日本放电等离子体烧结的现状
孟晔*强文江贾成厂(北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083
摘要: 放电等离子烧结是通过粉末颗粒之间的等离子体放电，并对粉末加热加压进行烧结，制取高性能材料的一种新的粉末冶金技术。具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点。本文简介了日本近年来放电等离子烧结的现状，包括设备、模具、制备的材料。希望能对该领域的同行有参考意义。
关键词:放电等离子烧结;现状;设备;模具
放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，以下简称 SPS)工艺是将金属、陶瓷等粉末装入模具内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、
热塑变形和冷却而完成，是制取高性能材料的一种新的粉末冶金烧结技术。放电等离子烧结具有在加压过程中烧结的特点，脉冲电流产生的等离子体及烧结过程中的加压有利于降低粉末的烧结温度。具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点，可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料，也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。
1988 年日本研制出第一台工业型 SPS 装置，并在新材料研究领域内推广使用。数年后，日本推出了可用于工业生产的 SPS 第三代产品，具有10 ～100 t 的烧结压力和脉冲电流5 000 ～ 8 000 A。随后又研制出压力超过 600 t，脉冲电流为50 000 A 的大型 SPS 装置。
国内近年也开展了用 SPS 技术制备新材料的研究工作，引进了数台SPS 烧结系统。SPS 作为一种材料制备的全新技术，已引起了国内外的广泛重视。
本文中，主 要 对 日 本 近 年 来 SPS 的 现 状 进 行 介绍，希望能够对同行们有所启迪，起到“抛砖引玉”的作用。
1 设备
“工欲善其事，必先利其器”，设备无疑是SPS系统的主要组成部分。SPS 设备主要包括以下几个部分:轴向压力装置;水冷冲头电极;真空腔体;气氛控制系统(真空、氩气);直流脉冲及冷却水、位移测量、温度测量和安全等控制单元。SPS 与热压(HP)有相似之处，但加热方式完全不同，它是一种利用通－ 断直流脉冲电流直接通电烧结，产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散共同作用的烧结方式。SPS可有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结。SPS 烧结过程中，颗粒间的有效放电可产生局部高温，可以使表面局部熔化、表面物质剥落;高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质(如去除表面氧化物等)和吸附的气体。电场的作用是加快扩散过程。传统的观念中，SPS 设备多为小型，仅能烧结直径较小的圆片，且效率不高。但近年来，在设备方面，也有了很大的进步.
1. 1 系列化与多样化
上述设备有如下特点:采用多燃烧室的后安装方式，具有与生产量相对应的灵活系统;高效节能电源;工件自动传送装置与结构;装卸、输送、各类物料处理的自动化设备;具有可进行流程管理的高精密的操作软件，可以自由设置温度、升温降温速度、加压力、保温时间等参数，
和大尺寸触屏显示器。
1. 2 功能化与专业化
为了推进“功能梯度材料开发项目”的进行，开发了隧道式全自动 FGM/ LB 型系统。是集混合粉末全自动填充设备、SPS 烧结设备、自动物料输送设备于一体，完全自动化、模块化，
同时具有预热、烧结、冷却功能的SPS 系统。图3 为隧道式SPS 设备的实物照片。
1. 3 大型化与连续化
大型 SPS 设备的最大加压压力已经超过600吨，见表1。传统的观念都认为 SPS 烧结一定是一个间断的过程，难以进行连续操作。但日本已经开发出连续性 SPS 设备。在烧结室的前后分别设置有真空腔体，所以能够进行连续的烧结。主要规格有:电极尺寸400 mm、最大电流值30 000 A、最大加压压力300 吨、最高真空度6 Pa、常用最高温度为2 000 ℃。可以对金属、陶瓷等粉末进行烧结，试样最大尺寸300 mm × H250 mm。
图 3 隧道式 SPS 设备Fig. 3 Tunnel SPS equipment由于电流大、加压压力高，所以能够烧结大型高密度的烧结体、大尺寸的材料连接，当然，也可以烧结大型的多孔材料。图4 为连续式SPS 设备的实物照片。
与传统的烧结方式及非连续式 SPS 相比，其优点示于表 2。目前，SPS 设备的开发已进入到第五代，烧结能力、精度、能耗等多方面都有了较大提高。表3 列出了两代 SPS 的较大区别。
目前，第五代SPS 设备已经开发出了用于材料开发基础实验研发支持的小型台式烧结系统、从研发阶段到产品试制阶段都能使用的中型通用型 SPS装置以及可以制作大尺寸烧结体、并能应对中、少量的生产用大型 SPS 设备等一系列产品，用以满足研发、试制及生产要求
。未来的发展方向是向提供低成本、高可靠性的定制化SPS 装置努力。
放电等离子烧结出现以来，得到了较快的发展。设备方面，呈现出多样化、系列化、功能化、循环液化、大型化、连续化的趋势。模具方面，结构有改进、形状多样化、材质有拓展
。材料的领域更加宽广，且从试验、研究逐渐向开发、实用化发展。但是，理论的研究仍不够系统与深入。研究发现，相同材料在相同工艺下用 SPS 烧结大尺寸和小尺寸试样时，
其结果并不相同，大尺寸试样往往具有更高的残余应力，并且烧结过程中的温度分布也有差别，说明SPS进行大尺寸烧结的机理与小尺寸烧结不同。目前，机理的差别还在探索中。另外开发适合SPS 烧结的粉末材料和建立 SPS 烧结3-D 成型制造技术也具有重要的实际意义。
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孟晔*强文江贾成厂(北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083
摘要: 放电等离子烧结是通过粉末颗粒之间的等离子体放电，并对粉末加热加压进行烧结，制取高性能材料的一种新的粉末冶金技术。具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点。本文简介了日本近年来放电等离子烧结的现状，包括设备、模具、制备的材料。希望能对该领域的同行有参考意义。
关键词:放电等离子烧结;现状;设备;模具
放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，以下简称 SPS)工艺是将金属、陶瓷等粉末装入模具内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、
热塑变形和冷却而完成，是制取高性能材料的一种新的粉末冶金烧结技术。放电等离子烧结具有在加压过程中烧结的特点，脉冲电流产生的等离子体及烧结过程中的加压有利于降低粉末的烧结温度。具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点，可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料，也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。
1988 年日本研制出第一台工业型 SPS 装置，并在新材料研究领域内推广使用。数年后，日本推出了可用于工业生产的 SPS 第三代产品，具有10 ～100 t 的烧结压力和脉冲电流5 000 ～ 8 000 A。随后又研制出压力超过 600 t，脉冲电流为50 000 A 的大型 SPS 装置。
国内近年也开展了用 SPS 技术制备新材料的研究工作，引进了数台SPS 烧结系统。SPS 作为一种材料制备的全新技术，已引起了国内外的广泛重视。
本文中，主 要 对 日 本 近 年 来 SPS 的 现 状 进 行 介绍，希望能够对同行们有所启迪，起到“抛砖引玉”的作用。
1 设备
“工欲善其事，必先利其器”，设备无疑是SPS系统的主要组成部分。SPS 设备主要包括以下几个部分:轴向压力装置;水冷冲头电极;真空腔体;气氛控制系统(真空、氩气);直流脉冲及冷却水、位移测量、温度测量和安全等控制单元。SPS 与热压(HP)有相似之处，但加热方式完全不同，它是一种利用通－ 断直流脉冲电流直接通电烧结，产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散共同作用的烧结方式。SPS可有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结。SPS 烧结过程中，颗粒间的有效放电可产生局部高温，可以使表面局部熔化、表面物质剥落;高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质(如去除表面氧化物等)和吸附的气体。电场的作用是加快扩散过程。传统的观念中，SPS 设备多为小型，仅能烧结直径较小的圆片，且效率不高。但近年来，在设备方面，也有了很大的进步.
1. 1 系列化与多样化
上述设备有如下特点:采用多燃烧室的后安装方式，具有与生产量相对应的灵活系统;高效节能电源;工件自动传送装置与结构;装卸、输送、各类物料处理的自动化设备;具有可进行流程管理的高精密的操作软件，可以自由设置温度、升温降温速度、加压力、保温时间等参数，
和大尺寸触屏显示器。
1. 2 功能化与专业化
为了推进“功能梯度材料开发项目”的进行，开发了隧道式全自动 FGM/ LB 型系统。是集混合粉末全自动填充设备、SPS 烧结设备、自动物料输送设备于一体，完全自动化、模块化，
同时具有预热、烧结、冷却功能的SPS 系统。图3 为隧道式SPS 设备的实物照片。
1. 3 大型化与连续化
大型 SPS 设备的最大加压压力已经超过600吨，见表1。传统的观念都认为 SPS 烧结一定是一个间断的过程，难以进行连续操作。但日本已经开发出连续性 SPS 设备。在烧结室的前后分别设置有真空腔体，所以能够进行连续的烧结。主要规格有:电极尺寸400 mm、最大电流值30 000 A、最大加压压力300 吨、最高真空度6 Pa、常用最高温度为2 000 ℃。可以对金属、陶瓷等粉末进行烧结，试样最大尺寸300 mm × H250 mm。
图 3 隧道式 SPS 设备Fig. 3 Tunnel SPS equipment由于电流大、加压压力高，所以能够烧结大型高密度的烧结体、大尺寸的材料连接，当然，也可以烧结大型的多孔材料。图4 为连续式SPS 设备的实物照片。
与传统的烧结方式及非连续式 SPS 相比，其优点示于表 2。目前，SPS 设备的开发已进入到第五代，烧结能力、精度、能耗等多方面都有了较大提高。表3 列出了两代 SPS 的较大区别。
目前，第五代SPS 设备已经开发出了用于材料开发基础实验研发支持的小型台式烧结系统、从研发阶段到产品试制阶段都能使用的中型通用型 SPS装置以及可以制作大尺寸烧结体、并能应对中、少量的生产用大型 SPS 设备等一系列产品，用以满足研发、试制及生产要求
。未来的发展方向是向提供低成本、高可靠性的定制化SPS 装置努力。
放电等离子烧结出现以来，得到了较快的发展。设备方面，呈现出多样化、系列化、功能化、循环液化、大型化、连续化的趋势。模具方面，结构有改进、形状多样化、材质有拓展
。材料的领域更加宽广，且从试验、研究逐渐向开发、实用化发展。但是，理论的研究仍不够系统与深入。研究发现，相同材料在相同工艺下用 SPS 烧结大尺寸和小尺寸试样时，
其结果并不相同，大尺寸试样往往具有更高的残余应力，并且烧结过程中的温度分布也有差别，说明SPS进行大尺寸烧结的机理与小尺寸烧结不同。目前，机理的差别还在探索中。另外开发适合SPS 烧结的粉末材料和建立 SPS 烧结3-D 成型制造技术也具有重要的实际意义。
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