МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИСКРОВОГО ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В данной работе рассмотрено и проанализировано применение численного моделирования методом конечных элементов (МКЭ) при исследовании процессов консолидации материалов из порошков искровым плазменным спеканием (ИПС). Подробно рассказывается о задачах оптимизации процесса ИПС, решаемых с помощью МКЭ. Приведены примеры численного анализа процессов ИПС образцов из токопроводящих и непроводящих материалов. Рассмотрено численное моделирование спекания образцов гибридным методом, когда технология ИПС сочетается с технологией горячего прессования (ГП). Также, в статье рассказывается о перспективах развития принципов численного моделирования процессов ИПС.

В целях дальнейшего развития принципов численного моделирования процессов ИПС необходимо разработать новый подход к построению модели системы пресс-форма - образец, в которой образец должен быть задан как дисперсная система порошковой засыпки в начале процесса спекания, а по мере воздействия импульсного тока, температуры и осевого давления модель образца необходимо трансформировать в твердое тело с постепенно уменьшающейся пористостью.

Искровое плазменное спекание (англ. spark plasma sintering – SPS) – это современная технология синтеза новых материалов, позволяющая получать изделия с необходимыми физико-механическими свойствами. Причем, данная технология позволяет получать свойства материалов, которые невозможно получить при помощи какой-либо другой технологии. В настоящее время ИПС -  это одна из наиболее прогрессивных и динамично развивающихся технологий синтеза порошковых материалов. ИПС позволяет синтезировать композиционные дисперсно-упрочненные материалы, в том числе с включением в композицию наночастиц, а также градиентные материалы, которые обладают уникальным комплексом физико-механических свойств.

 

Численный анализ процесса искрового плазменного спекания методом конечных элементов, численный анализ методом конечных элементов процесса искрового плазменного спекания с гибридным нагревом. Материалы: оксид алюминия и карбид вольфрама.

Численное моделирование МКЭ, которое в настоящее время наиболее часто применяется для расчета и анализа процессов, протекающих при ИПС, имеет свои ограничения и недостатки. Поэтому, точность предсказаний результатов консолидации материалов и образцов остается невысокой (погрешности в 5 - 15% являются обычными) и количество рассчитываемых параметров процесса остается ограниченным. Это объясняется крайней сложностью процессов консолидации порошка при воздействии импульсного тока и осевого давления. Вся система в целом претерпевает постоянное изменение всех своих свойств в процессе уплотнения порошка. Свойства порошковой засыпки могут менять кардинально. Учитывая огромное количество частиц порошка в исходной засыпке, различающихся по своим размерам и массе, даже в случае, когда используется только один очень чистый порошок, теоретически описать дисперсную систему порошковой засыпки и ее изменение в процессе консолидации ИПС невероятно сложно.

Некоторыми исследовательскими группами сделаны попытки учета изменения электрических свойств спекаемого образца в процессе ИПС при моделировании МКЭ [22], но в остальном физическая модель образца оставалась неизменной - твердое тело с заданной пористостью. Для дальнейшего развития принципов численного моделирования МКЭ процессов ИПС необходимо разработать подход к построению модели системы пресс-форма - образец, где образец должен быть задан как дисперсная система порошковой засыпки в начале процесса спекания, которая, по мере воздействия импульсного тока, температуры и осевого давления будет трансформироваться в твердое тело с постепенно уменьшающейся пористостью (см. рисунок 8).  Это должно существенно повысить точность численных расчетов и позволить предсказывать микроструктуру и свойства спеченных образцов из новых композиций материалов, что повлечет за собой дальнейшее развитие как технологии ИПС, так и методологии численного анализа с помощью МКЭ.

1.Suárez M., Fernández A., Menéndez J.L., Torrecillas R., Kessel H. U., Hennicke J., Kirchner R., Kessel T. Challenges and Opportunities for Spark Plasma Sintering: A Key Technology for a New Generation of Materials / Sintering Applications. Edited by Burcu Ertuğ, ISBN 978-953-51-0974-7, 350 pages, Publisher: InTech, Chapters published February 06, 2013 under CC BY 3.0 license.
2.Нефедова И. А., Асач А. В. Моделирование температурных полей в условиях спекания объемных термоэлектриков SPS-методом / Термоэлектрики и их применения. – СПб: Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе. – 2010. – С. 58-63.
и др.

In this project we discussed and analyzed the use of numerical modeling using finite element method (FEM) in materials research of the processes of consolidation of powders spark plasma sintering (SPS). The process optimization problems IPA were solved using the finite element method. We present the examples of numerical analysis and retrieval system processes samples of conductive and non-conductive materials. Numerical modeling of sintering samples with hybrid method is when SPS technology combined with hot pressing technology (HP). Also, the article describes the prospects for the development of the principles of numerical modeling of the SPS processes.