عملية التلبيد بالضغط الساخن:

على الرغم من أن التلبيد بالضغط الساخن يزيد من قوة التكثيف الدافعة عن طريق الضغط، إلا أن مساعدات التلبيد مطلوبة أيضًا لبعض العمليات التي يصعب تلبيدهامواد السيراميكوخاصة تلك التي لها روابط تساهمية قوية ومعاملات تمدد ذاتي صغيرة.

يمكن أن توفر مساعدات التلبيد قنوات ذات معدل انتشار مرتفع (مثل الطور السائل على حدود الحبوب) عند نسب درجة حرارة التلبيد، وبالتالي تعزيز التكثيف. ومع ذلك، بما أن تطبيق الضغط يزيد من قوة التكثيف الدافعة، فإن كمية مساعدات التلبيد المطلوبة تكون أقل من التلبيد بالضغط العادي.

كما هو الحال مع طريقة التلبيد بدون ضغط، فإن حجم جسيمات المسحوق وتجانسها لهما أيضًا تأثير كبير على معدل تكثيف الضغط الساخن. يجب أن يكون حجم جسيمات مسحوق التلبيد بالضغط الساخن أقل من ميكرون (<1 ميكرومتر)، مع توزيع ضيق لحجم الجسيمات وعدم وجود تكتلات صلبة.

يمكن أن يؤدي احتكاك جدار القالب إلى تقليل معدل التكثيف ويؤدي إلى تكثيف غير متساوٍ. ولتحقيق هذه الغاية يمكن تقليل الاحتكاك بالطريقتين التاليتين:

① Reduce the high temperature reaction between the sample and the plate wall. Boron nitride can be coated on the contact surface of the mold;

② حاول الضغط الساخن على العينات المسطحة (مثل الأقراص أو الأوراق). في الواقع، تلبيد الضغط الساخن هو الأكثر ملاءمة لإعداد المنتجات المسطحة. تأثير الضغط المطبق على جزيئات المسحوق أثناء تلبيد الضغط الساخن.

إن تغيير شكل وحدة المسحوق التمثيلية (مثل ثلاث حبيبات) يشبه تغيير شكل مسحوق المسحوق بأكمله. تصبح الحبوب مسطحة في اتجاه الضغط المطبق، وهو أيضًا احتمال تشكيل تلبيد الضغط الساخن. الملمس (أي الاتجاه المفضل للحبوب أو النمو الانتقائي في اتجاه معين). عادةً ما يكون الاتجاه المفضل أو اتجاه النمو الانتقائي للحبوب المضغوطة على الساخن متعامدًا مع اتجاه الضغط المطبق. ومن أجل الحصول على عينات عالية الكثافة، من الضروري اختيار نظام مناسب لارتفاع الضغط ودرجة الحرارة. بشكل عام، يتم تسخين القالب، ويتم تسخين المسحوق الموجود في تجويف القالب تدريجيًا إلى درجة حرارة الضغط الساخنة أو أقل من درجة حرارة الضغط الساخنة تحت تأثير الضغط أحادي المحور. يختلف نظام الضغط الفعلي باختلاف المساحيق المختلفة، والغرض الرئيسي هو إزالة المسام الموجودة في الفراغ بشكل كامل. يختلف وقت الاحتفاظ عند درجة حرارة الضغط الساخنة اعتمادًا على خصائص المسحوق، حيث يتراوح من بضع دقائق إلى بضع ساعات، بشكل عام 0.5 ~ 2 ساعة. يتم تحرير ضغط الضغط الساخن بشكل عام عند الوصول إلى الكثافة المحددة مسبقًا (عادةً التكثيف الكامل)، ويتم تحرير الضغط عند درجة حرارة تلبيد الضغط الساخن أو فقط عند بدء التبريد، لأن الشقوق ستظهر في المنتج أثناء عملية التبريد. درجة حرارة تلبيد الضغط الساخن أقل بـ 100 ~ 200 درجة مئوية من درجة حرارة تلبيد الضغط العادي. يتم عرض درجة حرارة تلبيد الضغط الساخن لمواد الأكسيد التقليدية في الجدول 4-5. بالإضافة إلى ذلك، فإن درجة حرارة التلبيد بالضغط الساخن للبوريدات التقليدية المقاومة لدرجات الحرارة العالية، والكربيدات والنيتريدات تكون بشكل عام 1700-1900 درجة عند استخدام مساعدات التلبيد.