郭 健，陳 怡，楊 剛，潘秀秀，尹德強

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610065)

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Micro-FAST制備氧化鋁微型零件*

郭 健，陳 怡，楊 剛，潘秀秀，尹德強

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610065)

采用多物理場活化燒結(jié)微成形技術(shù)(簡稱Micro-FAST)制備了氧化鋁微型圓柱,研究了燒結(jié)溫度對Micro-FAST制備氧化鋁微型圓柱致密化過程的影響。結(jié)果表明，Micro-FAST的燒結(jié)致密化過程可分為4個階段：預(yù)熱階段、升溫階段、保溫階段和冷卻階段,試樣的線收縮主要發(fā)生在升溫階段；燒結(jié)溫度是影響原子擴散系數(shù)的重要因素, 隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣的線收縮率和相對密度均是增加的；Micro-FAST制備氧化鋁陶瓷的平均燒結(jié)活化能比傳統(tǒng)真空燒結(jié)要低得多,說明Micro-FAST是一種活化燒結(jié)技術(shù)。

Micro-FAST;氧化鋁微型零件;致密化;燒結(jié)活化能

0 引 言

氧化鋁陶瓷是目前氧化物陶瓷中用途最廣、產(chǎn)銷量最大的陶瓷新材料[1-2]，備受研究學(xué)者的重視。但到目前為止，國內(nèi)外對制備微型氧化鋁陶瓷產(chǎn)品鮮有報道；以及氧化鋁陶瓷的制備方法眾多[3-8]，但這些方法制備氧化鋁陶瓷不同程度存在著諸如生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低、成型溫度高、顆粒粒徑粗、需添加粘結(jié)劑和助熔劑、產(chǎn)品純度不高等不足之處，這極大地影響了氧化鋁微型零件在現(xiàn)代工業(yè)中的推廣和應(yīng)用。因此，研究燒結(jié)時間短、燒結(jié)溫度低、純度高和成本低廉的新方法制備氧化鋁微型零件，具有重大的理論意義和應(yīng)用前景。

多物理場活化燒結(jié)微成形技術(shù)(micro-forming fields activated sintering technology，簡稱Micro-FAST)是本課題組近年來提出的低溫快速燒結(jié)制備微型零件的新方法[9]。Micro-FAST的實質(zhì)是：使用Gleeble-1500D熱模擬機，采用大電流(上萬安培)、低電壓(10 V左右)的交流電通過燒結(jié)體試樣或粉末/模具，利用焦耳熱效應(yīng)等均勻快速升溫，在電場、溫度場和力場的耦合作用下，使燒結(jié)試樣在數(shù)十秒至幾分鐘內(nèi)實現(xiàn)致密化[10]。本課題組利用Micro-FAST成功制備了?1 mm×1 mm的316L不銹鋼微型圓柱零件，其燒結(jié)溫度為700 ℃，整個燒結(jié)過程為7 min，其相對密度高達99%[11]；制備了分度圓直徑為1.6 mm的微型銅齒輪，其燒結(jié)溫度為600 ℃，燒結(jié)時間為53 s，其相對密度高達98.7%[12]；制備了316L不銹鋼微型齒輪，其燒結(jié)溫度為900 ℃，燒結(jié)時間為4 min，其相對密度高達99.2%[13]。與其它制備方法相比，Micro-FAST不僅節(jié)約時間、節(jié)約能源，而且所得燒結(jié)試樣晶粒細小、綜合性能好，是一種極有實用價值和廣闊應(yīng)用前景的微成型燒結(jié)技術(shù)。本文采用Micro-FAST成功制備了?4 mm×4 mm的氧化鋁微型圓柱，研究了燒結(jié)溫度對氧化鋁微型圓柱線收縮率和相對密度的影響，探討了Micro-FAST制備氧化鋁微型零件的致密化機理。

1 實 驗

實驗材料為平均粒度約為3 μm、純度為99.999%的高純α-Al2O3粉。

實驗過程：首先將氧化鋁粉末稱重后裝入模具中；當真空度≤0.01 Pa時，在模具兩端壓力為75 MPa的條件下，以20 ℃/s的升溫速度加熱至200 ℃，保溫30 s；然后再以50 ℃/s的升溫速度加熱至1 050～1 150 ℃，保溫8 min；最后以20 ℃/s的冷卻速度冷卻至室溫，取出試樣。

用Origin軟件對Gleeble-1500D熱模擬機所采集的數(shù)據(jù)進行處理。利用阿基米德排水法通過精度為10-4g的BS224S電子分析天平進行密度測量。用JSM-5900LV掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其斷口顯微形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 Micro-FAST制備氧化鋁微型圓柱的致密化機理

如圖1所示，根據(jù)燒結(jié)溫度變化將Micro-FAST制備氧化鋁微型圓柱的燒結(jié)過程分為4個階段：Ⅰ預(yù)熱階段、Ⅱ升溫階段、Ⅲ保溫階段和Ⅳ冷卻階段。

圖1 試樣的溫度-時間曲線及軸向收縮量-時間曲線

Fig 1 Curves of temperature-time and axial reduction-time of sintered compacts

Ⅰ預(yù)熱階段：從室溫以20 ℃/s的升溫速度加熱至200 ℃，燒結(jié)體的軸向尺寸急劇收縮。在燒結(jié)前，裝入模具的氧化鋁粉末松裝堆積，形狀極不規(guī)則，顆粒之間相互搭架而形成“橋拱洞”。燒結(jié)開始時，在模具兩端壓力為75 MPa的條件下，松散的氧化鋁顆粒進行位移、充填和重排[14]，粉末體系內(nèi)的“拱橋”被破壞，顆粒間的空隙不斷地變小，相互之間接觸越來越緊密。與此同時，在溫度場和壓力場的共同作用下，氧化鋁粉末體系內(nèi)的水分和空氣不斷地排出。因此，宏觀上表現(xiàn)為燒結(jié)體發(fā)生劇烈的軸向收縮，其密度快速增大。

在200 ℃，保溫30 s，燒結(jié)體的軸向變化曲線基本呈直線，試樣幾乎沒有發(fā)生收縮。保溫過程中，由于保溫溫度很低，原子擴散難以進行，并且75 MPa的壓力不足以使顆粒發(fā)生塑性流動，因此試樣的軸向尺寸基本保持不變。

Ⅱ升溫階段：溫度-時間曲線極為陡峭，燒結(jié)體的軸向收縮率極大，產(chǎn)生了很大的軸向收縮量。因為大電流導(dǎo)致模具產(chǎn)生大量的焦耳熱，通過熱傳導(dǎo)和熱輻射的方式將熱量很快地傳遞給燒結(jié)體，使燒結(jié)體迅速升溫。在溫度場和壓力場的共同作用下,顆粒間的原始接觸點或面通過成核和結(jié)晶長大形成燒結(jié)頸。隨著原子向顆粒粘結(jié)面的擴散，燒結(jié)頸逐漸長大，顆粒間距縮?。慌c此同時，晶界移動，晶粒逐步長大，空隙大量消失，使燒結(jié)體發(fā)生了很大的線收縮，顯著地促進了燒結(jié)體的致密化。

Ⅲ保溫階段：在整個保溫過程，燒結(jié)體產(chǎn)生的收縮量較小，主要靠小孔的消失和閉孔的球化和縮小來實現(xiàn)。

Ⅳ冷卻階段：由于試樣很小，斷電后，燒結(jié)體降溫速度很快。氧化鋁的熱膨脹系數(shù)較低，因此，在此階段燒結(jié)體的軸向收縮尺寸不大。

2.2 燒結(jié)溫度對Micro-FAST制備氧化鋁微型圓柱致密化的影響

如圖2所示，隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)體的軸向收縮量變大，但并非呈線性關(guān)系。燒結(jié)溫度為1 050和1 100 ℃時，試樣的軸向收縮量差別不大，而當燒結(jié)溫度為1 150 ℃時，試樣的軸向收縮量急劇增加，變?yōu)?.2 mm，其軸線收縮率為35.4%。

圖2 試樣的軸向收縮量

如圖3所示，燒結(jié)體的相對密度隨燒結(jié)溫度的升高而增大，燒結(jié)體的相對密度增加量也隨著燒結(jié)溫度的升高而增加。當燒結(jié)溫度為1 150 ℃時，燒結(jié)體的相對密度最大，為85.8%。

圖3 試樣的相對密度

圖4是試樣在保溫時間為8 min、不同燒結(jié)溫度下的斷口SEM照片。

圖4 試樣在保溫時間為8 min、不同燒結(jié)溫度下的SEM圖

Fig 4 SEM microstructures of specimens sintered for 8 min with different sintering temperatures

由圖4可見，1、2和3#試樣的晶粒細小，形狀較為規(guī)則，且晶粒排列整齊、分布均勻。在1 050 ℃燒結(jié)時，1#試樣中存在大量的氣孔，孔隙多為非封閉型，形狀多樣，說明試樣燒結(jié)不充分；隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣中的氣孔逐漸過渡為封閉氣孔；當燒結(jié)溫度為1 150 ℃時，3#試樣中氣孔數(shù)量大大減少，且呈封閉、較圓滑的孔洞狀態(tài)，說明試樣已經(jīng)達到了較完全的燒結(jié)。

粉末顆粒的燒結(jié)性取決于其原子擴散的難易程度。原子擴散系數(shù)[15]可表示為

(1)

式中，D為擴散系數(shù)；D0為指前因子；G為擴散活化能；R為氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。

由式(1)可知，隨著溫度的升高，試樣中各質(zhì)點的振幅增大,能夠克服“阻力”而形成遷移的原子的數(shù)量增加，原子擴散系數(shù)D按指數(shù)規(guī)律迅速增大，從而使得氧化鋁微型圓柱的燒結(jié)速率增大。因此，燒結(jié)溫度越高，氧化鋁微型圓柱的致密化程度越高。

2.3 Micro-FAST是一種活化燒結(jié)技術(shù)

由Johnson模型可知[16]

(2)

式中，收縮率ΔL/L0，L0為樣品原長；T為熱力學(xué)溫度；R為氣體常數(shù)：γ為表面能；Ω為空位體積；D0為頻率因子；α為粉粒半徑；燒結(jié)活化能E。

按此公式計算Micro-FAST制備氧化鋁微型圓柱的燒結(jié)活化能如表1。

表1 Micro-FAST制備氧化鋁微型圓柱的燒結(jié)活化能

Table 1 The sintering activation energy of alumina micro columns prepared by Micro-FAST

試樣編號燒結(jié)溫度/℃收縮率/%活化能/kJ·mol-11#2#3#平均值105011001150-29.7531.3935.40-105.73108.92110.47108.37

從表1可以看出，Micro-FAST制備氧化鋁微型圓柱的燒結(jié)活化能與傳統(tǒng)真空燒結(jié)的燒結(jié)活化能210.99 kJ/mol相比要低得多，說明Micro-FAST是一種活化燒結(jié)技術(shù)。

3 結(jié) 論

(1) 采用Micro-FAST成功制備了氧化鋁微型圓柱。隨著燒結(jié)溫度的升高, 試樣的線收縮率和相對密度均是增加的。當燒結(jié)溫度為1 150 ℃且保溫8 min時，燒結(jié)體的相對密度即可達到85.8%，說明Micro-FAST是一種快速、高效、環(huán)保的氧化鋁微型零件制備新方法。

(2) 氧化鋁粉末多物理場活化燒結(jié)過程可分為4個階段：預(yù)熱階段、升溫階段、保溫階段和冷卻階段。其中，試樣的線收縮主要發(fā)生在升溫階段，說明升溫階段對燒結(jié)體的致密化過程起著至關(guān)重要的作用。

(3) Micro-FAST制備氧化鋁陶瓷的平均燒結(jié)活化能為108.37 kJ/mol，比傳統(tǒng)真空燒結(jié)的燒結(jié)活化能210.99 kJ/mol要低得多，說明Micro-FAST是一種活化燒結(jié)技術(shù)。

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Preparation of alumina micro-cylinders by Micro-FAST

GUO Jian， CHEN Yi， YANG Gang， PAN Xiuxiu， YIN Deqiang

(School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Alumina micro-cylinders were prepared by micro-forming fields activated sintering technology (Micro-FAST) and the effect of sintering temperature on the densification of micro-cylinders by Micro-FAST was researched in the paper. The results show that the process of densification by Micro-FAST can be divided into four stages including preheating period, temperature rising period, soaking stage and cooling stage, and sample line contraction occurs mainly in the heating stage. In addition, sintering temperature is the important factor influencing the atomic diffusion coefficient, in which the sample linear shrinkage and relative density increase with the raise of sintering temperature. Moreover, the average sintering activation energy of aluminum oxide ceramics prepared by Micro-FAST is much smaller than that of traditional vacuum sintering, which means that Micro-FAST is a kind of activated sintering technology.

Micro-FAST; alumina micro-cylinder; densification; sintering activation energy

1001-9731(2016)11-11182-04

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275322)

2015-05-28

2016-04-05 通訊作者：楊 剛，E-mail: yanggang@scu.edu.cn

郭 健 (1989-)，男，陜西寶雞人，在讀碩士，師承楊剛教授，從事多物理場活化燒結(jié)微成形技術(shù)研究。

TB33

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.036