Các nguyên tử của gốm nitrua silic được liên kết với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị mạnh — đây là một đặc tính vốn có khiến loại gốm vô cơ phi kim loại này rất khó đạt được quá trình nung kết đặc chặt. Trong quá trình chế tạo, vật liệu không chỉ phải chịu đựng môi trường nhiệt độ cao trên 1800℃ mà còn cần duy trì áp lực nung kết trong thời gian dài. Môi trường chế tạo khắc nghiệt như vậy dễ gây ra các lỗ rỗ bên trong và hiện tượng nứt ở phôi chưa nung, từ đó làm suy giảm trực tiếp hiệu năng cơ học cũng như độ tin cậy chức năng tổng thể của vật liệu. Để giải quyết vấn đề chế tạo này, ngành công nghiệp đã phát triển nhiều quy trình nung kết khác nhau.
1. Nung kết không áp lực
Trong quá trình chuẩn bị nitrua silic thông qua nung kết ở áp suất khí quyển, tồn tại một mâu thuẫn cốt lõi: quá trình làm đặc vật liệu cạnh tranh với phản ứng phân hủy ở nhiệt độ cao của nitrua silic. Vấn đề này trở nên rõ rệt hơn trong hệ thống thành phần có chứa phụ gia dựa trên magie. Để cải thiện hiệu quả làm đặc của phôi ở điều kiện khí quyển, ngành công nghiệp thường sử dụng ôxít yttri kết hợp với ôxít magie, hoặc ôxít yttri, ôxít nhôm và nitrua nhôm kết hợp làm thành phần hỗ trợ nung kết để sản xuất nitrua silic. Sau khi kiểm chứng rộng rãi, hai thành phần gồm ôxít yttri + ôxít nhôm và ôxít yttri + ôxít magie đã trở thành lựa chọn chủ lưu trên thị trường. Quy trình này chưa được áp dụng phổ biến trong các lĩnh vực composite chuyên biệt. Tuy nhiên, miễn là kết hợp với các kỹ thuật gia công phù hợp và kiểm tra không phá hủy nhằm loại bỏ các khuyết tật bên trong, các bộ phận nitrua silic được sản xuất bằng phương pháp nung kết ở áp suất khí quyển hoàn toàn có thể sử dụng cho phụ kiện thiết bị yêu cầu độ tin cậy cao.
2. Nung kết phản ứng (RBSN)
Việc sản xuất gốm nitrua silic phản ứng - nung kết xốp bắt đầu bằng việc chuẩn bị các phôi gốm từ bột silic nghiền mịn sau khi xử lý nén. Các phôi này được đặt trong môi trường nitơ hoặc amoniac và được gia nhiệt liên tục trong khoảng nhiệt độ 1000 – 1450°C. Trong quá trình này, bột silic trải qua phản ứng nitrua hóa, tạo thành pha tinh thể hỗn hợp gồm α-Si3N4 và β-Si3N4. Quá trình nitrua hóa này gây ra sự giãn nở thể tích khoảng 22%, nhưng các lỗ rỗng còn lại giữa các hạt trong phôi có thể bù đắp hiệu ứng giãn nở này. Trong quá trình nung kết, kích thước phôi gần như không bị biến dạng co lại. Nhờ đặc tính duy trì kích thước không đổi này, quy trình rất phù hợp để sản xuất các khối gốm có hình dạng đặc biệt, các bạc lót có hình dạng đặc biệt và đế của các bộ phận chèn giữa các đốt sống. Sau khi nung kết, không cần gia công thêm bằng dụng cụ kim cương, do đó mang lại lợi thế chi phí đáng kể. Ngay cả khi độ xốp của sản phẩm hoàn chỉnh vẫn ở mức 20% – 30%, các chi tiết này vẫn duy trì các tính chất cơ học xuất sắc, với độ bền uốn lên tới 350 MPa.
3. Ép nóng và nung kết (HP)
Quá trình nung ép nóng không thể làm đặc phôi gốm nitrua silic mà không thêm bất kỳ chất phụ trợ nào. Do đó, các vật liệu dựa trên magiê như oxit magiê và nitrua magiê được trộn vào hệ bột như các chất hỗ trợ nung. Lượng bổ sung tối ưu của các chất phụ trợ này nên được kiểm soát trong khoảng 3,3–5,0% khối lượng. Trong quá trình xử lý, áp lực cơ học 23 MPa được tác dụng lên phôi, đồng thời nhiệt độ nung được đặt ở mức 1800±50℃ với thời gian giữ nhiệt từ 4 đến 18 phút. Quy trình này có thể tạo ra các chi tiết gốm đặc với tỷ trọng tương đối cao hơn 99,9%, và độ bền uốn của sản phẩm hoàn tất đạt 690±20 MPa. Nhờ mật độ cực cao, quy trình nung ép nóng có thể được sử dụng để sản xuất các sản phẩm yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng cơ học, chẳng hạn như vòng bi nitrua silic, thanh gốm nitrua silic và bi chống mài mòn nitrua silic. Giải pháp này cũng đã được triển khai trong sản xuất công nghiệp.
4. Nung chảy áp suất khí (GPS)
Chức năng cốt lõi của quy trình nung kết dưới áp suất là giải quyết vấn đề công nghiệp về khả năng phân hủy dễ dàng của nitrua silic trong quá trình nung kết ở nhiệt độ cao. Quy trình này đạt được điều này bằng cách đưa khí nitơ có áp suất cao vào buồng nung kết, tạo ra một môi trường bảo vệ có áp suất cao, từ đó hiệu quả đảo ngược và ức chế phản ứng phân hủy nitrua silic ở nhiệt độ cao, đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc và hiệu suất ổn định của phôi trong quá trình đặc hóa ở nhiệt độ cao. Với hiệu quả đặc hóa vượt trội và độ ổn định vật liệu cao, quy trình nung kết dưới áp suất có thể sản xuất các loại chén nung nitrua silic chịu nhiệt độ cao quy mô lớn cũng như các ống gốm nitrua silic dạng ống dài, cùng nhiều linh kiện cấu trúc khác có độ chính xác cao và khả năng chịu nhiệt tốt. Các sản phẩm nitrua silic được chế tạo bằng quy trình này có hiệu suất tổng thể rất gần với những sản phẩm do các quy trình nung kết phổ biến hiện nay tạo ra, đồng thời sở hữu hiệu suất tổng hợp xuất sắc, mở ra triển vọng ứng dụng công nghiệp rộng rãi.
5. Phản ứng nung kết kết hợp với nitrua silic (SRBSN)
Để cải thiện khả năng nung kết của các phôi xanh, người ta thêm vào bột silicon thô các thành phần phụ trợ nung kết là nhôm oxit, silic dioxit và canxi oxit. Toàn bộ quá trình chuẩn bị được chia thành hai giai đoạn nung. Trước tiên, trong môi trường chứa khí hydro hoặc hỗn hợp argon và nitơ, tiến hành phản ứng nitrua hóa kéo dài ở nhiệt độ 1400℃ trong thời gian từ 150 đến 300 giờ. Sau khi hoàn tất nitrua hóa, vật liệu được chuyển sang môi trường nung kết áp suất cao, nơi duy trì ở nhiệt độ từ 1700 đến 1950℃ trong 1–2 giờ. Áp suất khí nitơ trong môi trường này được điều chỉnh trong khoảng từ 0,21 đến 2,1 MPa. Nhờ quy trình này, độ đặc của các phôi xanh có thể vượt quá 86% mật độ lý thuyết. Nếu tăng thêm áp suất khí nitơ bên trong buồng nung kết lên trên 10 MPa, độ đặc của các phôi xanh có thể đạt tới 98% giá trị lý thuyết và độ bền uốn của các chi tiết cũng đạt 750 MPa. Với độ chính xác tạo hình tốt và chi phí gia công kiểm soát được, quy trình này có thể được sử dụng để sản xuất các vòng gốm silicon nitrua chịu tải nặng và các tấm gốm silicon nitrua kích thước lớn. Sau khi cải thiện độ đặc, các tính chất vật lý và cơ học của những chi tiết này đã đủ khả năng đáp ứng hiệu năng của các sản phẩm gốm silicon nitrua nung kết cao cấp đang có mặt trên thị trường.
6. Ép nóng phóng điện (SPS)
Quá trình ép nóng phóng điện dựa vào tác dụng trực tiếp của dòng điện xung lên khối bột đã nén, và sử dụng gia nhiệt điện trở để tăng nhanh nhiệt độ của khối bột. Quy trình này có thể đạt được sự đặc hóa đồng nhất mà không cần giữ ở nhiệt độ cao trong thời gian dài. Chế độ xử lý ngắn hạn ở nhiệt độ cao như vậy có thể ức chế sự phát triển liên tục của hạt tinh thể, tránh biến đổi pha bất thường, duy trì cấu trúc vi tinh thể mịn của vật liệu, từ đó giúp các chi tiết đạt được tính chất cơ học vượt trội hơn. Quy trình này thích hợp để gia công các tấm gốm silicon nitrua siêu mỏng và các chốt định vị silicon nitrua cỡ nhỏ, là những chi tiết chính xác có kích thước nhỏ. So với các phương pháp nung kết thông thường, toàn bộ quy trình tiêu tốn ít thời gian hơn, nhịp độ gia công nhanh hơn và có thể rút ngắn đáng kể chu kỳ gia công tổng thể của các chi tiết silicon nitrua.
EN
