石墨模具在真空热压烧结中的主要功能是定义材料的最终几何形状，同时作为压力传递的介质。为了成功地将低碳钢基材与高熵合金涂层结合，模具必须具有优异的高温强度，以在特定的烧结条件下（通常为 1373 K 和 30 MPa）承受压力而不发生变形。
核心见解：石墨模具不仅仅是一个被动的容器；它是一个主动的机械部件，必须在极端高温和高压下保持尺寸稳定性，以强制粉末致密化，并确保不同材料层之间的冶金结合。
烧结过程中的核心功能
几何定义和约束
石墨模具最直接的功能是作为原材料的精确容器。具体来说，它用于装载和定位低碳钢基材粉末和高熵合金涂层粉末。模具约束这些松散的粉末，在从粉末到固体的转变过程中定义复合材料的最终形状。
压力传递和致密化
除了成型，模具还充当液压系统和材料之间的关键界面。它必须有效地将机械压力（轴向力）传递到内部粉末压坯。在钢基复合材料的背景下，这种压力（特别是约 30 MPa）对于消除孔隙、致密化粉末以及驱动涂层与基材之间紧密冶金结合的形成是必需的。
导热性
虽然主要是结构性的，但模具也起到导热体的作用。它有助于将热量从炉子元件传递到粉末压坯。均匀的热分布对于确保烧结温度（1373 K）在整个样品中均匀达到至关重要，从而防止局部缺陷或不均匀的结合。
关键材料要求
高温机械强度
模具的决定性要求是能够承受高温下的变形。标准钢模在烧结条件下会软化或熔化。石墨模具必须在 1373 K（约 1100°C）下保持高强度，以确保施加的压力压缩粉末，而不是使模具壁膨胀。
尺寸稳定性
模具必须表现出最小的热膨胀和蠕变。如果模具尺寸在高温或负载下发生显著变化，最终的复合材料将缺乏所需的几何精度。选择高质量的石墨是因为它能够保持化学稳定性和刚性，确保最终零件符合预期的设计规范。
表面润滑性和脱模性
次要但至关重要的要求是便于样品移除。石墨具有天然的润滑性和化学稳定性。这可以防止钢复合材料在过程完成后粘附在模具壁上，从而确保烧结后的坯料可以被移除而不损坏表面光洁度或模具本身。
理解权衡
强度与脆性
虽然石墨在承受高压缩载荷和高温方面表现出色，但与金属相比，它本质上是脆性的。它能很好地承受特定的 30 MPa 压缩载荷，但对拉伸应力或冲击的容忍度很低。液压机中的对准不当可能导致灾难性的模具断裂。
反应性和气氛
石墨在真空中化学稳定，这就是为什么此过程在真空热压烧结中进行的原因。然而，在这些温度（1373 K）下，如果暴露在空气中，石墨会迅速氧化。因此，真空环境的完整性与模具材料本身一样关键；泄漏会降解模具并可能污染钢复合材料。
为您的目标做出正确选择
在为钢复合材料烧结选择或设计石墨模具时，请考虑您的具体加工优先级：
- 如果您的主要重点是致密化和结合强度：优先选择具有最高可用抗压强度的石墨等级，以承受 30 MPa 或更高的压力，从而最大化基材和涂层之间的机械互锁。
- 如果您的主要重点是几何精度：选择高密度、不同晶粒的石墨，它提供优异的热稳定性，以最小化 1373 K 下的膨胀。
总结：钢基复合材料烧结的成功依赖于石墨模具，该模具在高温刚性与驱动同时致密化和结合所需的热导率之间取得平衡。
总结表：
| 特性 | 要求/功能 | 在烧结过程中的作用 |
|---|---|---|
| 耐温性 | 在 1373 K 下稳定 | 防止加热过程中模具变形或熔化 |
| 压力处理能力 | 支持高达 30 MPa | 促进致密化和冶金结合 |
| 材料特性 | 天然润滑性 | 确保轻松脱模而不损坏表面 |
| 几何作用 | 精确约束 | 定义钢基材和合金涂层的最终形状 |
| 导热性 | 高均匀性 | 确保粉末压坯的均匀热分布 |
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