石墨模具在放电等离子烧结 (SPS) 中充当核心加工界面，同时作为合金粉末的物理容器和系统的有源加热元件。特别是对于 Ti-6Al-4Zr-4Nb 合金，这些模具通过传递高轴向压力——范围在 30 MPa 至 90 MPa 之间——并利用其导电性通过脉冲电流产生强烈的内部热量，从而促进快速致密化。
核心要点 SPS 中的石墨模具并非被动容器；它是一个有源组件，将电能转化为热能（焦耳热），同时承受致密化 Ti-6Al-4Zr-4Nb 粉末所需的极端机械压力。
机电功能
通过导电性产生热量
在标准烧结中，热源是外部的。在 SPS 中，石墨模具本身充当 加热元件。
由于石墨是导电的，系统直接将高电流脉冲直流信号通过模具。这种电阻会产生 焦耳热，并迅速传递到内部的 Ti-6Al-4Zr-4Nb 粉末。
促进原子扩散
与传统方法相比，这种直接加热方式允许非常高的加热速率。
温度的快速升高促进了钛合金粉末内部的原子扩散，加速了颗粒之间的结合过程，而无需长时间的保温。
传递轴向压力
在模具加热材料的同时，它也充当 压力传递介质。
SPS 系统的液压缸压在石墨冲头上。模具必须承受足够大的力，将 30 MPa 至 90 MPa 的压力直接传递到粉末上，迫使颗粒相互挤压，从而达到接近理论的密度。
热稳定性和结构稳定性
承受极端温度
Ti-6Al-4Zr-4Nb 合金需要在高温区域烧结，通常在 α 相（约 800 °C）和 β 相（约 1100 °C）之间。
选择石墨模具是因为它们能够保持结构完整性和 尺寸稳定性，在高达 1300°C 的温度下仍能正常工作，确保最终零件的几何形状符合设计要求。
确保热均匀性
石墨具有优异的导热性。
当模具产生热量时，它会将热量均匀地分布到整个样品体积。这可以防止产生热梯度，从而避免出现微观结构不均匀的情况，例如钛合金中等轴相和层状结构之间过渡不一致。
理解权衡
碳污染的风险
虽然石墨是导电性和强度的理想材料，但它也带来了与钛合金的化学相容性问题。
在高温烧结时，来自模具的碳原子会扩散到 Ti-6Al-4Zr-4Nb 合金的表面。这会在烧结零件的外表面形成一层坚硬、易碎的 碳化物层。
必要的后处理
这种表面相互作用会有效地改变最外层的机械性能。
为了获得准确的性能数据并确保延展性，在零件投入使用或测试之前，通常必须通过 机加工或抛光去除 这层受污染的表面。
为您的目标做出正确选择
在设计 Ti-6Al-4Zr-4Nb 的 SPS 工艺时，您必须权衡快速加热的优点与模具材料的局限性。
- 如果您的主要关注点是最大密度： 利用模具压力的上限（接近 90 MPa），在加热阶段通过机械力迫使颗粒重新排列。
- 如果您的主要关注点是微观结构纯度： 考虑到不可避免的碳扩散层，将模具腔设计得比最终零件尺寸稍大一些，以便进行表面机加工。
通过将石墨模具用作电阻器和压力机，您可以实现高效的双效致密化过程。
总结表：
| 功能 | 机制 | 对 Ti-6Al-4Zr-4Nb 的影响 |
|---|---|---|
| 加热 | 通过导电性产生的焦耳热 | 快速致密化和加速原子扩散 |
| 压力 | 轴向传递（30–90 MPa） | 迫使颗粒重新排列以达到接近理论的密度 |
| 稳定性 | 耐热性高达 1300°C | 在 α/β 相温度下保持尺寸精度 |
| 界面 | 表面碳扩散 | 形成需要后处理机加工的碳化物层 |
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参考文献
- Shilong Liang, Yoko Yamabe‐Mitarai. Microstructure Evolution and Mechanical Properties of Ti–6Al–4Zr–4Nb Alloys Fabricated by Spark Plasma Sintering (SPS). DOI: 10.1007/s11661-024-07422-8
本文还参考了以下技术资料 Kintek Furnace 知识库 .
