（材料学专业论文）空心阴极多热源烧结温度场的研究.pdf

摘要 摘要 粉末冶金是冶金学的一个重要分支，而烧结工艺则是影响粉末产品质量的一 个关键环节。随着工业技术的不断发展，对粉末冶金产品的质量和性能提出了更 高的要求。空心阴极等离子烧结方法是一种较新的烧结手段，它是利用空心阴极 放电效应，对难熔金属粉末及陶瓷粉末进行高温、快速的烧结。而本课题是对空 心阴极多热源烧结的温度场进行研究，对以后进行不同形状、不同尺寸的试样温 度场模拟打下一定的基础。 本课题的研究内容就是利用空心阴极等离子快速烧结机理，通过对试样烧结 过程的理论分析，对空心阴极烧结温度场进行了合理的简化、假设和约定，确定 初始条件和边界条件，应用能量守恒定律得出温度场数学模型，建立温度场的几 何模型。同时详细地描述了介绍了空心阴极多热源温度场a n s y s 建模的全过程： 参数设定、模型建立、载荷施加、模型求解和查看结果。 利用a n s y s 软件对试样不同的排布方式进行了温度场的模拟，并对其进行 分析，通过实验验证，结果发现发现模拟结果与实测结果吻合较好，证明了用 a n s y s 软件模拟空心阴极烧结温度场的方法的正确性和有效性。 采用a n s y s 软件对空心阴极烧结的温度场在不同的情况下进行模拟和分析， 得出当试样间距增大，试样之间的温差减小；试样的个数增多时，试样之间的温 差增大；要使在空心阴极烧结过程中，进一步提高试样温度的均匀性保证试样烧 结的质量，可以通过对试样的合理摆放来进行控制。 关键词温度场；a n s y s ；空心阴极：烧结；多热源 a b s t r a c t p o w d e rm c t a l l u 昭yi sav e r yi r r l p o r t a mb r a i l c ho fm e t a l l u r g y a n dm es i n t e r i n g p m c e s sa l w a y sp l a y sak e yr o l e ，w h j c hc a i la f r e c tt 1 1 eq u a l i t yo f t l l ep o w d e r l e t a l l u 玛y p m d u c t w i t hab i gd e v e l o p m e n to fm em o d e mi n d u s h y ，t 1 1 eh i g h e rr e q u e s ta b o u tt h e p r o p e r t ya n dt h eq u a l i t yo fm ep o w d c rp r o d u c ti sp u tf o n a r d 1 1 1 ep l a s m as i n t e i i n g m e m o do f h 0 1 1 0 wc a m o d ei san e w e rm e t l l o di ns p e e d y 趾dl l i g ht e m p e r a t u r es i n t 耐n g p m c e s sm a tc a nb ea p p l i e di nh i g hm e l t m gp o i n tm e t a la i l dc e r a n l i cm a t e r i a l h lt 1 1 i s p a p e r ，i ti ss t u d i e dt h a tt 瞰l p e m t u r cf i e l do fh 0 1 l o wc a t h o d es i n t e 商g ，w h j c h 惭1 lb e b e t t e rf o u n d a t i o n0 nl a t e rt 铷p e r a t u r ef i e l ds 妇u l a t i o no f d i 能r e n ts h 印ea n dd i r e n t s i z es 锄p l c s h lt h i sp a p e r w i mt h e 印p l i c a t i o no ft l l ep l 姗as i m e r i n gm e c h 锄i c so fh 0 1 l o w ca _ t l l o d e ，s i m p l e ，a s s u m p t i o na n ds t i p u l a t i o na r es e td o w no nt e m p e “i n l r ef i e l do f h 0 l l o wc a t l l o d e s i i l t e r i n g m a m 鼬a t i c a li n o d e li sf o l l l l d e db yu s i n g c n e r g y c o n s e n r a t i o nl a wa r e rt h ec o n f i n n a t i o no fi i l i t i a lc o n d i t i o na n dt e 衄i n a lc o n d i t i o n a n dg e o m e 埘cm o d e li sa l s of b u n d e d t h ew h 0 1 ep r o c e s so fa n s y sm o d e lb u i l d i n g i sd e i a i l e d 】yd e s 谢b e d ：脚e t e rs e t t i n 岛m o d e lb u j l d i l l g ，1 0 a d sa p p l i c a t i o n ，m o d e 】 s o l u t i o na n dr e s u n t h o u 出n l eu t i l 毋o f a n s y ss o f h a r e ，t 锄p e r a t i l r ef i e l do f m u l t i - s o u r c eo f h e a t o fh o l l o wc a m o d es i m e r i n gi ss i m u l a t e da i l df o r e c a s tt ov a r i a md i s 喇b u t i o nm o d e s a n di ti sp r o o f e db ye x p 觚m c n t t h es i i i l u l a t e dd i a g 姗o ft 锄p e r a t u r ed i s 倒b u t i o n w a sa c h j e v e d t h em l e so ft 锄p m l r ed i s m b m i o nw e r es t i l d i e di nm ef l l m a c e ，a 1 1 d t 1 1 e s i m u l a t i n gr e i u h sw e r ei na c c o r d a l l c ew i t l lt h ce x p e 曲e n tb ye x p e f i m e n t a l v e r i f i c a t i o n t h e s ep r o v es u 瓶c i e n t l y 血em e t h o do fu s i n ga n s y ss o r w a r ct o s i m u l a t et 锄p e r a t u r ef i e l do f h o l l o wc a t h o d es i n t c r 协gi sp o s i t i v ea i l de f r e c t i v e t h ec o n c l u s i o ni s 曲t a i n e dt 1 1 0 u 曲t h es i i n u l a t i n gr e s u l ta l l da c t u a lm e a s 。e m e n t r e s u l t ：t e m p e r a t u r ed i 丘b r e n c eb e t w e e l ls a i 】1 p l e sm “s h ，w h e ns p a c i n gi n t e r v a l e n l a r g e s ；t e m p e r a c l l r ed i 施r e n c eb e t 、v e e ns 卸1 p l e se n l a 喀e ，w h e nn 砌b e ro fs a m p l e i n c r e a s e ；t 1 1 0 u 曲s 锄p l e sa r em t i o n a l l yp u t ，t h eq u a l i t yo f s i n t c r i n gw i l lb ee n s s u r e d k e yw o r d sh o l l o wc a m o d e ；s i n t 甜n g ；t e t n p e r a n h f i e l d ；m q s y s ；m u l t i s o u r c eo 仆e a t i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：皴日期：碰z 。兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：兰豳垒 导师签名：日期：芝! ：! 第1 章绪论 1 ，1 粉末冶金烧结技术的发展概况 粉末冶金是制取金属粉末或者用金属粉末( 或金属粉末与非金属粉末的混合 物) 作为原料，经过成型和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的 工艺技术。 现代粉末冶金技术由于其少切屑、无切屑等工艺特点，在新材料的制备中发 挥了越来越大的作用。它的低耗、节能、节材，易控制产品孔隙度，是实现会属 一非金属复台，金属高分子复台等特点使其成为制取各种高性能结构材料、特种 功能材料和极限条件下工作材料的有效途径【1 l ，受到了人们的广泛关注。 粉末冶金烧结技术，实现了复杂形状零件的高精度、批量化生产，其成品率 高、加工能耗少，使用范围广【“，用于机电、汽车、矿山机械、化工机械、航空 航天、家用电器技术等行业中，使得粉末冶金得到飞速发展 3 】，粉末冶金技术成 为世界上近年发展最快的金属成形技术”j 。目前，用粉末冶金烧结件代替传统 的浇铸件，改善了产品的结构性能，降低了生产成本，带来了可观的经济效益。 其中粉末冶金烧结技术也不断向着快速化、高密度化、高性能化发展口j ，相继出 现了复压复烧、液相烧结、粉末热煅、热等静压及温压、电荷放电压实成型、微 波烧结、等离子烧结等新技术嘲。然而随着高技术、新材料研究和应用的不断发 展，这些方法仍难以满足新材料不断发展的需求。研究、开发新的烧结方法仍然 是粉末冶金领域的重要课题。空心阴极等离子粉末冶金快速烧结技术就是在这个 背景下提出来的，它是在快速烧结的基础上创造可控性的高温环境，从而提高烧 结效率的一种新型的烧结技术。 随着粉末冶金技术的不断发展，在2 0 世纪末的后9 年中，国际粉末冶金行 业创造了一个连续9 年增长的佳绩，并成为世界上近年发展最快的金属成形技术 【4 。粉末冶金零件行业是一个在快速发展的金属零件成形产业，统计数字显示， 2 0 0 3 年世界粉末冶金用金属粉末的货运量已达8 8 万吨，美国约占5 1 ，西欧占 1 8 ，日本1 3 ，其他国家与地区占1 8 。其他国家中包括中国、韩国、泰国、印 度、俄国与伊朗：e _ 【j 度约l 万吨，比上年增长1 7 ：伊朗约25 0 0 吨，比| ! 二年增 度、俄国与伊朗：印度约1 万吨，比e 年增长1 7 ：伊朗约25 0 0 吨，比上年增 北京工业大学工学硕士学位论文 长5 0 ：俄国铁粉约70 0 0 吨，有色金属粉末7o o o 吨，钨粉3o o o 吨，钼粉l5 0 0 吨 7 1 。 目前，用于交通运输行业的粉末冶金零部件的量占据了粉末冶金制品总产量 的6 5 ，电器占8 8 】。2 0 0 3 年，北美轻型车产量达15 8 0 万辆，每辆车平均用粉末 冶金零件1 9 5 公斤；西欧为9 公斤：日本为8 公斤。福特汽车平均每辆车用粉 末冶金零件已达2 1 8 公斤。9 5 的福特汽车用粉末锻造连杆，自1 9 8 6 年以来已 累计制造5 亿多个粉末锻造连杆【。 中国粉末冶金工业发展速度也很快，2 0 0 3 年的粉末冶金制品产量已达7 7o o o 吨，比上年增长1 8 ，销售额比上年增长2 0 。 由于粉末冶金制品具有更好的可靠性和耐久性，粉末冶金制品正在取代汽车 中的原铸铁件和机加工零件，随着粉末冶金制离合器冲头和托架等新产品的投入 使用，在汽车用变速器中使用的粉末冶金制品的总重量未来有望达到1 5 9 公斤。 所以，未来1 0 年汽车行业仍是粉末冶金行业的最大客户。从粉末冶金在国 民经济中逐渐上升的比例我们可以看出，粉末冶金技术的发展可以在很大程度上 带动整个行业经济效益的发展。 随着各项技术的不断进步和对制造工艺实践过程的日臻完善，粉末冶金行业 的发展前景也呈现出日趋向上的大好局面。然而，我国与外国同行业产品技术的 差异也是广泛存在着的。突出表现在以下几个方面： 1 产品水平低，表现在精度低、产品质量和稳定性差； 2 工艺装备落后，成型和烧结技术不能满足需要； 3 开发能力落后，对新技术的投入不够； 4 效益落后。 我国粉末冶金产品与国外相比存在着明显的差距。究其原因主要是在新产品 和市场的开发与投入方面严重不足，新技术、新工艺在很大程度上不能与国外先 进水平相抗衡，尤其突出表现在粉末制品的成型和烧结技术上，多数企业仍采用 能耗大、效率低、炉温均匀性差、质量不稳定的设型m 】。通过有关的资料我们可 以看出，在粉末冶金的生产加工过程中，设备的陈旧，技术的落后，导致效率的 低下。尤其在烧结过程中，能源的大量浪费以及产品质量的不稳定是发展粉末冶 第1 覃绪论 金工业的突出障碍。解决粉末冶金产品质量性能的关键是提高加工的技术水平， 不断改进工艺，提高质量。 1 2 粉末冶金烧结新技术 粉末冶金的烧结工艺，是决定粉末冶金制品质量的关键技术之一】。从现代 复合材料技术的理论来看，粉末冶金复合技术从微观上改变了单一材料的性能， 依靠扩散流动使物质发生迁移，同时原材料的晶体组织发生变化，最终“优育”出 高性能的复合材料【他】。而烧结作为粉末冶金生产过程中最重要的工序，一直以来 是人们研究的重点，近几年各种促进烧结的方法不断涌现，为丰富粉末冶金产品 性能提供了多种手段和方法。 1 放电等离子体烧结( s p a r kp l 蜘as i n t 耐n g ，s p s ) 放电等离子体烧结( s p s ) 1 3 】也称作等离子体活化烧结口l a s m aa c t i v a t e d s i n t 耐n g ，p a s ) 或脉冲电流热压烧结( p u l s ec u r r e n tp r e s s u r es i n t e r i n g ) ，是 自9 0 年代以来国外开始研究的一种快速烧结新工艺【1 4 】。由于它融等离子体活 化、热压、电阻加热为一体，具有烧结时间短、温度控制准确、易自动化、烧结 样品颗粒均匀、致密度高等优点，仅在几分钟之内就使烧结产品的相对理论密度 接近1 0 0 ，而且能抑制样品颗粒的长大，提高材料的各种性能，因而在材料处 理过程中充分显示了优越性。 将瞬间、断续、高能脉冲电流通入装有粉末的模具上，在粉末颗粒间即可产 生等离子放电，由于等离子体是一种高活性离子化的电导气体，因此，等离子体 能迅速消除粉末颗粒表面吸附的杂质和气体，并加快物质高速度的扩散和迁移， 导致粉末的净化、活化、均化等效应。第三代s p s 设备采用的是开关直流脉冲 电源，在5 0h z 供电电源下，发生一个脉冲的时间为3 1 2m s ，由于强脉冲电流加 在粉末颗粒间，即可产生诸多有利于快速烧结的效应。首先，由于脉冲放电产生 的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流动，可使粉末吸附的气体 逸散，粉末表面的起始氧化膜在一定程度上可被击穿，使粉末得以净化、活化； 其次，由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生，在粉末颗粒未接触部位产生的放电 热，以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热，都大大促进了粉末颗粒原子的扩散， 其扩散系数比通常热压条件下的要大得多，而达到粉末烧结的快速化；最后，开 北京工业大学工学硕士学位论文 关快速脉冲的加入，无论是粉末内的放电部位还是产生焦耳热部位，都会快速移 动，使粉末的烧结能够均匀化。 2 微波烧结( m i c r o w a v es i n t e r i n g ) 微波烧结 15 】的原理简单地说就是利用电介质在高频电场中的介质损耗，将 微波能转化为热能而进行烧结的。微波烧结过程中，热量的产生来自于材料自身 与微波的耦合，而非来自于外加热源的热传递，因此微波加热是一种体积加热。 由于微波对陶瓷材料有很强的穿透能力，因此微波烧结具有传统外热源加热无法 实现的许多优点，如：快速加热和烧结，升温速度可达5 0 0 i n 以上；体积性 加热，温场均匀无热应力；由于介质材料与微波直接耦合加热，只有试件处于高 温、炉体不吸收微波处于冷态，故无需加热元件和绝缘材料，可避免热源污染及 热损失，节能潜力巨大。 3 热等静压( h o ti s o s t a t i cp r e s s i n g 简称如p ) 技术 通常所称的热等静压基本原理是：以气体作为压力介质，使材料( 粉料、坯体 或烧结体) 在加热过程中经受各向均衡的压力，借助高温和高压的共同作用促进 材料的致密化【1 6 1 。 现在的热等压装置主要趋向于大型化、高温化和使用气氛多样化，因此，加 热炉的设计和发热体的选择显得尤为重要【1 7 】。目前，h i p 加热炉主要采用辐射加 热、自然对流加热和强制对流加热等三种加热方式，其发热体材料主要是n i c r 、 f e c r a 1 、p t 、m o 和c 等。 h i p 工艺的主要优点有：在成型方面保持了冷等静压的长处；可压制密度和 性能均匀的复杂形状产品；能制备形状及尺寸精密的产品；能获得接近理论密度 的产品，降低孔隙率；材料组织精细：有各向同性性能。 但是热等静压技术也有其技术上的局限性：投资高；工艺周期长；包套技术 复杂等。尤其是由于其成本的问题以及对温度控制的复杂性和苛刻要求，在国内 尚难得到进一步发展。 4 金属粉末选择性激光烧结成形( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，s l s ) 选择性激光烧结成形( s l s ) 1 8 1 是应用分层制造方法，以固体粉末材料直接成 形三维实体零件；此法不受材料种类的限制、不受零件形状复杂程度的限制。其 工艺是首先在计算机上完成符合需要的三维c a d 模型，再用分层软件对模型进 第l 章绪论 行分层，得到每层的截面，采用自动控帝4 技术，使激光有选择地烧结出与计算机 内零件截面相对应部分的粉末，使粉末经烧结熔化，冷却，凝固，成形。完成一 层烧结后再进行下一层烧结，且两层之间烧结相连。如此层层烧结、堆积，结果 烧结部分恰好是与c a d 原型一致的实体，而未烧结部分则是松散粉末，可以起 到支撑的作用，并在最后很容易清理掉。可供选区烧结的材料非常广泛，有石蜡 粉、塑料粉、金属粉和陶瓷粉等。金属粉末的选区激光烧结是目前选区激光烧结 技术的研究重点，金属粉末在激光烧结成型所得到的零件只是一种坯体，其机械 性能和热学性能还需通过后处理进一步提高。利用金属粉末进行选区激光烧结成 形是一个很有发展前途的工艺方法，具有广阔的应用前景。由于激光烧结金属粉 末是一个复杂的工艺过程，烧结难度较大，激光功率、扫描速度、扫描方式等都 对烧结精度有影响，直接制造出高精度的金属零件是激光快速成形追求的目标。 5 真空烧结技术( v a c u u n ls i n t e r i n g ) 真空烧结1 9 0 0 1 是利用烧结炉内近真空的气氛达到对制品的烧结目的，真空粉 末冶金工艺能制造熔炼法所得不到的或难以得到的具有独特优点的产品：能够 在很大程度使金属杂质达到自提纯和增大真空烧结产品的密度；能大大改进产 品的性能；晶界结合更牢固。 其缺点是：粉末在保存和进步加工的过程中，所吸收的气体对烧结过程和 烧结产品的质量起着明显的影响；在高真空中，碳化物中的碳还原氧化物薄膜， 可以引起烧结物产生缺陷。 随着新材料的不断开发特别是新材料制备技术的飞速发展，粉末冶金制品越 来越多地应用于各行业中，应用领域不断扩大，粉末冶金新技术层出不穷。 1 3 问题的提出及研究意义 空心阴极等离子粉末冶金快速高温烧结工艺是上世纪末新提出的种烧结 工艺。它是一种利用辉光放电形成空心阴极效应时，高密度大能量正离子对阴极 表面轰击产生的热效应使粉末坯料( 阴极) 快速加热到高温，从而快速烧结成型的 方法。 几年来，本课题组一直致力于空心阴极烧结： 艺的研究0 2 1 ，2 2 2 3 】：( 1 ) 对该 种工艺的加热功率特性和应用进行了试验研究。( 2 ) 从空心阴极的放电特性实 验出发，探讨了空心阴极的点燃条件、放电电流和升温特性以及气压、电压对电 北京工业大学工学硕上学位论文 流密度和温度的影响。( 3 ) 将空心阴极效应运用于a i n 陶瓷的烧结，选用自蔓 延高温合成的a i n 粉体为原料，用y 2 0 3 一l i 2 0 c a o ( y l c ) 作为烧结助剂，进 行了烧结试验，并探讨了工艺参数的影响，等。 这些试验研究表明，空心阴极烧结方法不仅可以用于金属粉末冶金制品的烧 结，而且可以用于陶瓷的烧结。对空心阴极烧结方法的分析表明，该方法有如下 特点： 热效应由粉末制品本身产生( 自发热) ，无须其它加热组件提供热能； 热效应来源于高能密度离子对样品表面的轰击，因而加热速度快，且可达 到很高的温度； 构成空心阴极的坯料数量和大小仅受炉体限制，可实现一次批量烧结； 烧结的同时可以通过控制气氛或引入溅射耙对制品进行表面合金化。 空心阴极烧结方法具有明显的新颖性、先进性和潜在的实用价值。 烧结制品一般都是在具有可控气氛的炉子中进行烧结的，因此烧结温度对烧 结制品的组织性能至关重要。一般认为，温度越高则烧结制品的烧结效果越好。 具体表现在：( 1 ) 烧结体更致密化；( 2 ) 粉末颗粒结合部位增多；( 3 ) 孔隙 形状圆整化。但也伴随着有晶粒尺寸长大、烧结件收缩增大等副作用。如果烧结 温度低，则烧结制品的性能则达不到要求【2 4 1 。通过对空心阴极等离子放电机理及 特性的研究，可以在很大程度上扩展高温、快速烧结的工艺，利用相对简单的设 备，烧制性能更好的样品，在烧结的过程中，解决好空心阴极内的真空控制问题， 利用辉光放电中电压、电流最高的部分，输出大功率。产生的热等离子体对样品 进行高温、快速烧结。同时，抑制样品内部晶粒的生长，降低孔隙率，提高密度， 使烧结产品拥有近乎于炼制品的相关性质。 为了使空心阴极烧结方法能够投入生产应用，有许多问题需要进行深入研 究，粉末制品坯料在烧结过程中的温度场分布就是其中之一。由于空心阴极烧结 的加热是在真空环境中靠粉末制品本身产生( 自发热) 的，当多个自发热体同时 处于同空间时，根据它们的排布方式不同，可能产生温度的不均匀分布。而烧 结过程中温度的均匀性是保证获得合格产品的重要环节，因此探讨利用空心阴极 进行大批量烧结时的温度场分布，是一个极其重要的研究课题。 第1 章绪论 本课题的研究就是利用空心阴极等离子快速烧结的机理，通过理论分析，软 件模拟以及实验研究，在多个自发热体不同的排布方式、不同的供电功率等情况 下，对空心阴极多热源烧结温度场进行模拟与预测，为空心阴极烧结方法更好地 应用于实际生产打好基础。 温度场分析的数值计算是用数值方法研究一定区域内的温度、热流量和温度 梯度随时间和空间的变化以及相应的热物性参数随温度变化等规律25 1 。所采用的 方法是根据所需求解的实际问题建立合理的数学模型，利用离散化处理的数值方 法，以电子计算机为工具，采用计算机程序来求解。研究温度场的方法有很多种， 其中包括有限元法【2 6 2 7 1 、无网格伽辽金法【2 8 、热流法例、神经网络法 3 0 1 等等。 而目前一种新颖的大型有限元数值模拟软件a n s y s 软件由于其功能的强大， 正被广泛应用于各个行业。本文将采用此软件进行空心阴极多热源烧结温度场的 研究。 1 4 本课题研究目的与内容 本课题研究目的在于掌握空心阴极多热源烧结的温度分布状况、温度变化规 律、热量传递规律以及工艺参数等对温度分布和热量传递的影响，从而指导空心 阴极烧结的进一步研究。基于此目的，论文的研究内容主要包括： ( 1 ) 对实际多热源炉进行一定的简化、假设和约定：采用能量守恒原理对 空心阴极烧结温度场进行传热学分析，确定空心阴极烧结的多热源温度场的初始 条件和边界条件，建立空心阴极的多热源烧结温度场数学模型；采用目前应用较 多的数值计算方法有限单元法对空心阴极烧结的多热源温度场进行分析研 究，建立多热源温度场数值计算模型和有限元分析的几何模型。 ( 2 ) 在几何模型和数学模型的基础上，采用a n s y s 软件模拟炉内稳定情况 下的温度趋势：研究供电功率对空心阴极的多热源烧结温度分布、热流量传递等 的影响。对上述模拟所得到的规律均进行一定的试验验证。 ( 3 ) 研究随试样数目趋于多个时，多热源试样之间温度分布趋势，探索炉 内温度场规律随炉内试样数目增加的发展趋势。 1 5 研究思路与方法 本论文通过对空心阴极多热源烧结进行基础的传热学分析和实际的简化、假 设和约定，以a n s y s 软件为工具建立空心阴极多热源烧结温度场的几何模型；然 后借助于a n s y s 软件对不同工艺条件下的多热源烧结的温度场规律进行数值模 拟；同时采用a n s y s 软件对热源数目趋于无数多个时的多热源烧结温度场进行模 拟，并通过实验对模拟结果进行验证。 第2 章基本原理 2 1 空心阴极放电的基本原理 2 1 1 气体导电理论 空心阴极放电是辉光放电的一种特殊形式，辉光放电又是气体导电的重要组 成部分，因此气体导电理论是进行空心阴极效应研究的基础。气体导电的物理机 理很复杂，随着气体的种类、气压、电极形状和尺寸、电极间的距离、外加电压、 电流的不同，气体放电可呈现多种放电形式，如电晕放电、火花放电、电弧放电 和辉光放电等在不同的条件下会出现各种不同形式的导电现象口4 1 。 在通常的状态下，任何气体中都具有少量的自由电子和离子，同样，在具有 一定真空度的充气管内的气体中也有微量的带电粒子存在，当充气管两极间加上 较低的电压时，空间便建立起弱电场。这些带电粒子能沿电场作漂移运动，因而 形成弱电流。在低气压 p 6 1 0 5 尸靠) 的条件下，当放电空间电场强度足够大时， 带电粒子在漂移运动过程中，从电场获得足够高的能量。具有高能量的带电粒子 与气体粒子之间可发生非弹性碰撞，使之激发或电离，从而使空间产生新的带电 粒子，因此，气体中带电粒子的浓度不断增大，这些新产生的带电粒子也在电场 的作用下继续移动，继续电离其它气体原子，这样带电离子急剧增多，带电粒子 在电场作用下定向迁移形成稳定的放电电流，产生辉光放电3 1 1 。 辉光放电是气体导电中的一种重要放电形式，由于放电管内两电极空间出 现特有的光辉，因而得名。辉光放电不是由于外界电子进入气体中引起的，而是 气体内部的电子引起的，所以属于气体自激导电。辉光放电现象具有如下特性： ( 1 ) 光的分布不是均匀的，而是分成几个发光区( 包括暗区，出齐8 个) 并有 不同的辐射强度和不同的光谱成分，其电学特性的差别也很大。如图2 1 所示， 从阴极到阳极可分为：阿斯顿暗区、阴极光膜、阴极暗区、负辉、法拉第暗区、 正柱、阳极暗区和阳极辉光等八个区域；( 2 ) 电压降落绝大部分落在阴极暗区， 形成所谓的“阴极位降”。以后几乎沿着整个灯管的电位降落都很微小，有时仅 在阳极附近能观察到不大的跃变阳极位斟”l 。 北京工业大学工学硕士学位论文 一阴极；+ 一阳极；a 一阿斯顿暗区：k 一阴极光膜 l 一阴极暗区；n 一负辉；f 一法拉第暗区：p 一正柱 p l 一阳极暗区：p g 一阳极辉光；v 一电位；i 一光强 图2 1 辉光放电的区域分布和区域中的电学特性 - 一c a t h o d e ；+ 一a 1 1 0 d e ；a a s t a 咀d a i l 【s p a c e ；k c 州d el i g h ti m m b r a n e ； l c a m o d ed a r ks p a c e _ n n e g a 石v eg l o wr e 舀o n ；f f a i a 嘶d a r ks p a c e ；p p o s i t i v ec 0 1 u 衄； p l a r l o d ed a r ks p a c e ；p g a n o d e 百a w ；v e l e c 勺血p o t e n t i 址i l i g h ti n t e i l s i t y ； f i g 2 1k g i o i l a ld i s 曲u t i o n 枷e l e c m c 竹c h a r a c t e ro f 9 1 0 wd i s c h a 增e 2 1 2 空心阴极效应 当装入两个以上的阴极且发生辉光放电时，各自的阴极附近将出现各自的阿 斯顿暗区、阴极光膜、阴极暗区和负辉，而法拉第暗区和正柱则是公共的。假若 让阴极间相互靠近，当阴极间距缩小到某一程度时，负辉区相互重叠，这时，可 看到负辉的发光强度和电流密度都大大增加，这就是空心阴极效应，这种放电就 叫空心阴极放电。在相同条件下，空心阴极放电的电流密度比正常辉光放电时显 著增大，气体离子化率成倍增加【3 3 】。 图2 2 是空心阴极效应发生时负辉发光强度增加的图解说明。由图可知，由 于两个平板阴极互相靠近，各个阴极附近的负辉相互叠加，合而为，发光强度 成倍增加。 若空心阴极效应的负辉长度为d ，阴极位降为v c ，气压为p ，则它们存在函 数依赖关系：p d = ，( ) ( 2 1 ) 第2 章基本原理 c - 罐 簧 a ) 普通辉光放电；b ) 空心阴极放电 a 阿斯顿暗区；l 一阴极暗区：c t 、c z - 两个平板阴极 图2 2 空心阴极效应发生时负辉发光强度增加的图解说明 a ) c o m m o ng l o wd i s c h a 唱e ；b ) h o l l o wc a t l o d ed i s c h a r g e a a s 协nd a r ks p a c e ；l a 廿l o d ed a r ks p e ；c 1 、c 2 枷op l 锄a rc a t l l o d e f i 9 2 - 2g m i 加ce x t e i l s i o no f n e g 撕v c9 1 0 wl u m i l l o u si i l c e i l s 时 w 心nh 0 1 1 0 wc a m o d ee 任b c tg e n e r a t e 计算可证，发生空心阴极效应时，阴极间距通常接近、但总是大于电子在所 充入的气体中的平均自由程，所以，当气压较小时，较大的阴极间距，就能发生 空心阴极效应；而当阴极间距一定时，空心阴极效应则为气压的函数。 空心阴极效应的实质是电子的振荡。当空心阴极效应未发生时，两阴极c l 和c 2 之间的距离d 是很大的，由阴极c 1 或c 2 逸出的电予，从阴极位降区获得 足够的速度后，进入各自的负辉区，使气体激发或电离，失去部分能量，再进入 法拉第暗区，最后趋向阳极。当距离d 减小或气压降低时，由阴极c l 逸出的电 子，可以入射到c 2 的阴极位降区，在那里受到c 2 的电场的排斥而返回c t ，当然， 对于由阴极c 2 逸出的电子，同样发生这种情况。在这一过程中，如果电子在运 动路线上同气体的原子发生了非弹性碰撞，那么电子必然消耗一部分能量，使这 些气体原子激发和电离。发生一次碰撞，电子大约失去几电子伏特的能量。因为 空心阴极放电的阴极位降一般约2 5 0 5 0 0 伏，而使一个原子激发或电离，一般约 需几至十几电子伏特的能量。所以，在c 1 和c 2 之间作了一次摆动的电子，在理 论上可以引起几十个原子的激发或电离。于是，阴极之间区域内的发光强度剧增。 北京工业大学工学硕士学位论文 由于气体碰撞提高了电离率，结果电流密度大了。如果没有空心阴极结构， 就不可能出现负辉区的重叠，也就没有电流放大效应。 空心阴极由于其放电的特点被广泛运用于各个科研领域，它最早应用于原子 光谱分析【3 4 】如：空心阴极作为光源的液晶显示研究及显示器材的应用研究f 3 5 l ； 空心阴极的场激发技术可以运用于导体、半导体、绝缘体材料的烧结领域3 6 】；空 心阴极技术运用于焊接领域【”1 ；运用于渗碳、渗硼1 3 8 】等工艺研究；在冶金领域， 成为等离子束炉设备的理论基础：另外还可以在真空镀膜技术中完善阴极的镀膜 装置等。因此空心阴极技术已经在近代工业生产、科学研究及工程领域显示出 强大的优势，已成为了一种不可缺少的应用前景十分广泛的新技术。 将空心阴极效应运用于粉末冶金烧结的烧结过程，是一种全新的，将稀薄气 体放电领域中的“副作用乙空心阴极发热现象重新加以利用的创造性思想 4 0 4 “。空心阴极效应是辉光放电中负辉区的合并而产生的h 2 】，在产生空心阴极效应 的区域内由于电离几率的增加而产生强大的离子流，温度可高达2 0 0 0 以上， 若将烧结试样放入空心阴极效应范围内加以烧结，则完全可以达到快速烧结的效 果。 2 1 3 空心阴极放电的阴极温度问题 根据空心阴极的蒸发机理可知，热空心阴极中物质的蒸发，主要靠热力学的 作用。由于空心阴极放电的电极之间电位分布的特点，( 参见图2 1 ) ，可以认为： 空心阴极烧结过程中，热阴极消耗电源的供电功率，主要取决于热辐射。 那么，斯蒂芬波尔兹曼关于黑体辐射的理论，可以近似地适用于热空心阴极， 因此，在一定温度下单位面积的总辐射功率为： 岛p ) ：砑 ( 2 _ 2 ) 式中丁为绝对温度，口为斯蒂芬波尔兹曼常数，约为5 6 7 1 0 。8 形m 2 世4 。 若辐射体的各个元面积凼上的温度相同，则辐射体的整个表面积所辐射的功率 为： 肛。p 协= 叮4 肛= s 卯4 ( 2 _ 3 ) 这样，阴极的温度就和它的辐射所消耗的功率联系起来。因为供电的功率等 于电流和电压的乘积，矿，则s 卯4 = 矿。所以，只要从空心阴极放电的伏安特性 曲线出发，绘出它的功耗曲线，就可大略地估计出阴极的温度随电流等因素变化 第2 章基本原理 的规律 2 9 】。 在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐 射并吸收热量。他们之间的净热量传递可以用斯蒂芬一波尔兹曼方程来计算： g = 舾4 。巧2 4 一碍) ( 2 4 ) 式中：印为热流率；为实际物体的辐射率，或称为黑度，它的数值处于0 1 之间；爿。为辐射面1 的丽积：e ：为由辐射面l 到辐射面2 的形状系数；互为辐射面 1 的绝对温度；为辐射面2 的绝对温度。由上式可以看出，包含热辐射的热分析 是高度非线性的。 对于由多个粉末坯料构成的空心阴极，各个坯料的温度可能不同，就形成空 心阴极烧结温度场。 2 2a n s y s 热分析原理 2 2 1a n s y s 热分析原理 a n s y s m l 进行热分析计算的基本原理是所处理的对象首先划分成有限个单 元( 每个单元包含若干个节点) ，然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初 始条件下每一节点处的热平衡方程，由此计算出各节点温度值，继而进一步求解 出其他相关量。 一般来说，单元划分得越小，单位区间或空间内所容纳的单元数量越多，计 算精度就会越高。但单元数量的增加会带来运算速度的下降，因此在实际建模和 网络划分过程中需根据具体情况灵活处理。比如，在模型中形状复杂或温度变化 剧烈的区域把单元划分的密一些；而在其余地方则可把单元适当划分疏一些。这 样就无须增加单元和节点数，即可提高计算精度。 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律： 1 对于一个封闭的系统( 没有质量的流入或流出) ： q 一矽= u + 臣e + p e( 2 5 ) 式中：q 表示热量：矿表示做功；c ，表示系统内能；麒e 表示系统动能： 阳表示系统势能。 2 对于大多数工程传热问题：战g = p e = o 通常考虑没有做功：= o ，则：q = u ； 对于稳态热分析：q = u = o ，即流入系统的热量等于流出的热量； 北京工业大学工学硕士学位论文 对于瞬态热分析：g ：掣，即流入或流出的热传递速率g 等于系统内能的 变化。 2 2 2a n s y s 中关于辐射的重要假设和方法： 一a n s y s 认为辐射是平面现象，因此适合用不透明平面建模。 一a n s y s 不直接计入平面反射率。考虑到效率，假设平面吸收率和发射率 相等( a = e ) 。因此，只有发射率特性需要在a n s y s 辐射分析中定义。 一a n s y s 不自动计入发射率的方向特性，也不允许发射率定义随波长变化。 发射率可以在某些单元中定义为温度的函数。 一所有分隔辐射面的介质在计算辐射能量交换时都看作是非参与的( 不吸收 也不发射能量) 。 2 2 3 边界条件和初始条件 为了使得每一节点的热平衡方程具有唯一解，需要附加一定的边界条件和初 始条件，统称为定解条件。 ( 1 ) 三类边界条件 1 第一类边界条件 物体边界上的温度函数为已知，用公式表示为： ，f ，= 五；叫，= 厂g ，y ，：，f ) ( 2 - 6 ) r 为物体边界；矗为已知温度；厂g ，弘z ，) 为已知温度函数。 2 第二类边界条件 物体边界上的热流密度为已知，用公式表示为： 一七飘邓一七氯啦拂z ，f ) 陋， 式中，g 为热流密度( 常数) ；g g ，弘z ，r ) 为热流密度函数，x 、) 、z 为迪 卡尔坐标，r 为时间。 3 第三类边界条件 与物体相接触的流体介质的温度和换热系数已知，用公式表示为： 一七烈= 口仿一巧】， ( 2 _ 8 ) 锄卜 、 川r 第2 苹基本腺理 式中，0 为流体介质的温度；口为换热系数。弓和口可以是常数。也可以 是随时间和位置而变化的函数。 ( 2 ) 初始条件 初始条件是指传热过程开始时物体在整个区域中所具有的温度为已知值，用 公式表示为： r l = 巩x ，y ) ( 2 9 ) 式中，p g ，_ y ) 为已知温度函数。 2 2 4 热载荷 a n s y s 8 0 中共提供了6 种载荷，可以施加在实体模型或单元模型上，包括： 温度、热流率、对流、热流密度、生热率和热辐射率。 1 温度 作为第一类边界条件，已知温度场施加于边界上。它可以施加在节点上，也 可以施加在实体模型的关键点、线段及面上。 2 热流率 热流率是一种节点集中载荷，只能施加在节点或关键点上，主要用于线单元 模型。 3 对流 对流是一种面载荷，用于计算流体与实体的热交换。它可以施加在有限元模 型的节点及单元上，也可以旌加在实体模型的线段和面上。 4 热流密度 热流密度，又称热通量，单位矿研2 。热流密度是一种面载荷，表示通过单 位面积的热流率。当通过单位面积的热流率已知时，可在模型相应的外表面施加 热流密度。若输入值为正，则表示热流流入单元：反之，则表示热流流出单元。 它可以旌加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的线段和面 上。 5 生热率 生热率既可看成是材料的一种基本属性，又可作为载荷施加在单元上。它可 以施加在有限元模型的节点上，也可以旆加在实体模型的关键点、线段、面及体 e 。 北京工业大学工学硕士学位论文 6 热辐射率 热辐射率也是一种面载荷，通常施加于实体的外表面。它可以施加在有限元 模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的线段和面上。 2 2 5 稳态热分析 如果系统的净热流率为0 ，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于 流出系统的热量，则系统处于热稳态。即热稳态的条件是： q 呻。+ 。一既训= o ( 2 1 0 ) 在稳态热分析中任一节点的温度都不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方 程为( 以矩阵形式表示) ： 区弦) = q ( 2 1 1 1 ) 式中：k 】为传导矩阵，包含导热系数、对流系数、辐射率、形状系数；留 为节点温度向量； q ) 为节点热流率向量，包含热生成。 a n s y s 利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成 k 】p ) 以及 q ) 。 2 2 6 瞬态热分析 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、 热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理，瞬 态热平衡可以表达为( 以矩阵形式表示) ： r 、 刚丁 + k 】 丁) = q ) lj a n s y s 在热分析过程中，如果考虑辐射传热，则该分析为非线性热分析。 非线性热分析的热平衡矩阵方程为： r 、 【c 仃刈， + k 仃) 归) = 融p ) 】 ( 2 1 2 ) lj 2 2 7a n s y s 中的热辐射公式 ( 1 ) 角系数的计算 在分析两个表面之间的辐射换热时，常常需要求解一个重要的参量角系 数。角系数由相互辐射的两个平面( i 和j ) 定义。它的定义是由于从一