火花等离子烧结 (SPS) 通过利用高频脉冲电流以前所未有的速度实现致密化，从而优于传统热挤压。通过焦耳效应在内部产生热量，同时施加压力，SPS 绕过了通常会降解传统钢材制备中纳米结构的长时间热循环。
核心要点 SPS 相对于热挤压的决定性优势是将致密化与晶粒生长脱钩。通过在较低温度下快速烧结，SPS 保留了原始纳米晶粉末优越的机械性能，而热挤压的长时间加热会导致晶粒粗化和强度下降。
快速致密化的力学原理
直接焦耳加热
与依赖外部热源的热挤压不同，SPS 将高频脉冲电流直接通过粉末。这会产生内部焦耳热，使材料几乎瞬时达到烧结温度。
同时施加压力
SPS 将这种热能与轴向压力相结合，以辅助机械致密化。这种双重作用方法与传统方法相比，显著降低了所需的烧结温度。
缩短等温时间
由于加热快速高效，材料在峰值温度下的停留时间非常短。这创造了一个极短的烧结周期，在显微结构有时间降解之前就完成了过程。
保留纳米结构
抑制晶粒生长
加工纳米结构 ODS 钢的主要风险是晶粒粗化。传统的ক্ষেত্রে热挤压涉及长时间高温退火，这会导致晶粒生长并降低材料强度。SPS 的速度非常快，可以抑制这种生长，从而锁定细小的晶粒结构。
保留等轴结构
SPS 保留了机械合金化过程中实现的等轴纳米晶结构。相比之下，热挤压将材料通过模具挤压，通常会形成各向异性（沿特定方向拉长）的晶粒结构，这可能在复杂应力下影响机械可靠性。
增强化学稳定性
SPS 相关的高冷却速率起到原位固溶处理的作用。这会将铌 (Nb) 和钛 (Ti) 等强化元素保留在基体中，形成过饱和固溶体，为后续强化做好准备。
理解结构权衡
各向异性与各向同性
理解钢材的定向性质至关重要。热挤压 (HE) 通常会导致各向异性显微结构，这意味着由于晶粒拉长，钢材在一个方向上的强度比另一个方向上更高。
轴向压力的局限性
虽然 SPS 在保留晶粒尺寸方面优于挤压，但它使用轴向压力（自上而下的压力）。虽然这可以产生高度致密且等轴的结构，但它不同于热等静压 (HIP) 等从所有方向施加压力以实现最大均匀性的技术。然而，与热挤压相比，SPS 避免了导致性能下降的严重方向性问题。
为您的目标做出正确选择
在为氧化物弥散强化 (ODS) 钢选择固结方法时，请考虑以下几点：
- 如果您的主要重点是保持最大强度和硬度：选择 SPS 以抑制晶粒生长并保持合金化过程中形成的超细纳米晶结构。
- 如果您的主要重点是各向同性的机械可靠性：选择 SPS 而不是热挤压，以避免挤压过程引起的定向弱点（各向异性）。
SPS 通过在不牺牲提供钢材强度的精密纳米结构的情况下实现完全致密化，为高性能材料提供了独特的途径。
总结表：
| 特征 | 火花等离子烧结 (SPS) | 传统热挤压 |
|---|---|---|
| 加热方法 | 内部焦耳加热（直流电） | 外部热源 |
| 烧结时间 | 极短（分钟） | 长时间热循环（小时） |
| 晶粒结构 | 等轴和纳米晶 | 各向异性（拉长） |
| 机械性能 | 各向同性可靠性 | 定向弱点 |
| 晶粒生长 | 抑制（低温） | 显著粗化 |
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参考文献
- Antonio Gloria, Alessandra Varone. Alloys for Aeronautic Applications: State of the Art and Perspectives. DOI: 10.3390/met9060662
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
