在高熵合金的放电等离子烧结（SPS）中，石墨模具的作用远不止简单的容器；它们同时充当成型容器、传递压力介质和主要加热元件。由于石墨具有导电性，脉冲电流会通过模具产生焦耳热，然后直接传递给合金粉末，从而实现快速均匀的烧结。
石墨模具是SPS过程的积极参与者，通过直接电加热和机械压力实现快速致密化，但它也带来了后续加工以去除碳污染表面层的特定需求。
石墨模具的三重功能
在标准烧结中，模具通常只是一个被动的陶瓷容器。在SPS中，高强度石墨模具是机器电气和机械电路的组成部分。
充当加热元件
与从外向内加热的传统炉不同，SPS利用模具本身来产生热量。
当大电流通过导电石墨时，模具壁内会产生焦耳加热。这使得SPS过程能够实现极快的升温速率。
由于石墨具有优异的导热性，它确保热量均匀分布在样品上，避免了可能导致合金性能不一致的热梯度。
传递机械压力
SPS中的致密化依赖于同时施加热量和压力。
石墨模具必须作为一个独立的机械部件，将液压机的力传递到粉末压坯上。
选择高强度石墨是因为它能够在超过1200°C的温度下承受显著的单轴压力——通常在30 MPa至40 MPa之间——而不会变形或断裂。
定义组件几何形状
模具定义了烧结块的最终“近净形”形状，例如圆盘或板材。
通过在极端温度（高达1400°C）下保持高尺寸稳定性，模具确保合金粉末被限制在精确的尺寸内。
这种近净形成型能力显著减少了原材料浪费量以及实现最终零件几何形状所需的后续加工量。
理解权衡：碳扩散
虽然石墨因其热学和电学特性而成为SPS的标准材料，但在加工高熵合金时，它也带来了一个特定的化学挑战。
表面污染的风险
在高温烧结时，来自模具的碳原子会扩散到合金表面。
这种碳渗透会改变合金外层的化学成分，可能形成碳化物，从而对延展性或硬度等机械性能产生负面影响。
表面加工的必要性
为了确保准确的性能数据，您不能测试刚从模具中取出的烧结样品。
烧结样品的表面层通常需要通过研磨或加工去除。这消除了碳污染区域，并暴露出高熵合金的真实、未受影响的微观结构，以便进行有效的性能测试。
机械限制
虽然石墨强度很高，但与金属相比，它比较脆。
石墨模具能够承受的液压压力存在硬性限制。将压力推高到典型的40-50 MPa范围之外，有发生模具灾难性失效的风险，这意味着石墨不适用于需要超高压力的工艺（在这种情况下，可能会使用硬质合金模具，但温度较低）。
优化您的SPS工艺
为了最大限度地发挥石墨模具的优势并减轻其局限性，请考虑您的具体项目目标。
- 如果您的主要关注点是材料纯度：请计划更大的初始样品尺寸，以考虑研磨掉富碳表面层所需的“加工余量”。
- 如果您的主要关注点是致密化效率：利用石墨的高导热性来最大化升温速率，但要确保施加的压力保持在30-40 MPa的安全范围内，以防止模具破裂。
只要您主动管理界面处的碳扩散，石墨模具就是SPS中效率的引擎。
总结表：
| 功能 | 描述 | 关键性能优势 |
|---|---|---|
| 加热元件 | 通过脉冲电流产生焦耳热 | 实现快速升温速率和热均匀性 |
| 压力介质 | 传递来自液压机的30-40 MPa压力 | 促进高密度材料的固结 |
| 几何模具 | 定义近净形（圆盘/板材） | 减少材料浪费和后处理 |
| 导电性 | 高导热性和导电性 | 促进能量高效传输到合金粉末 |
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