زینترینگ به کمک قوس پلاسما (SPS)

زینترینگ به کمک قوس پلاسما (SPS)

چکیده
زینترینگ به کمک قوس پلاسما یا SPS یک فرآیند زینترینگ سریع است که قابلیت زینتر کردن انواع پودرهای رسانا و نارسانا را دارا می باشد. مکانیزم های متعددی برای فرآیند SPS پیشنهاد شده است اما متداولترین تئوری، تئوری میکرو اسپارک/ پلاسما می باشد که بر اساس پدیده تخلیه الکتریکی و تولید لحظه ای جرقه پلاسما با دمای بسیار زیاد در کسر کوچکی از ثانیه در یک ناحیه موضعی کوچک بین ذرات پودر استوار می باشد. فرآیند SPS و مکانیزم آن تفاوت های زیادی با روش های معمولی زینترینگ دارد. برخی از مزایا و ویژگی های این فرآیند نسبت به روش های زینترینگ معمولی عبارتند از: قابلیت کاربرد برای مواد مختلف، تولید قطعات با دانسیته بالا، زمان زینترینگ بسیار کوتاه و تولید قعات با ساختارهای دانه ریز. در این مقاله، اصول فرآیند SPS، ویژگی ها، مزایا و برخی از کاربردهای آن معرفی شده است.

1- مقدمه
تف جوشی یا زینترینگ فرآیندی است که طی آن یک قطعه از پودر ساخته می شود. این فرآیند با حرارت دادن مواد پودری در داخل کوره و در زیر نقطه ذوب انجام می شود که در اثر آن اتم ها حرکت (نفوذ) کرده و پیوند بین ذرات پودر برقرار می شود. فرآیند زینترینگ برای انواع پودرهای فلزی، سرامیکی و کامپوزیتی کاربرد دارد. زینترینگ می تواند به روش های مختلفی مثل زینترینگ معمولی (داخل کوره)، زینترینگ با امواج ماکروویو، پرس داغ ، پرس داغ ایزواستاتیک و ... انجام شود. در میان روش های مختلف تف جوشی، روش SPS یک تکنولوژی جدید و سریع زینترینگ است که قابلیت اتصال ذرات را در مواد هادی و غیرهادی دارا می باشد. تئوری های مختلفی برای فرآیند SPS پیشنهاد شده است اما متداول ترین تئوری پذیرفته شده، تئوری میکرو اسپارک/پلاسما می باشد. این تئوری بر پدیده تخلیه الکتریکی و تولید جرقه استوار است که در آن پالس های جریان با آمپر بالا و ولتاژ پایین، بطور آنی (لحظه ای) جرقه پلاسما8 با دمای زیاد (بیش از oC1000) را در یک ناحیه موضعی کوچک بین ذرات پودر ایجاد میکند. در روش SPS از قطع و وصل پالس های جریان DC (برای تولید اسپارک و حرارت موضعی) و یک نیروی فشاری تک محوری استفاده می شود. به عبارت بهتر، در این روش برای انجام عملیات زینترینگ، بطور همزمان از فشار محوری و پالس های جریان DC (برای تولید حرارت) استفاده می شود. بنابراین SPS را می توان یک روش زینترینگ تحت فشار به حساب آورد.
در سال های گذشته نانوپودرها کاربرد صنعتی و تجاری زیادی نداشتند؛ زیرا روش های زینترینگ معمولی باعث تخریب ذرات و همچنین رشد آن ها می شد. اما از زمانیکه تکنولوژی SPS برای زینترینگ مواد نانوکریستال با کمترین میزان رشد دانه و کمترین تأثیر منفی بر ذرات معرفی شد، افق تازه ای برای مطالعه و بررسی ایده های جدید در زمینه کاربرد مواد پودری گشوده شده است .
تحقیقات اولیه در زمینه تکنولوژی SPS در اواخر سال 1930 میلادی، یعنی زمانیکه فرآیند زینترینگ با استفاده از انرژی الکتریکی در امریکا ابداع گردید، آغاز شد. در سال 1960 فرآیند مشابهی که بر پایه تولید پالس های جریان برای عملیات زینترینگ استوار بود، به نام تف جوشی جرقه ای، در ژاپن معرفی شد؛ اما به دلیل عدم کاربرد تکنولوژیکی در آن زمان، قیمت بالای تجهیزات، عدم توجیه اقتصادی، محدودیت صنایع نیازمند به این روش و ... چندان گسترش نیافت. تا اواخر سال 1970 تحقیقات کمی در زمینه این فرآیند انجام شد اما چند سال بعد یعنی از اواسط سال 1980 تا اوایل سال 1990 نسل دوم دستگاه های SPS توسعه یافتند. این دستگاه ها سیستم های آزمایشگاهی بسیار کوچک به نام تف جوشی فعال شده با پلاسما PAS بودند که درآن ها از مولد پالس 800 آمپر یا بیشتر و ماکزیمم فشار اعمالی در حدود 5 تن برای انجام فرآیند زینترینگ استفاده می شد. با این وجود، نسل سوم این تکنولوژی پیشرفته، دستگاه های SPS با مولدهای پالس DC با آمپر بالا (2000 تا 20000 آمپر)، فشار 100-10 تن و ولتاژ پایین (30-3 ولت) هستند که به دلیل داشتن مزایای زیاد به عنوان یک تکنولوژی جدید در تولید سرامیک های پیشرفته، مواد کامپوزیتی، قطعات متالورژی پودر فلزی و .... شهرت یافته است. لازم به ذکر است که به این گروه از تکنولوژی های زینترینگ که در آن ها از پالس های جریان استفاده می شود، EPAC یا PECSیا FAST نیز گفته می شود. در سال های اخیر، این تکنولوژی به دلیل داشتن مزایای بسیار زیاد، توجه زیادی را در بین مهندسان و تولیدکنندگان به خود جلب کرده است.
2- اجزای اصلی دستگاه SPS
شکل 1 قسمت های اصلی یک سیستم SPS معمولی را نشان می دهد. این سیستم شامل قسمت های زیر می باشد: محفظه خلأ (شکل 2)؛ دستگاه فشار تک محوری شامل پانچ های آبگرد که به عنوان الکترود نیز عمل می کنند (شکل 2)؛ دستگاه کنترل اتمسفر (خلأ، هوا یا گاز خنثی مثل آرگون)؛ مولد پالس های جریان DC؛ واحد کنترل سیستم خنک کننده آبگرد؛ سیستم کنترل و تنظیم فشار اعمالی و دما؛ قفل ایمنی داخلی دستگاه؛ قالب گرافیتی (شکل 3). در روش های زینترینگ معمولی، ابتدا می بایست پودر با استفاده از دستگاه پرس هیدرولیک و یک قالب مناسب، تحت فشار لازم قرار گرفته و قطعه خام تولید شود و سپس برای زینترینگ داخل کوره قرار گیرد. اما در روش SPS مقدار مشخص و اندازه گیری شده از پودر موردنظر که قبلاً آسیاب و خشک شده است مستقیماً به داخل قالب های گرافیتی تغذیه شده و سپس به وسیله پانچ ها قالب بسته می شود. برای اینکه قطعه زینتر شده در پایان فرآیند به راحتی از قالب جدا شود، سطح بین قالب و پانچ را به وسیله ورقه های گرافیتی پوشش می دهند. پس از قرارگیری قالب محتوی نمونه پودری داخل محفظه زینترینگ، درب محفظه بسته شده و اتمسفر مناسب (خلأ یا گاز خنثی مثل آرگون) درون آن ایجاد می گردد. در نهایت با دادن پارامترهای فرآیند یعنی دما، زمان، فشار قالب و فرکانس پالس های جریان (زمان قطع و وصل شدن پالس ها) به سیستم کنترل دستگاه، دکمه استارت زده شده و عملیات زینترینگ آغاز می شود .
اسپارک پلاسما زینترینگ
شکل1- قسمت های اصلی ماشین SPS 

اسپارک پلاسما زینترینگ
شکل 2- محفظه خلأ و محور اعمال فشار
با شروع عملیات زینترینگ، پالس های جریان DC از الکترودها (پانچ ها)ی گرافیتی عبور کرده و بطور همزمان فشار محوری نیز اعمال می شود. اسپارک هایی که بین ذرات پودر ایجاد می شود دمای نمونه را به سرعت افزایش داده و منجر به انتقال جرم (نفوذ) آنی اتم ها می گردد. پس از اتمام فرآیند، دستگاه به صورت اتوماتیک خاموش شده و نمونه به تدریج سرد می شود.
اسپارک پلاسما زینترینگ
شکل3- قالب گرافیتی
3- مکانیزم فرآیند SPS
همانطور که گفته شد SPS یک روش زینترینگ تحت فشار است که بر اساس تخلیه الکتریکی پالس های جریان در فاصله بین ذرات پودر و تولید اسپارک (جرقه) عمل می کند. در شکل 4 نحوه انتشار و عبور پالس های جریان از بین ذرات پودر نشان داده شده است. زمانیکه اسپارک ناشی از تخلیه الکتریکی در محل اتصال یا فاصله بین ذرات پودر ایجاد می شود، حرارت موضعی ایجاد شده در ستون تخلیه باعث افزایش آنی دما تا بیش از 1000 می شود. این حرارت بالا باعث تبخیر ناخالصی ها و همچنین تبخیر سطحی ذرات پودر در محدوده اسپارک می شود. بلافاصله پس از این ناحیه تبخیر، یک ناحیه ذوب سطحی ایجاد می گردد. این نواحی ذوب سطحی از طریق جریان الکترون ها ( در طی زمان وصل جریان) و ایجاد خلأ (در طی زمان قطع جریان) به سمت هم کشیده شده و ناحیه گلویی را تشکیل می دهند (شکل 5). شکل 6 مراحل تشکیل گلویی را نشان می دهد. لازم به ذکر است که ذرات ریز ناخالصی و گازهای موجود بین ذرات پودر، به شروع تخلیه الکتریکی و تولید اسپارک در فضای خالی بین ذرات کمک می کنند . مطابق این شکل تشکیل ناحیه گلویی شامل 5 مرحله است: 1- مرحله ابتدایی: تولید اسپارک ناشی از تخلیه الکتریکی، به وسیله قطع و وصل پالس های جریان؛ 2- تولید پلاسما (یونیزه شدن گازهای موجود در فضاهای خالی بین ذرات در اثر تخلیه الکتریکی)؛ 3- تبخیر و ذوب سطحی ذرات پودر؛ 4- تولید فشار ناشی از ضربه اسپارک و پراکنده شدن ذرات ذوب یا تبخیر شده: برخورد شدید الکترون های آزاد (که در اثر تخلیه الکتریکی ایجاد شده¬اند) و یون ها (که در اثر یونیزه شدن گاز تولید شده اند) با سطح ذرات، منجر به حذف ناخالصی-های موجود در سطح ذرات و در نتیجه پاکسازی و فعال سازی سطحی ذرات پودر می شود. این مسئله باعث برقراری پیوند قوی تر بین ذرات شده و فرآیند چگالش نمونه را سرعت می بخشد؛ 5- کشیده شدن نواحی ذوب سطحی به طرف یکدیگر و تشکیل ناحیه گلویی.
زینتر، سینتر
شکل 4- تصویر شماتیک عبور پالس­های جریان از میان ذرات پودر و تولید حرارت (تشکیل ناحیه گلویی)

زینتر، سینتر، تفجوشی
شکل 5- حرارت موضعی ایجاد شده در محل تماس ذرات پودر بر اثر تخلیه الکتریکی (ذوب سطحی) و تشکیل ناحیه گلویی

زینتر، سینتر، تف جوشی
شکل 6- مراحل تشکیل ناحیه گلویی
افزایش مداوم تشعشعات حرارتی و فشار باعث می شود که این ناحیه گلویی به تدریج رشد کرده و گسترش یابد. تشعشعات حرارتی همچنین باعث تغییر فرم پلاستیک در سطح ذرات پودر می شود که این مسئله باعث رسیدن به دانسیته های بالا می-شود. شکل 7 مکانیزم های متداول انتقال جرم شامل تبخیر، انجماد، نفوذ حجمی، نفوذ سطحی و نفوذ مرزدانه ای را در ناحیه گلویی نشان می دهد.
زینتر، سینتر، تفجوشی
شکل 7- مکانیزم های انتقال جرم در فرآیند تشکیل ناحیه گلویی

تصاویر SEM نشان داده شده در شکل 8 مراحل رشد گلویی در ذرات کروی پودر برنز در حین فرآیند SPS را نشان می دهد. شکل a8 مرحله ابتدایی شکل گیری گلویی را به دلیل ایجاد اسپارک و تولید حرارت موضعی، نشان می دهد. انرژی پالس های جریان باعث تولید اسپارک، یکی پس از دیگری (به دلیل تخلیه الکتریکی) بین ذرات پودر می شود. حتی در یک ذره از پودر، با تکرار فرآیند تخلیه الکتریکی، تعداد مناطق گلویی (بین ذره مورد نظر و ذرات مجاور) افزایش می یابد (شکل b8).
اسپارک پلاسما زینترینگ
شکل 8- مراحل رشد گلویی در ذرات کروی پودر برنز: (a) مرحله ابتدایی تشکیل گلویی؛ (b) پیشرفت گلویی؛ (c) شروع جریان پلاستیک

از آنجاییکه در فرآیند SPS حرارت فقط روی سطح ذرات متمرکز می شود، بنابراین رشد ذرات به شدت محدود می شود. بنابراین کل فرآیند (یعنی از زمانی که نمونه به صورت پودر است تا زمانیکه نمونه به صورت یکپارچه در می آید) با سرعت بالا، یکنواختی عالی و بدون تغییر مشخصه های پودر انجام می شود .
علاوه بر این، نیرو (فشار) نیز نقش بسیار مهمی را در جلوگیری از رشد دانه ها و نیز در تعیین دانسیته ایفا می کند. در فرآیند SPS تعیین صحیح و دقیق نیرو عملاً می تواند به پیشرفت فرآیند کمک کند. بدین ترتیب که عامل فشار باعث بالارفتن تعداد اسپارک ها شده و بنابراین نفوذ را در سرتاسر نمونه افزایش می دهد (زیرا فشار باعث انتقال جرم به ویژه در مرحله خروج گاز می شود). اما افزایش یا کاهش بیش از حد فشار می تواند تأثیر منفی بر پیشرفت فرآیند داشته اشد. در نمونه های بزرگ، زمانیکه دانسیته بالا مورد نیاز است، فشار معمولاً منجر به افزایش خروج گاز و نفوذ الکتریکی می شود. بنابراین با ترکیب مقادیر بهینه نیروی تغییر فرم پلاستیک (فشار) و حرارت (دمای اندازه گیری شده روی دیواره بیرونی قالب) می توان یک قطعه زینتر شده با پیوندهای بین دانه ای مناسب تهیه کرد. چنانچه فشار و دمای فرآیند بیش از حد پایین باشد، پیوندهای بین دانه ای ایجاد شده متخلخل خواهند بود؛ از طرف دیگر دماها و فشارهای بالاتر نیز منجر به کاهش مرزدانه ها (به دلیل رشد دانه ها) می شود.

منابع:
1- علیرضا عبدالهی، ناصر احسانی، spark plasma sintering، مجله فنی مهندسی ساخت و تولید، شماره 46، صفحه 36



برای مطالعه کامل مقاله فایل مقاله قابل دریافت می باشد.

خدمات اسپارک پلاسما زینترینگ، پرس داغ، Hot press، spark plasma sintering




 




  • تاریخ درج: 1393/07/05

ثبت درخواست پیش فاکتور کاتالوگ عمومی نظر سنجی صندوق انتقادات و پیشنهادات عضویت در خبرنامه
طراحی سایت و سئو توسط کاسپید