Prehľad 9 techník spekania pre keramiku z karbidu kremíka

Karbid kremíka (SiC), prominentná konštrukčná keramika, je známa svojimi výnimočnými vlastnosťami, vrátane pevnosti pri vysokej teplote, tvrdosti, modulu pružnosti, odolnosti proti opotrebovaniu, tepelnej vodivosti a odolnosti proti korózii. Vďaka týmto vlastnostiam je vhodný pre širokú škálu aplikácií, od tradičného priemyselného použitia v nábytku pre vysokoteplotné pece, tryskách horákov, výmenníkoch tepla, tesniacich krúžkoch a klzných ložiskách až po pokročilé aplikácie, ako sú balistické pancierovanie, vesmírne zrkadlá, skľučovadlá polovodičových doštičiek, a obalovanie jadrového paliva.

Proces spekania je rozhodujúci pri určovaní konečných vlastnostíSiC keramika. Rozsiahly výskum viedol k vývoju rôznych techník spekania, od zavedených metód, ako je reakčné spekanie, beztlakové spekanie, rekryštalizačné spekanie a lisovanie za tepla, až po novšie inovácie, ako je spekanie iskrou plazmou, bleskové spekanie a oscilačné tlakové spekanie.

Tu je bližší pohľad na deväť prominentovSiC keramikaspekacie techniky:

1. Lisovanie za tepla:

Priekopník Alliegro et al. v spoločnosti Norton Company lisovanie za tepla zahŕňa súčasné použitie tepla a tlaku na aSiC prášokkompaktný v matrici. Táto metóda umožňuje súčasné zahusťovanie a tvarovanie. Aj keď je lisovanie za tepla účinné, vyžaduje zložité vybavenie, špecializované matrice a prísnu kontrolu procesu. Medzi jeho obmedzenia patrí vysoká spotreba energie, obmedzená tvarová zložitosť a vysoké výrobné náklady.

2. Reakčné spekanie:

Prvýkrát navrhnutý P. Popperom v 50. rokoch 20. storočia reakčné spekanie zahŕňa miešanieSiC prášokso zdrojom uhlíka. Surové teleso, vytvorené liatím, suchým lisovaním alebo izostatickým lisovaním za studena, prechádza procesom infiltrácie kremíka. Zahriatie nad 1500 °C vo vákuu alebo v inertnej atmosfére roztaví kremík, ktorý kapilárnym pôsobením infiltruje porézne teleso. Kvapalný alebo plynný kremík reaguje s uhlíkom a vytvára in situ β-SiC, ktorý sa spája s existujúcimi časticami SiC, čím vzniká hustá keramika.

Reakčne viazaný SiC sa môže pochváliť nízkymi teplotami spekania, cenovou efektívnosťou a vysokou hustotou. Vďaka zanedbateľnému zmršťovaniu pri spekaní je obzvlášť vhodný pre veľké, komplexne tvarované súčiastky. Typické aplikácie zahŕňajú nábytok pre vysokoteplotné pece, sálavé rúrky, výmenníky tepla a odsírovacie dýzy.

Semicorex Procesná cesta lode RBSiC

3. Beztlakové spekanie:

Vypracovali S. Procházka a kol. v GE v roku 1974 beztlakové spekanie eliminuje potrebu vonkajšieho tlaku. Zahusťovanie prebieha pri 2000-2150°C za atmosférického tlaku (1,01 x 105 Pa) v inertnej atmosfére pomocou spekacích prísad. Beztlakové spekanie možno ďalej kategorizovať na spekanie v tuhom stave a spekanie v kvapalnej fáze.

Beztlakové spekanie v tuhom stave dosahuje vysoké hustoty (3,10-3,15 g/cm3) bez medzikryštálových sklenených fáz, čo má za následok výnimočné vysokoteplotné mechanické vlastnosti s použitím teplôt dosahujúcich 1600°C. Avšak nadmerný rast zŕn pri vysokých teplotách spekania môže negatívne ovplyvniť pevnosť.

Beztlakové spekanie v kvapalnej fáze rozširuje rozsah použitia SiC keramiky. Kvapalná fáza, vytvorená roztavením jednej zložky alebo eutektickou reakciou viacerých zložiek, zvyšuje kinetiku zahusťovania tým, že poskytuje cestu vysokej difúzie, čo vedie k nižším teplotám spekania v porovnaní so spekaním v tuhom stave. Jemná veľkosť zŕn a zvyšková medzikryštalická kvapalná fáza v sintrovanom SiC v kvapalnej fáze podporujú prechod od transgranulárneho lomu k intergranulárnemu lomu, čím sa zvyšuje pevnosť v ohybe a lomová húževnatosť.

Beztlakové spekanie je vyspelá technológia s výhodami, ako je nákladová efektívnosť a tvarová všestrannosť. Najmä spekaný SiC v tuhom stave ponúka vysokú hustotu, rovnomernú mikroštruktúru a vynikajúci celkový výkon, vďaka čomu je vhodný pre komponenty odolné voči opotrebovaniu a korózii, ako sú tesniace krúžky a klzné ložiská.

Pancier zo spekaného karbidu kremíka bez tlaku

4. Rekryštalizačné spekanie:

V 80. rokoch Kriegesmann demonštroval výrobu vysokovýkonných rekryštalizovanýchSiC keramikaliatím liatím s následným spekaním pri 2450 °C. FCT (Nemecko) a Norton (USA) si túto techniku ​​rýchlo osvojili vo veľkom meradle.

Rekryštalizovaný SiC zahŕňa spekanie surového telesa vytvoreného balením častíc SiC rôznych veľkostí. Jemné častice, rovnomerne rozložené v medzerách hrubších častíc, sa vyparujú a kondenzujú na kontaktných bodoch väčších častíc pri teplotách nad 2100 °C v kontrolovanej atmosfére. Tento mechanizmus odparovania a kondenzácie vytvára nové hranice zŕn na hrdloch častíc, čo vedie k rastu zŕn, tvorbe hrdla a spekanému telesu so zvyškovou pórovitosťou.

Kľúčové vlastnosti rekryštalizovaného SiC zahŕňajú:

Minimálne zmrštenie: Absencia hraníc zŕn alebo objemovej difúzie počas spekania má za následok zanedbateľné zmrštenie.

Near-Net Shaping: Hustota spekania zostáva takmer identická s hustotou zeleného tela.

Čisté hranice zŕn: Rekryštalizovaný SiC vykazuje čisté hranice zŕn bez sklených fáz alebo nečistôt.

Zvyšková pórovitosť: Sintrované teleso si typicky zachováva 10-20 % pórovitosti.

5. Izostatické lisovanie za tepla (HIP):

HIP využíva tlak inertného plynu (typicky argón) na zvýšenie zahustenia. Práškový kompakt SiC, uzavretý v sklenenej alebo kovovej nádobe, je vystavený izostatickému tlaku v peci. Keď teplota stúpa na rozsah spekania, kompresor udržiava počiatočný tlak plynu niekoľko megapascalov. Tento tlak sa počas zahrievania postupne zvyšuje a dosahuje až 200 MPa, čím sa účinne eliminujú vnútorné póry a dosahuje sa vysoká hustota.

6. Spark Plazma Sintering (SPS):

SPS je nová technika práškovej metalurgie na výrobu hutných materiálov vrátane kovov, keramiky a kompozitov. Využíva vysokoenergetické elektrické impulzy na generovanie impulzného elektrického prúdu a iskru plazmy medzi časticami prášku. K tomuto lokalizovanému ohrevu a tvorbe plazmy dochádza pri relatívne nízkych teplotách a krátkom čase, čo umožňuje rýchle spekanie. Tento proces účinne odstraňuje povrchové nečistoty, aktivuje povrchy častíc a podporuje rýchle zahusťovanie. SPS sa úspešne používa na výrobu hutnej SiC keramiky s použitím Al2O3 a Y2O3 ako pomôcok na spekanie.

7. Mikrovlnné spekanie:

Na rozdiel od konvenčného ohrevu mikrovlnné spekanie využíva dielektrickú stratu materiálov v mikrovlnnom elektromagnetickom poli na dosiahnutie objemového ohrevu a spekania. Táto metóda ponúka výhody, ako sú nižšie teploty spekania, rýchlejšie rýchlosti ohrevu a zlepšené zahusťovanie. Zlepšený transport hmoty počas mikrovlnného spekania tiež podporuje jemnozrnné mikroštruktúry.

8. Bleskové spekanie:

Bleskové spekanie (FS) si získalo pozornosť pre svoju nízku spotrebu energie a ultrarýchlu kinetiku spekania. Proces zahŕňa privedenie napätia na surové teleso v peci. Po dosiahnutí prahovej teploty náhle nelineárne zvýšenie prúdu generuje rýchle Jouleove zahrievanie, čo vedie k takmer okamžitému zhusteniu v priebehu niekoľkých sekúnd.

9. Oscilačné tlakové spekanie (OPS):

Zavedenie dynamického tlaku počas spekania narúša vzájomné spojenie a aglomeráciu častíc, čím sa znižuje veľkosť pórov a distribúcia. Výsledkom sú veľmi husté, jemnozrnné a homogénne mikroštruktúry, ktoré poskytujú vysokopevnostnú a spoľahlivú keramiku. OPS, propagovaný tímom Xie Zhipenga na univerzite Tsinghua, nahrádza konštantný statický tlak pri bežnom spekaní dynamickým oscilačným tlakom.

OPS ponúka niekoľko výhod:

Vylepšená hustota zelene: Nepretržitý oscilačný tlak podporuje preskupenie častíc, čím sa výrazne zvyšuje hustota v surovom stave práškového výlisku.

Zvýšená hnacia sila spekania: OPS poskytuje väčšiu hnaciu silu pre zahusťovanie, zlepšuje rotáciu zrna, kĺzanie a plastický tok. To je obzvlášť výhodné počas neskorších štádií spekania, kde riadená frekvencia a amplitúda oscilácií účinne eliminuje zvyškové póry na hraniciach zŕn.

Fotografia zariadenia na oscilačné tlakové spekanie

Porovnanie bežných techník:

Spomedzi týchto techník sa na priemyselnú výrobu SiC široko používajú reakčné spekanie, beztlakové spekanie a rekryštalizačné spekanie, pričom každá má jedinečné výhody, čo vedie k odlišným mikroštruktúram, vlastnostiam a aplikáciám.

SiC viazaný reakciou:Ponúka nízke teploty spekania, nákladovú efektívnosť, minimálne zmršťovanie a vysokú hustotu, vďaka čomu je vhodný pre veľké, zložité tvarované komponenty. Typické aplikácie zahŕňajú nábytok pre vysokoteplotné pece, dýzy horákov, výmenníky tepla a optické reflektory.

Beztlakový spekaný SiC:Poskytuje nákladovú efektívnosť, tvarovú všestrannosť, vysokú hustotu, jednotnú mikroštruktúru a vynikajúce celkové vlastnosti, vďaka čomu je ideálny pre presné komponenty, ako sú tesnenia, klzné ložiská, balistické pancierovanie, optické reflektory a polovodičové skľučovadlá.

Rekryštalizovaný SiC:Vyznačuje sa čistými SiC fázami, vysokou čistotou, vysokou pórovitosťou, vynikajúcou tepelnou vodivosťou a odolnosťou voči tepelným šokom, vďaka čomu je vhodný pre nábytok vo vysokoteplotných peciach, výmenníky tepla a trysky horákov.**

My v Semicorex sa špecializujeme naSiC keramika a inéKeramické materiálypoužívané pri výrobe polovodičov, ak máte akékoľvek otázky alebo potrebujete ďalšie podrobnosti, neváhajte nás kontaktovať.

Kontaktný telefón: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com