مزایای سرامیک آلومینا (Al2O3) به خوبی شناخته شده است: سختی بالا، نقطه ذوب بالا، مقاومت در برابر خوردگی و سایش عالی. با این حال، تف جوشی معمولی بدون فشار برای از بین بردن منافذ داخلی به طور کامل تلاش می کند، استحکام، شفافیت و قابلیت اطمینان مواد را به دلیل عیوب باقیمانده محدود می کند. برای دستیابی به متراکم شدن کامل بدون درشت شدن بیش از حد دانه، رویکردهای مهندسی اعمال فشار خارجی را در دماهای بالا معرفی کرده اند که پرس گرم (HP) و پرس ایزواستاتیک گرم (HIP) معرف ترین روش ها هستند. علاوه بر این، فناوری پلاسمای حرارتی ارزش منحصر به فردی را در تولید پودرهای آلومینا با کیفیت بالا نشان داده است.
پرس داغ (HP)
پرس گرم شامل اعمال فشار مکانیکی تک محوری به پودر فشرده در حین گرم شدن، ترکیب تشکیل و تف جوشی در یک مرحله است. فشار معمولاً در محدوده 20 تا 50 مگاپاسکال است و بسته به اندازه ذرات و خلوص آلومینا، دما بین 1400 تا 1700 درجه تنظیم می شود. فشار خارجی به عنوان یک نیروی محرکه اضافی برای چگالش عمل می کند، به طور موثری بازآرایی ذرات و جریان پلاستیک را تقویت می کند، در نتیجه منافذ را قبل از رشد قابل توجه دانه "فشرده" می کند. در نتیجه، پرس گرم می تواند در دماهای پایین تر از تف جوشی بدون فشار، به چگالی نزدیک به نظری برسد.
سرامیک های آلومینا شفاف یک کاربرد کلاسیک پرس گرم هستند. آلومینا پلی کریستالی متخلخل متعارف به دلیل پراکندگی نور در مرزهای دانه و منافذ مات است. پرس گرم می تواند تخلخل را به زیر 0.1٪ کاهش دهد و سرامیک هایی با ضریب عبور قابل توجه در محدوده قابل مشاهده را تولید کند که در پاکت های لامپ سدیم فشار بالا، پنجره های مادون قرمز و کاربردهای مشابه استفاده می شود. بسترهای آلومینا با رسانایی حرارتی بالا نیز اغلب از پرس گرم یا ریخته گری نواری و فرآیند ترکیبی پرس گرم استفاده می کنند. هنگامی که پودر آلومینا ریز در دمای حدود 1550 درجه فشرده می شود، چگالی نسبی می تواند از 98.8٪ تجاوز کند و رسانایی حرارتی تقریباً 37 W/(m·K) می رسد و نیازهای اتلاف حرارت مدارهای مجتمع قدرت را برآورده می کند.
برای اجزای سرامیکی با اشکال پیچیده،ریخته گری پرس گرم( قالب گیری تزریق فشار کم ) مسیر فنی دیگری را ارائه می دهد. پودر آلومینا با یک بایندر مبتنی بر پارافین مخلوط شده، به یک قالب فلزی تزریق می‌شود، سرد می‌شود، قالب‌گیری می‌شود و سپس در معرض جداسازی و تف جوشی قرار می‌گیرد. این روش دقت ابعادی بالا و پرداخت سطحی خوبی را ارائه می‌کند و آن را برای تولید دسته‌ای قطعات پیچیده مناسب می‌سازد، اگرچه کنترل دقیق فرآیند جداسازی برای جلوگیری از نقص لازم است.
پرس ایزواستاتیک داغ (HIP)
پرس ایزواستاتیک داغ از آرگون یا نیتروژن به عنوان محیط فشار برای اعمال فشار همسانگرد بالا (معمولاً 100 تا 200 مگاپاسکال) روی قطعه کار در حالی که همزمان گرم می شود، استفاده می کند. در مقایسه با پرس گرم تک محوری، HIP توزیع فشار یکنواخت تری را ارائه می دهد و می تواند قطعات پیچیده شکل یا بارهای دسته ای را تحمل کند. HIP در دو حالت اصلی روی آلومینا اعمال می شود: به عنوان یک مرحله پس از تصفیه برای متراکم کردن سرامیک های قبلا پخته شده که هنوز حاوی مقدار کمی تخلخل بسته هستند، یا به عنوان یک فرآیند پخت مستقیم HIP که در آن پودر محصور شده به طور کامل در یک مرحله متراکم می شود.
داده‌های تحقیقاتی نشان می‌دهد که سرامیک‌های آلومینا تیمار شده با HIP اساساً به چگالی نظری (3.98 گرم بر سانتی‌متر مربع) می‌رسند، با اندازه‌های دانه در محدوده 2 تا 8 میکرومتر کنترل می‌شوند و منافذ تقریباً حذف می‌شوند. به عنوان مثال، هنگامی که در دمای 1700 درجه و 150 مگاپاسکال پردازش می شود، سختی و استحکام خمشی آلومینا را می توان در مقایسه با نمونه های متخلخل بدون فشار 8 تا 10 درصد بهبود بخشید. برای کامپوزیت های زمینه آلومینا، مانند سرامیک های تقویت شده با سبیل Al2O3/SiC، ترکیبی از تف جوشی در مایکروویو به دنبال HIP، چگالی را از 97.5٪ به 99.6٪ افزایش می دهد و چقرمگی شکست را تا 10٪ افزایش می دهد.
HIP به ویژه در زمینه زیست پزشکی مهم است. سرهای مفصل ران مصنوعی آلومینا به قابلیت اطمینان بسیار بالا و مقاومت در برابر خستگی نیاز دارند. درمان HIP عیوب میکرو داخلی را از بین می برد و در نتیجه استحکام خمشی بیش از 600 مگاپاسکال ایجاد می کند. به همین ترتیب، سرامیک‌های کامپوزیت آلومینا سخت شده زیرکونیا (ZTA) اغلب تحت فشار HIP قرار می‌گیرند تا به چگالی کامل دست یابند و در هنگام استفاده در بدن انسان پایداری طولانی‌مدت را تضمین می‌کنند.
البته تجهیزات HIP گران است و چرخه فرآیند نسبتا طولانی است. معمولاً برای کاربردهای با کارایی بالا مانند قطعات هوافضا، ایمپلنت‌های پزشکی، یاتاقان‌های سطح بالا و مهر و موم‌های مقاوم در برابر سایش استفاده می‌شود.
تهیه پلاسمای حرارتی پودر آلومینا
فرآیندهای فوق الزامات واضحی را بر ویژگی های پودر شروع (خلوص، اندازه ذرات، مورفولوژی و قابلیت پخش شدن) تحمیل می کنند. فناوری پلاسمای حرارتی مسیری موثر برای تولید پودر آلومینا با کیفیت بالا فراهم می کند. این اصل شامل تغذیه پودر آلومینیوم یا سیم آلومینیوم به یک جت پلاسمای حرارتی (با درجه حرارت به چند هزار درجه سانتیگراد) است، جایی که فورا ذوب شده و اکسید می شود تا آلومینا تشکیل شود، که سپس به سرعت به ذرات کروی بسیار ریز سرد می شود.
The alumina powder obtained by this method exhibits a high spheroidization rate, narrow particle size distribution (typically sub micron to a few microns), high purity (>99.9٪، و جریان پذیری خوب، آن را برای اسپری حرارتی، ریخته گری نوار، و قالب گیری تزریقی مناسب می کند. در مقایسه با مسیرهای شیمیایی، روش پلاسمای حرارتی دارای جریان فرآیند کوتاه، بدون تخلیه زباله مایع و مقیاس پذیری آسان است. پودر آلومینا کروی اکنون به طور کامل در زمینه هایی مانند پرکننده های رسانای حرارتی برای بسته بندی الکترونیکی، ساینده های صیقل دهنده دقیق و پوشش های مانع حرارتی استفاده می شود.