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金属材料微波烧结的研究现状
作者：发布时间：2020-03-10 11:27:12点击率：4272
作者：陈鼎，李林，陈振华
摘要：微波烧结是近年来广泛研究的一种全新的烧结技术.己经在金属、陶瓷以及复合材料上取得了广泛应用。针对金属材料微波烧结在国内、外的研究现状.从金属材料微波烧结的特点以及在金属材料领域一些较为典型的应用实例进行了较为全面的介绍;最后对微波烧结的应用前景进行了展望.并指出了该技术在金属材料制备中存在的一些不足。
关键词：微波烧结；金属材料；特点
0引言
微波烧结是近年来迅速发展起来的一种加热烧结新技术.它不同于通过传导、辐射、对流机制传递热量的传统加热烧结力一法.它是利用微波的特殊波段与材料的基本结构祸合而产生热量.通过材料的介质损耗使得材料整体被加热至烧结温度而实现致密化。具有烧结温度低、烧结周期短、能量损耗低、环境友好等特点，符合当前发展绿色工业的趋势。20世纪60年代，Tinga首先在陶瓷材料的制备中应用了微波烧结技术，同时，关于材料介质特性的研究获得了突破性进展，这为微波烧结的应用奠定了理论基础。随后，世界能源危机的爆发推动了各国学者对微波烧结技术的进一步研究，至今，微波烧结技术己成功应用于制备各种陶瓷材料、金属材料和复合材料等。在研究的早期，人们普遍认为块状金属会反射微波，且具有等离子放电和电弧放电现象，因此不能使用微波烧结技术制备。20世纪80年代Walkewicz在2. 4 GHz频率的微波场中对6种金属粉进行中温加热，但他没有进行烧结研究，虽然后来Whittaker将金属粉与硫磺混合后进行微波高放热烧结，合成出金属硫化物，但金属粉的微波烧结在其后很长的一段时间内一直未被提及。1999年.美国Roy教授等突破了传统观点，率先成功进行了铁、铜、镍、钻、钨及铁铜、铁镍、镍铝铜等金属或合金的粉末冶金微波烧结，在全世界范围内引起了巨大反响.近10多年来许多人对此产生了浓厚的兴趣，并进行了大量研究，使得微波烧结技术在金属材料中的应用己经逐渐成为粉末冶金特种烧结领域的一个研究热点。进入21世纪以来，人们对环境和资源问题日益重视，微波烧结技术必将受到更为广泛的研究与应用，该技术己被誉为“21世纪新一代烧结技术”。为了给国内相关研究人员提供参考.作者对金属材料微波烧结的研究现状进行了综述，并结合其特点及一些较为典型的实例进行了较为全而的介绍。
1 微波烧结的特点
微波是一种频率在300MHz-300GHz、波长在1mm-1m的电磁波，日前烧结应用中使用的频率主要为2. 45GHz。微波烧结与传统烧结技术相比，具有如下特点。
1. 1体积加热
微波烧结是利用材料与微波电场或磁场耦合将微波能转化为热能.由于电磁波是以光速传播的.电磁波透入物质的速度也接近光速.因而能非常快地将电磁波的能量转化为物质分子的能量.从而使得材料可内外同时加热.使材料内部温度梯度很小.甚至无温度梯度.材料内部热应力减至最低.因此能有效缓解材料在烧结过程中的开裂与变形.使材料具有更好的力学性能。
1.2节能环保
相对于传统烧结技术.微波烧结可显著降低烧结温度;另外微波烧结的加热速率快.使得烧结周期大大缩短;同时，在微波场中，材料本身就是热源。微波能直接与物质相互作用.避免了与那些用于加热但没有直接参与烧结其他部件的接触.从而大幅降低了能耗.比常规烧结节能70%-90%;微波烧结的速度快.且能显著减少烧结气氛的气体使用量.使得烧结过程中的废物、废热排放量得到降低.对环境友好。
1. 3细化晶粒
在微波电磁能的作用下.材料会产生一系列的“微波效应”，使材料内部分子的动能增加.扩散系数提高.烧结活化能降低.加快烧结过程.缩短烧结周期.使得晶粒来不及长大就被烧结.从而得到均匀的细晶粒;并且材料的孔隙率小.孔隙形状也比传统烧结的更圆滑.使材料具有更优良的力学性能。由于微波烧结具有抑制晶粒长大的作用.为制备纳米材料提供了一种潜在可行且高效的方法。
1. 4能实现选择性烧结
不同的材料其介电性能不一样.从而对微波的吸收存在差异.在微波场中产生的热效应也不同.利用这一点.可以对多相混合材料进行选择性烧结.可以制备新的材料和获得具备更仕性能的材料。
2 微波烧结技术在金属材料制备中的应用
虽然微波烧结技术在金属材料中的应用仅有10多a时间.但其己经成为粉末冶金特种烧结领域中的一种重要工艺方法.受到了国内外粉末冶金领域学者的广泛重视.且应用范围己经由最开始的合金和金属间化合物扩展到了纯金属以及复合材料等。下面作者对有关微波烧结在金属材料中的几个具体应用实例做一个简单的介绍。
2. 1 二元铁基合金
1999年.美国的Roy等采用微波烧结技术首次成功合成了钛铝、铜钛和铜锌铝等几十种金属间化合物和合金。随后他们采用带有附加层的微波烧结炉腔.又成功地制备出粉末冶金不锈钢、铜铁合金、铜锌合金、钨铜合金及镍基高温合金。烧结出的部分二元铁基合金的性能对比如表1所示。
从表1可以看出.微波烧结法制备的铁镍合金的抗弯强度要比常规烧结的高60%.该技术在金属及合金粉上的成功应用在全世界引起了巨大反响.很多学者开始继续深入研究该技术。至今.己成功应用该技术制备了多种金属及合金材料.并发现用微波烧结法制备的材料性能明显优于传统烧结法制备的。
2. 2钨基合金
在制备92.5W-6.4Ni-1.1Fe合金的过程中，粉末坯体在传统烧结炉中的升温速率为5℃·min，而在微波炉中.其升温速率可达到20℃·min.这使得烧结时间减少了75%左右.从而大幅缩短烧结周期.并有效抑制了晶粒粗化。而在传统烧结过程中.除了会使晶粒粗化外.长时间烧结也会导致钨镍铁合金中产生脆性金属间化合物NiW和Fe7W6而使用微波烧结制备的合金中没有发现这类脆性金属间化合物.这使得其抗拉强度达到了805MPa.高于传统烧结体的抗拉强度(642 MPa),伸长率达到11.2%，亦高于传统烧结体的(3.5%),使烧结体具有更好的力学性能。
在烧结高密度合金时.由于固、液相密度差异较大.在重力作用下固相会发生沉降.坯体在烧结时就会产生变形。Lip，等指出.合金接触度大于0.38时.能避免钨基高密度合金的烧结变形.而使用微波烧结技术能获得较快的升温速率.使得合金接触度高于该值.从而能有效控制这一问题。在使用微波烧结法制备90W-7Ni-3Fe合金时.试样的垂直收缩率和水平收缩率分别为0.21%和0.72%.明显小于传统烧结试样的垂直收缩率((1.23%)和水平收缩率(3.25%);此外.微波烧结能促进合金固结.其平均晶粒尺寸比常规烧结的小5.88um·相对密度也更高.达到99. 88%。
2. 3纯金属
纯铜粉压坯在微波场中烧结时，材料内的温度梯度很小；同时.微波烧结具有快热快冷、烧结时间短等特征.抑制了加热时晶体的长大.避免了缓慢加热过程中出现再结晶与长大的现象.使得烧结后坯体的晶粒组织较传统烧结的更加细小均匀.力学性能也得到较大幅度提高。微波烧结纯铜具有与传统烧结体不同的显微孔隙分布.横截而中心的孔隙数要少于边缘处的.而且由于保温时间较短.孔隙来不及聚集长大.这使得孔隙形状细小圆滑.分布均匀.这种独特的显微结构有助于提高试样的变形能力。
2. 4多元铁基合金
粉末冶金铁铜碳材料具有广泛的用途.其传统烧结技术己相当成熟。随着微波烧结技术的发展以及发展绿色工业的趋势.己有部分材料学者开始初步研究使用微波技术烧结铁铜碳材料.并取得了一定进展。
铁铜碳传统烧结试样的显微组织主要由大量的铁素体、极少量珠光体以及大小不一的各种孔洞组成;而微波烧结试样由于在自然冷却过程中.其冷却速率介于淬火冷却和慢冷却之间.可迅速将试样冷却至室温.使得试样烧结硬化.出现许多粒状珠光体.因而微波烧结材料的显微组织主要是铁素体、片状或粒状珠光体以及极少量的孔隙.大量珠光体的存在显著改善了材料的力学性能。此外.由于烧结时间短.微波烧结试样的孔隙结构更小、形状接近圆形、分布均匀.试样密度达到了7. 20g·cm-3。可见.微波烧结有利于获得更高的相对密度。
微波烧结技术也广泛应用于316I、和434I、不锈钢制备中其烧结时间减少了90%；同时.微波烧结能防止不锈钢微观结构的粗化.获得更细小均匀的孔隙分布。
2. 5 WC/Co复合材料
常规烧结WC/Co必须加入大量的晶粒生长抑制剂以便获得细小均匀的微观结构，但是.这些晶粒生长抑制剂的加入会降低最终产品的力学性能.而在微波烧结试样中几乎没有观察到任何WC晶粒的生长.不需要加入大量的晶粒生长抑制剂.从而可获得更加优良的力学性能。
在传统烧结中.大量的钨(质量分数为20%)会溶解在钴基体中.而在微波烧结试样中没有观察到溶解了大量钨的钴相。可见.微波烧结能够防比钨在钻基体中的沉积。同时.由于晶体内的毛细管力大于重力.烧结试样尺寸在二维空间上产生均匀的收缩.而传统烧结试样则因为重力的影响.形状会产生严重的扭曲。此外.与传统烧结试样相比.微波烧结试样的硬度和抗腐蚀性能得到了显著改善。
3结束语
微波烧结提供了一种潜在的、既经济又高效的材料烧结力一法.己为全世界所接受.它克服了传统烧结过程中的诸多缺点.能增强扩散动力和扩散速率.减少能量消耗.显著缩短烧结时间.大幅度降低烧结温度.改善材料的物理和力学性能;同时.它也是-种简洁.安全无污染的烧结方法。近年来各国学者成功应用微波烧结技术制备了各种金属材料.同时对金属微波烧结的机理也做了初步探讨.总结了金属微波烧结的特点.为微波技术在金属领域的进 一步研究与应用奠定了坚实的理论基础。随着微波技术的进一步发展.其必将成为最具应用前景的新一代烧结技术。
但综合日前国内外的研究现状.作者认为微波烧结技术在金属材料领域中还存在如下不足之处有待进一步发展:虽然国内外己经有学者开展了金属材料微波烧结机理力一而的研究工作.但也只有10年左右的时间.相对于陶瓷材料的微波烧结研究时间至少滞后半个世纪.所以日前还有很多力一而不是很清楚.这是该领域学者一个主要的研究力一向;有关专门针对金属材料.尤其是金属基复合材料微波烧结研究的设备还很少.需要有关研究人员投入精力加以设计研究；微波烧结技术在特种金属材料中的应用.以及基于微波烧结技术的有关原理开发出新的特种金属材料新的制备技术也是值得重点关注的一个研究领域。
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