碳化硅重结晶烧结炉是用于制备重结晶碳化硅(R-SiC)的设备。其工艺原理是在高温(2100-2300℃)下,通过表面扩散和蒸发-凝聚机理进行原子的传输和迁移,使SiC坯体烧结获得强度。
具体工艺过程如下:
原料选择:使用高纯度α-SiC为原料,要求SiC含量在99%(质量分数)以上,否则会影响制品的抗氧化性能和抗热震性能。原料的颗粒形状最好近似球形,粒度一般在10μm以下,且理想的原料粒度分布为双峰晶粒分布,粗料和细料的配比通常为6:4。经过表面改性可提高原料分散性,进而提高生坯的密度。
成型:可采用注浆成型或挤出成型等方法。注浆成型能制备出任意复杂外形及大型薄壁注件,坯体结构均匀;挤出成型法则具有生产连续、效率高、应用范围广等优点。注浆成型过程中需控制注浆生坯结构均匀,原料的分散与稳定是关键;挤出成型时需加入适量塑化剂、润滑剂改善泥料的塑性,且泥料的含水和塑化剂用量要尽量少。
高温烧结:在石墨感应炉内进行高温烧成,通常于1900℃颗粒表面扩散开始重结晶,获得最大强度的烧结温度在2150-2300℃。在这个过程中,小尺寸SiC颗粒首先蒸发,然后择优沉积在较大SiC颗粒的近颈部表面处,即从带凸面小晶粒蒸发的物质在带凹面及平坦表面的晶粒处凝结,使大晶粒颈部生长,小晶粒被消耗至消失,SiC晶粒直接结合,从而获得强度。
由于重结晶碳化硅具有特殊的烧结机理,使其具备以下特点:
烧结过程无体积变化:因为烧结过程中未发生晶体或体积扩散,可制备形状复杂、精度较高的部件。
经烧结后密度几乎不增加。
不含玻璃相和杂质,具有非常清晰洁净的晶界:因为任何氧化物或金属杂质在2150-2300℃的高温下已经挥发掉。
烧成后孔隙率高:含有10%-20%的残余气孔率,从而具有优异的耐高温性能和抗热震性。
重结晶碳化硅的应用领域包括:
高温窑具:能在高温环境下长时间使用。
热交换器:利用其高导热率和耐高温性能。
燃烧喷嘴:可承受高温和腐蚀环境。
在实际应用中,碳化硅重结晶烧结炉的性能和具体参数可能会因设备型号和生产厂家而有所不同。例如,一些高温烧结炉的设计温度可达2500℃,常用温度在2400℃以内;具备真空置换Ar₂、N₂保护(微正压)功能;采用红外光学测温仪,测温精度可达0.3%;温度控制采用全程序PID自动控制和手动控制,人机界面操作自动化程度高;采用纯水冷却系统、数字式流量监控系统、高性能中频接触器对炉体进行自动转换;具备全面的PLC水、电、气自动控制和保护系统;可采用间歇工作方式,能小批量多品种生产或大批量生产等。