Modelowanie jako narzędzie do zrozumienia i udoskonalenia techniki iskrowego spiekania plazmowego

• Autorzy: Laptev A.

Warianty tytułu

EN

Modeling as a tool for understanding and improvement of Spark Plasma Sintering technique

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Iskrowe spiekanie plazmowe (SPS) jest nowoczesną metodą prasowania na gorąco bazującą na szybkim nagrzewaniu oporowym. Aktualnie SPS znajduje się w fazie przejściowej pomiędzy pracami badawczo-rozwojowymi a produkcją masową części z proszków metalicznych i ceramicznych. Kluczowym elementem tej metody jest zrozumienie i kontrolowanie rozkładu temperatury wewnątrz narzędzi, w szczególności w wyprasce. Zagadnienie to jest szczególnie ważne przy spiekaniu części wielkogabarytowych, części o złożonej geometrii oraz przy spiekaniu materiałów gradientowych i ogniotrwałych. Wiedza w zakresie pola termicznego pozwala na opracowanie konstrukcji matryc oraz przebiegu procesu spiekania, umożliwiając jednorodny, zdefiniowany rozkład temperatury zależny od aplikacji. W rezultacie, jednorodna lub gradientowa struktura i właściwości mogą zostać osiągnięte. Temperatura nie może być mierzona bezpośrednio wewnątrz wypraski. Dlatego zastosowano metodę elementów skończonych (MES) do numerycznego modelowania rozkładu temperatury. W niniejszym artykule przedstawiono szczegółowo teoretyczne podstawy modelowania. Podkreślono wzajemne oddziaływanie pola elektrycznego, cieplnego i mechanicznego podczas SPS. Przedyskutowano metodologię rozwiązania tego złożonego problemu multifizycznego oraz jego ewentualnego wdrożenia poprzez komercyjne kody MES. Przedstawiono przykład modelowania. Sformułowano perspektywę dla dalszego modelowania. Szczególnie, pole magnetyczne musi być poza tym rozważane podczas modelowania SPS z nagrzewaniem hybrydowym np. z dodatkowym zewnętrznym nagrzewaniem indukcyjnym (nowa hybrydowa koncepcja nagrzewania).

EN

Spark Plasma Sintering (SPS) is a new hot pressing technique based on the rapid resistive heating. Currently, SPS is in a transition from the R&D phase to the mass production of metallic and ceramic powder parts. The critical point of this technique is understanding and control of temperature field inside the tool and especially in the powder preform. This issue is particularly important at sintering of large-sized parts, parts with a complex geometry and at sintering of functionally graded and refractory materials. The knowledge of temperature field allows the elaboration of die design and sintering cycle profile enabling homogeneous or predefined temperature distribution depending on application. As a result, homogeneous or functionally graded structure and properties can be achieved. The temperature cannot be directly measured inside the powder preform. Therefore, the Finite Element Method (FEM) is used for numerical modeling of the temperature field. In the present paper the theoretical background of modeling is presented in detail. The interaction of electrical, thermal and mechanical fields during SPS is highlighted. The solution methodology for this complex problem of Multiphysics and its possible implementation by commercial FEM codes are discussed. An example on sintering modeling of tungsten-based powder composite is presented. The outlook for further modeling is formulated. Particularly, magnetic field has to be besides considered during the modeling SPS with the hybrid heating i.e. with an additional external inductive heating (new hybrid heating concept).

Słowa kluczowe

PL

spiekanie plazmowe iskrowe; spiekanie aktywowane polem elektrycznym; multifizyka; modelowanie metodami elementów skończonych; metoda elementów skończonych; MES; rozkład temperatury

EN

spark plasma sintering; field assisted sintering; multiphysics; finite element modeling; temperature distribution

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2016
• Tom: T. 27, nr 3
• Strony: 223--240
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Laptev A.

• Forschungszentrum Jülich GmbH, Institute of Energy and Climate Research, IEK-1, 52425 Jülich, Germany

Bibliografia

• [1] Orru R., R. Licheri, A.M. Locci, A. Cincotti, G. Cao. 2009. „Consolidation/synthesis of materials by electric current activated/assisted sintering”. Materials Science and Engineering R 63 (4–6): 127–287.
• [2] Guillon O., J. Gonzalez-Julian, B. Dargatz, T. Kessel, G. Schierning, J. Räthel, M. Herrmann. 2014. „FieldAssisted Sintering Technology/Spark Plasma Sintering: mechanisms, materials, and technology developments”. Advanced Engineering Materials 16 (7): 830–849.
• [3] Voisin T., J.-P. Monchoux, L. Durand, N. Karnatak, M. Thomas, A. Couret. 2015. „An innovative way to produce γ-TiAl blades: Spark Plasma Sintering”. Advanced Engineering Materials 17 (10): 1408–1413.
• [4] Voisin T., L. Durand, N. Karnatak, S. Le Gallet, M. Thomas, Y. Le Berre, J.-F. Castagné, A. Couret. 2013. „Temperature control during Spark Plasma Sintering and application to up-scaling and complex shaping”. Journal of Materials Processing Technology 2013 (2): 269–278.
• [5] Belmonte M., J. Gonzalez-Julian, P. Miranzo, M.I. Osendi. 2009. „Continuous in situ functionally graded silicon nitride materials”. Acta Materialia 57 (2009): 2607–2612.
• [6] Jajarmi E., L. Desogus, R. Orrù, S.A. Sajjadi, G. Cao. 2016. „On the fabrication of functional graded 3YPSZ/316L materials by SPS: Process optimization and characterization of the obtained products”. Ceramics International 42 (7): 8351–8359.
• [7] Suk M., S. Choi, J. Kim, Y. Kim, Y. Kwon. 2003. „Fabrication of a porous material with a porosity gradient by a pulsed electric current sintering process”. Metals and Materials International 9 (6): 599–603.
• [8] Zavaliangos A., J. Zhang, M. Krammer, J.R. Groza. 2004. „Temperature evolution during field activated sintering”. Materials Science and Engineering A 379 (1–2): 218–228.
• [9] Morita K., K. Hiraga. 2002. „Critical assessment of high-temperature deformation and deformed microstructure in high-purity tetragonal zirconia containing 3 mol.% yttria”. Acta Materialia 50 (5): 1075–1085.
• [10] Gillia O., D. Bouvard. 2000. „Phenomenological analysis of densification kinetics during sintering: application to WC-Co mixture”. Materials Science and Engineering A 279 (1–2): 185–191.
• [11] Mc.Williams B., A. Zavaliangos. 2008. „Multiphenomena simulation of electric field assisted sintering”. Journal of Materials Science 43 (14): 5031–5035.
• [12] Kim H., O. Gillia, D. Bouvard. 2003. „A phenomenological constitutive model for the sintering of alumina powder”. Journal of the European Ceramic Society 23 (10): 1675–1685.
• [13] Mc.Williams B., J. Yu, A. Zavaliangos. 2015. „Fully coupled thermal–electric-sintering simulation of electric field assisted sintering of net-shape compacts”. Journal of Materials Science 50 (2): 519–530.
• [14] Besson J., M. Abouaf. 1992. „Rheology of porous alumina and simulation of hot isostatic pressing”. Journal of the American Ceramic Society 75 (8): 2165–2172.
• [15] Mondalek P., L. Silva, M. Bellet. 2011. „A numerical model for powder densification by SPS technique”. Advanced Engineering Materials 13 (7): 587–593.
• [16] Olevsky E.A.: „Theory of sintering: from discrete to continuum”. Materials Science and Engineering R 23 (2): 41–100.
• [17] Manière C., L. Durand, A. Weibel, C. Estournès. 2016. „Spark-plasma-sintering and finite element method: From the identification of the sintering parameters of a submicronic a-alumina powder to the development of complex shapes”. Acta Materialia 102: 169–175.
• [18] Manière C., A. Pavia, L. Durand, G. Chevallier, V. Bleyb, K. Afanga, A. Peigney, C. Estournès. 2015. „Pulse analysis and electric contact measurements in spark plasma sintering”. Electric Power Systems Research 127: 307–313.
• [19] Wei X., D. Giuntini, A.L. Maximenko, C.D. Haines, E.A. Olevsky. 2015. „Experimental investigation of electric contact resistance in spark plasma sintering tooling setup”. Journal of the American Ceramic Society 98 (11): 3553–3560.
• [20] Olevsky E., S. Kandukuri, L. Froyen. 2008. „Analysis of mechanisms of spark-plasma sintering”. Key Engineering Materials 368-372: 1580–1584.
• [21] Vanmeensel K., A. Laptev, J. Hennicke, J. Vleugels, O. Van der Biest. 2005. „Modelling of the temperature distribution during field assisted sintering”. Acta Materialia 53 (16): 4379–4388.
• [22] Vanmeensel K., A. Laptev, H. Sheng, I. Tkachenko, O. Van der Biest, J. Vleugels. 2013. „Experimental study and simulation of plastic deformation of zirconia-based ceramics in a pulsed electric current apparatus”. Acta Materialia 61 (7): 2376–2389.
• [23] Polder D., J.H. Van Santen. 1946. „The effective permeability of mixtures of solids”. Physica 12 (5): 257-271.
• [24] Vanmeensel K., A. Laptev, J. Hennicke, O. Van der Biest, J. Vleugels. 2007. „The influence of percolation during pulsed electric current sintering of ZrO2–TiN powder compacts with varying TiN content”. Acta Materialia 55 (5): 1801–1811.
• [25] Argento C., D. Bouvard. 1996. „Modeling the effective thermal conductivity of random packing of spheres through densification”. International Journal of Heat Mass Transfer 39 (15): 1343–1350.
• [26] Montes J.M., F.G. Cuevas, J. Cintas. 2008. „Porosity effect on the electrical conductivity of sintered powder compacts”. Applied Physics A. Materials Science and Processing 92 (2): 375–380.
• [27] ABAQUS® Documentation, Release 6.14, Theory guide. Dassault Systèmes, Providence 2014.
• [28] ANSYS Academic Research, Release 15.0, Help System, Theory reference. 2014. Canonsburg: ANSYS Inc.
• [29] Laptev A.M., H.P. Buchkremer, R. Vaßen. 2001. „Investigation of input data for compaction modelling of hot isostatic pressing”. W: Recent development in computer modelling of powder metallurgy processes. Zavaliangos A., Laptev A. (eds.), Amsterdam: IOS Press. 151–159.
• [30] Hennicke J., H.U. Kessel, T. Kessel. 2010. „Kurzzeitsintern als Produktionsverfahren für die Pulvermetallurgie. Pulvermetallurgie in Wissenschaft und Praxis“. Band 26: 181–200.
• [31] Giuntini D., J. Räthel, M. Herrmann, A. Michaelis, E.A. Olevsky. 2015. „Advancement of tooling for Spark Plasma Sintering”. Journal of the American Ceramic Society 98 (11): 3529–3537.

Uwagi

PL