Spark Plasma Sintering

© Fraunhofer IFAM Dresden

Schema einer SPS-Anlage: 1 Pulsstromgenerator, 2 Presswerkzeug mit Probe, 3 oberer Pressstempel, 4 unterer Pressstempel, 5 wassergekühlte Vakuumkammer

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SPS-Anlage am Fraunhofer IFAM Dresden

Das Verfahren

Das Spark-Plasma-Sinterverfahren (SPS) basiert auf einer modifizierten Heißpresstechnik, bei der ein gepulster Strom mit hoher Stromstärke und niedriger Spannung durch das Presswerkzeug und durch den Sinterkörper geleitet wird. Im Gegensatz zu anderen Verfahren ist beim SPS-Prozess keine Pulvervorbehandlung z. B. durch Pressen etc. notwendig, da das Pulver direkt in das Presswerkzeug gefüllt wird.

Als Mechanismus des Verfahrens vermutet man einen Ablauf folgender Teilprozesse: An den vergleichsweise kleinen Kontaktpunkten zwischen einzelnen Pulverteilchen, bzw. in schmalen Lücken zwischen ihnen, kann bei einem Stromimpuls (Pulslänge ca. 3 ms) eine Entladung entstehen. Im Bereich dieses Mikrolichtbogens kommt es räumlich und zeitlich begrenzt zu sehr hohen Temperaturen und Drücken. Dadurch werden an Oberflächen von Pulverteilchen adsorbierte Gase und Feuchtigkeit entfernt bzw. die Oxidschicht aufgebrochen, sodass ein sinteraktivierender Effekt erzielt wird [1,2].

Im späteren Stadium des Sintervorganges bewirkt die durch den Stromfluss entstehende Joule'sche Wärme an Orten mit hohem elektrischen Widerstand (z. B. an Korn-, Partikel- oder Phasengrenzen sowie innerhalb von Kontakthälsen) eine kurzzeitige lokale Überhitzung bei vergleichsweise niedriger Gesamttemperatur des Sinterkörpers.

Die direkte Heizung von Presswerkzeug und Sintergut erlaubt hohe Heizraten (bis >300 °C/min) und kurze Prozesszeiten im Bereich von wenigen Minuten.


Werkstoffe

Durch die Oberflächenaktivierung und die direkte Heizung des Sinterkörpers ist es möglich Materialien und Materialkombinationen zu sintern, deren Kompaktierung mit konventionellen Methoden nicht möglich oder unwirtschaftlich ist.

Daneben ist die Kompaktierung von Materialien möglich, bei welchen ein feines, homogenes Gefüge und nur geringe Gefügeveränderungen (z. B. Kornwachstum) während des Sinterns im Vordergrund stehen. Die Möglichkeit des Sinterns fast ohne Kornwachstum macht das SPS-Verfahren zu einer Technik, die für die Kompaktierung von nano- bzw. nanostrukturierten Pulvern geeignet sind. Daneben ermöglicht das Verfahren die einfache Einstellung von Temperaturgradienten innerhalb des Sinterkörpers während der Verdichtung. Dies erlaubt die Herstellung von Gradienten- und Schichtwerkstoffen mit stark voneinander abweichenden Eigenschaften (z. B. ZrO2/Edelstahl, Al2O3/Titan).

Das Fraunhofer IFAM Dresden beschäftigt sich im Rahmen verschiedener Projekte im Wesentlichen mit der Kurzzeitsinterung von nanostrukturierten und ultrafeinkörnigen Werkstoffen.


Ausstattung

Das Spark-Plasma-Sinterverfahren ist zurzeit mit weltweit ca. 250 Anlagen verbreitet, wovon sich ca. 10 in Europa befinden. Neben einer weiteren Anlage in den USA, (Davis,CA), sind alle weiteren Geräte in Ostasien (überwiegend in Japan, Südkorea und China) installiert. Bei den bisher vorhandenen Anlagen handelt es sich überwiegend um F&E-Geräte. Mit dem am Fraunhofer IFAM Dresden installierten Gerät FCT-HP D 250/1 der Firma FCT Systeme GmbH, Rauenstein, können erstmals in Europa Sinterkörper in produktrelevanten Größen (maximaler Durchmesser: 300mm) hergestellt werden.

 

Quellen:

[1] M.Tokita: Mechanism of Spark Plasma Sintering and its application to ceramics, Nyn Seramikkasu 10, 1997, S.43-53
[2] M. Ishiyama: Plasma Activated Sintering (PAS) System, Proceeding of the 1993 Powder Metallurgy World Congress, Kyoto 1993, S.931