Metall. Mater. Trans. A: 鎢粉放電等離子燒結過程電遷移增強的致密化動力學

Alisa 5年前 (2019-05-05) 4372瀏覽

【引言】

放電等離子燒結(SPS)是一種新型粉末冶金快速致密化技術。因具有升溫速度快、燒結溫度低和燒結時間短的特點，SPS在新材料制備領域備受關注。然而，關于粉末在SPS過程的燒結機理尚不明確，尤其是電流在致密化過程中的作用機制，一直存在很大的爭議。如何驗證粉末SPS過程中電流的非熱效應的存在，又如何定量表征其對致密化的貢獻大小，一直是該研究領域的難題和空白。

【成果簡介】

近日，中南大學粉末冶金國家重點實驗室的李瑞迪副教授、袁鐵錘教授和鄧聲華博士等在Metallurgical and Materials Transactions A發表了最新的研究成果“Electromigration-Enhanced Densification Kinetics?During Spark Plasma Sintering of Tungsten Powder”。在該文中，研究人員發現電遷移這一電流的非熱效應也會對粉末SPS致密化產生極大影響，并將電遷移納入到致密化動力學模型中，構建了綜合考慮溫度、壓力和電流三大因素的粉末致密化的物理解析模型，并結合實驗驗證粉末SPS過程中電遷移效應的存在，同時定量研究了溫度、壓力及電流三大驅動力對粉末致密化的貢獻大小。

模型建立的基本思想和過程

通常，多晶粉末的燒結中后期可視為蠕變過程，因此可用相應的蠕變方程表征該過程。為了簡化描述，我們假設：

（1）據報道，鎢粉在0.40 < T/Tm?< 0.65溫度范圍內的壓力燒結課視為穩態蠕變過程。因此，認為鎢粉在SPS燒結中后期的致密化過程是穩態蠕變過程。

（2）溫度、壓力和電流（電流非熱效應）是致密化的三個主要驅動力。

（3）電流促進致密化的主要非熱機制為電遷移。

（4）溫度場、壓力場和電流場都是恒定的，燒結體是均相物體，不存在應力、孔隙、溫度、電流密度分布梯度。

因此，粉末致密化中后期的變形速率可由穩態蠕變方程表征：

其中D為擴散系數。電遷移為電流通過金屬材料時，移動的電子在電子流動方向上對原子擴散產生驅動力F：

其中j為電流密度。據報道，電遷移對空位擴散產生的能量為：

其中t為電阻率。因此，考慮電遷移的原子擴散系數可表示為：

由于孔隙材料的電阻率τ 與孔隙率?θ?有關：

因此，電遷移作用下，燒結體的宏觀有效擴散系數為：

將上述有效擴散系數方程代入蠕變方程中，即獲得粉末SPS過程溫度、壓力和電遷移（電流）驅動的致密化動力學模型：

【圖文導讀】

圖1 保溫階段不同電流密度作用下鎢粉的致密化速率?(1200 °C, 40 MPa)

圖2 動力學參數n值、p值的計算

（a）20 MPa， （b） 30 MPa 和（c） 40 MPa下??與?的關系.?直線的斜率即應力指數n值。（d）ln與ln?G的關系直線，斜率即p值

圖3 不同電流密度下等溫致密化的n值計算

（a）350 A/cm2（b）297 A/cm2（c）240 A/cm2（d）227 A/cm2（e）192 A/cm2下??與 線性關系（斜率為n值）

圖4 不同電流密度下鎢粉的致密化激活能（Qd）

?

圖5 ?模型計算與實驗對比

（a）不同溫度、（b）不同壓力和（c）不同電流密度下獲得的模型計算與實驗致密化曲線的對比

圖6 模型計算的致密化速率曲線

（a）不同溫度（40 MPa, 350 A/cm2），（b）不同壓力（1200 °C, 350 A/cm2）和（c）不同電流密度（1200 °C, 40 MPa）下模型計算獲得的致密化速率曲線

【結論】

電流的非熱效應對鎢粉SPS燒結中后期的致密化有顯著影響。由于電遷移效應，在一定的溫度和壓力下，提高電流密度可提高鎢粉的致密化速率。基于此，構建了電遷移增強蠕變模型，并用于定量表征溫度、壓力及電流對SPS粉末致密化的貢獻。計算結果表明，模型與實驗吻合，說明電遷移是鎢粉SPS致密化過程電流促進致密化的重要非熱機制。模型的數值計算表明，與溫度和壓力相比，雖然電流（電遷移）對致密化的貢獻相對較小，但其依然不可忽視。

文獻鏈接：Electromigration-Enhanced Densification Kinetics During Spark Plasma Sintering of Tungsten Powder（Metallurgical and Materials Transactions A，2019，?doi.org/10.1007/s11661-019-05201-4）

本文由中南大學粉末冶金國家重點實驗室的李瑞迪副教授團隊供稿。

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