Zespół naukowców z University of Rostock w Niemczech opracował nowy sposób błyskawicznego wytwarzania stopów metali o wysokiej wytrzymałości, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów energii zużywanej w trakcie procesu. Zgodnie z przewidywaniami odkrycie to zmieni sposoby produkcji metali wykorzystywanych między innymi w medycynie czy też środkach transportu. Badacze udoskonalili metodę iskrowego spiekania plazmowego (SPS – spark plasma sintering), wzbogacając urządzenie o zintegrowany system oziębiana gazu, który jest zdolny do zmiany poszczególnych faz w mieszaninie stopowej przy jednoczesnym zachowaniu jak najmniejszych ziaren wewnątrz struktury stopu.
Metoda SPS polega na jednoczesnym prasowaniu oraz spiekaniu proszku. Przez grafitowe stemple, matrycę oraz prasowany proszek przypływają impulsy prądu stałego. W wyniku tego uzyskiwane jest ciepło Joule’a które powoduje samonagrzewanie proszku od środka. Przez prasowany proszek płynie prąd impulsowy, w wyniku wyładowań łukowych w porach między zagęszczanymi cząstkami proszku lub tunelowania przez warstwę tlenków pokrywających powierzchnie proszku w miejscu ich kontaktu lub jej przebicia elektrycznego.
Wyładowania łukowe w porach powodują powierzchniowe parowanie materiału i przejście pary w stan plazmy. Podczas parowania z powierzchni proszku usuwane są tlenki i zaadsorbowane gazy. Transport masy przebiega podobnie jak w konwencjonalnych procesach spiekania na drodze parowania i kondensacji, dyfuzji objętościowej, powierzchniowej i po granicach ziaren, jednak intensywność tych zjawisk jest znacznie większa niż w przypadku spiekania innymi metodami. Impulsowy charakter dostarczania energii wpływa na obniżenie energii aktywacji procesów dyfuzyjnych, dzięki czemu skróceniu ulega czas spiekania, zabezpieczając jednocześnie ziarna przed nadmiernym rozrostem, co umożliwia zachowywanie struktur spiekanych materiałów.
Grupa naukowców kierowana przez Dr. Eberhard Burkel’a, profesora fizyki nowych materiałów wykazała że szybkie chłodzenie stopu bezpośrednio po procesie SPS może przyczynić się do uzyskania materiału o zwiększonej twardości, wytrzymałości i ciągliwości. Niezbędne jest dobranie prędkości chłodzenia w taki sposób, aby nie dopuścić do tworzenia się struktury amorficznej. Nowa metoda szybkościowego chłodzenia materiału finalnego po procesie SPS, polega na odpowiedniej konstrukcji dysz wlotowych gazu. Po procesie spiekania, urządzenie do SPS jest zazwyczaj pozostawiane do samo ochłodzenia, jednak można je wypełnić argonem wtłaczając go do matrycy z dużą prędkością, co prowadzi do znacznego ochłodzenia spieczonego materiału.
W celu udowodnienia praktycznych korzyści ich wynalazku, naukowcy z Rostock poddali próbie chłodzenia z różną prędkością, spieczone za pomocą metody SPS próbki stopu Ti-6Al-4V, znanego jako koń napędowy przemysłu tytanowego. Najszybciej chłodzona próbka stopu uzyskała o 12% większą twardość a jej ciągliwość zwiększyła się o 34+/-3% w stosunku do próbki chłodzonej w stanie wolnym. “Ten wysoko ciągliwy stop oferuje niespotykane możliwości prostej produkcji skomplikowanych kształtów biomedycznych i nowych zastosowań konstrukcyjnych. Uważamy że zaprojektowany przez nas system chłodzenia będzie wkrótce odgrywał kluczową rolę w produkcji nanomateriałów, półprzewodników ale również materiałów kompozytowych” – dr. Faming Zhang.
Źródła:
[1] Materials Today (2013) 16 (5), 192-197. Doi:10.1016/j.mattod.2013.05.005
[2] motion gears – team force by ralphbijker, flickr.com, CC by 2.0