CuNi合金放电等离子烧结温度场热电耦合的分析.pdfVIP

154 2011年全国粉末冶金学术会议暨海峡两岸粉末冶金技术研讨会论文集 CuNi合金放电等离子烧结温度场热电耦合分析 孙燕骆俊廷张春祥 (燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，机械工程学院，秦皇岛066004) 摘要以Cl稍i合金放电等离子烧结为例，在烧结试验测得实际加载电流曲线和温升曲线的基础上，以Marc 有限元软件为平台，对CuNi合金SPs烧结过程进行了热电耦合有限元模拟．结果表明：采用热电耦合有限元分析， 可以较好的预测导电材料放电等离子烧结过程的温度升高和分布规律；在保温的初始阶段，中心部分试样的温度基 本达到烧结温度，但此时试样部分的温度还不均匀一致，模具备部分之间的温度差距也较大，且试样中心温度高于 试样边缘温度；在保温结束阶段，中心部分试样的温度高于实际烧结温度5℃左右，模具各部分之间的温度差距逐渐 减小． 关键词CuNi合金；放电烧结；热电耦合分析；有限元模拟 Pl豁Ina 20世纪90年代广泛兴起的放电等离子烧结(Sparksintemg，简称SPS)技术是制备纳米 材料的一种全新技术，它具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等特点【IJ。 随着sPS烧结工艺及装备制造技术的不断发展，对SPS烧结机理的研究得到了广泛重视，科研 工作者通过各种试验和模拟手段来探讨放电烧结过程中温度和电流的分布规律。WangYucheIlg等吲 模拟出了模具的二维温度分布，分析了SPS烧结的升温阶段模具中心到边缘温度的差异。ZaValiangos 值电流的条件下，对放电等离子烧结氧化铝和铜两种材料的电流分布和温度分布进行了有限体积法 模拟。DeveshTiw撕等【7】应用abaques软件模拟了放电烧结过程中温度场和电流密度的分布情况。杨 俊逸等【8】采用有限元软件Femlab中的PDEs(偏微分方程)模块及电磁场模块来模拟电场活化烧结过 程，得到电场活化烧结过程中压头、阴模及样品内的电流密度、焦耳热及温度场的分布。陈小安等 【9】对放电等离子烧结W粉过程进行数值模拟。北京工业大学的刘雪梅等【loJ应用Marc软件对铜粉放 电烧结过程进行了模拟。 到目前为止，虽然形成了一定的共识，如升温过程中径向温度梯度分布、温度和电流最大值发 生位置等，但还有诸多的问题没有解决，如加载与试验的一致性、保温阶段与降温阶段的温度和电 流分布规律等。本文通过有限元模拟与试验技术相结合的方法，来探讨和研究如何通过有限元模拟 技术来预测导电材料CuNi合金放电等离子烧结的升温规律和保温阶段的温度分布规律。 CuNi合金烧结试验 1．1烧结工艺及设备 试验材料：试验用原材料为采用电解方法制备的Cu、Ni元素粉末，其特性见表l。 二、基础理论 155 试验方法：采用机械合金化工艺制备铜镍合金粉末。机械合金化是在南京大学仪器厂的高能球 的不锈钢球。将Cu、Ni粉末粉体按8：2的质量比城好后，混在一起，装入球磨罐中，抽真空后，充 入纯度为99．9％的心气，反复3次以减少氧的污染，最后充入0．2MPa的纯舡气。然后在球磨机上 球磨lO个小时，然后取出粉体在放电等离子烧结设备上进行烧结，烧结温度为650℃、700℃和850℃， 烧结压力为30MPa。 1．2试验电流及温升结果 曲线如图1、2和3所示。试验电流加载曲线分三个阶段：电流增大阶段、、电流缓慢降低阶段和快 速消失阶段。 V，芒墨：o gc墨：D 图l 650℃保温lO分钟电流温度曲线 图2700℃保温lO分钟电流温度曲线 dSc宴：o 圈3850℃烧结保温10分钟模拟与试验温度曲线 56 2011年全国粉末冶盎学术会议叠海峡两岸粉末冶金技术研讨会论文集 试验温度曲线也分为四个阶段：升温阶段、高温保温阶段和降温低阶段。电流增大阶段对应温 度升高阶段{电流