微波燒結(jié)技術(shù)在金屬材料制備中的研究進展

 20世紀60年代中期，Tinga.W.R[1]最早提出微波燒結(jié)技術(shù)。早期微波燒結(jié)技術(shù)主要應用于陶瓷材料的制備及處理的各個過程。20世紀70年代中期，法國的Badot和 Berteand開始對燒結(jié)技術(shù)進行系統(tǒng)研究[2]。20世紀80年代，微波燒結(jié)技術(shù)逐漸受到重視并引入到材料科學領(lǐng)域[3]，開始用于燒結(jié)制備各種高性能的陶瓷。進入九十年代，微波燒結(jié)材料的種類不斷擴展，逐漸被引入到硬質(zhì)合金、納米材料、復合材料等材料的燒結(jié)制備過程中。但是微波燒結(jié)技術(shù)一直沒有涉及到金屬材料，這是由于人們普遍認為金屬材料是良導體，對微波是反射的，不能吸收微波。1999年，美國賓夕法尼亞大學材料研究實驗室的科學家突破傳統(tǒng)的觀點[4，5]，成功利用微波燒結(jié)金屬粉末制備了金屬材料，接著便掀起了研究微波燒結(jié)制備金屬材料的高潮。美國、中國、日本、印度、西班牙、德國、新加坡等國先后對微波燒結(jié)技術(shù)應用于金屬材料進行了研究，并且都在實驗基礎(chǔ)上制備了高性能，高質(zhì)量的合金產(chǎn)品，預示了微波燒結(jié)技術(shù)應用于金屬材料的制備有著廣闊的應用前景。
1 微波燒結(jié)制備金屬粉末的原理
微波燒結(jié)技術(shù)基于的原理是材料內(nèi)部的基本細微結(jié)構(gòu)與特殊波段的微波耦合，通過材料的介質(zhì)損耗轉(zhuǎn)化為熱量，使材料整體加熱而實現(xiàn)燒結(jié)致密化。但是微波在金屬煤質(zhì)中行進時，穿透深度有限，引入穿透深度
δ=■（1）
表示微波場量的值衰減至表面處值的1/e=0.368的深度。經(jīng)計算得出一些常見金屬的穿透深度，見表1。
可見，金屬表面只有極薄的一層對微波具有吸收作用，其內(nèi)部與微波的作用很小。
同時塊體金屬材料在電磁場中具有趨膚效應，內(nèi)部的自由電荷在電磁場的作用下，會迅速向?qū)w表面聚集。自由電荷響應電磁場的速度非?？欤谠r間遠小于電磁振蕩的周期。因此，在電磁振蕩每周期開始的時候，自由電荷已經(jīng)聚齊于塊體金屬導體表面，其內(nèi)部的自由電荷密度ρ=0，不存在自由電荷，不具備能量吸收和轉(zhuǎn)化的媒介，無法通過微波與塊體金屬材料進行耦合作用。因而微波燒結(jié)技術(shù)不能應用于塊體金屬材料。
但是，金屬粉末的幾何尺寸為微米級甚至納米級，與微波對金屬的穿透深度相當，所以與電磁波的相互作用行為發(fā)生了顯著變化[7]。微波所及體積占了金屬合金粉末體積的極高比例，該部分體積所吸收轉(zhuǎn)化的微波能量足以使金屬粉末的溫度發(fā)生顯著變化。并且金屬粉末壓坯顆粒表面積大，活性高的表面原子比例大，表面存在大量的孔隙、空位等缺陷，表面化學性質(zhì)活性，微波具有更大的穿透深度，與塊體金屬相比，壓坯的反射率降低，吸收的能量增加。因此，金屬粉末具有較強的吸波能力[4]，能被加熱到很高的溫度，能夠利用微波進行燒結(jié)。
2 微波燒結(jié)制備金屬粉末的研究進展
微波燒結(jié)技術(shù)具有整體加熱、選擇性加熱、升溫速度快、燒結(jié)時間短、易于控制、環(huán)境友好等特點，易得到均勻致密的細晶結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)品的物理、力學性能。因而自1999年美國賓夕法尼亞大學的科學家發(fā)現(xiàn)微波也能用于燒結(jié)制備金屬材料以來，這項新的研究領(lǐng)域激起了國內(nèi)外很多研究者的廣泛關(guān)注。十幾年來微波燒結(jié)制備金屬材料得到了一定的發(fā)展和應用。
2.1 微波燒結(jié)制備鐵基合金
鐵基合金主要有Fe-Ni合金和Fe-Cu合金，具有廣泛的用途，可用來制作齒輪、轉(zhuǎn)子、襯套等結(jié)構(gòu)零件。1999年，Roy教授等率先利用微波燒結(jié)制備了Fe-Ni和Fe-Cu合金[4]。隨后長沙隆泰科技有限公司的黃加伍等[8]、中南大學的羅春峰等[9]、中南大學的彭元東等[10]先后研究了微波高溫燒結(jié)粉末冶金鐵基材料的工藝特點及性能。結(jié)果表明，在不同燒結(jié)溫度和保溫時間下，微波燒結(jié)樣品的顯微結(jié)構(gòu)、強度、硬度、抗拉強度、抗彎強度、致密度等參數(shù)與常規(guī)燒結(jié)相比，均表現(xiàn)出明顯的性能提高。同時微波燒結(jié)溫度低、燒結(jié)速度快、燒結(jié)周期短，降低了生產(chǎn)成本和能源浪費，減少了環(huán)境污染。中南大學的陳麗芳等[11]通過微波燒結(jié)制備了Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C合金鋼，和常規(guī)燒結(jié)相比，合金鋼不僅縮短了燒結(jié)時間，而且提高了力學性能。 2.2 微波燒結(jié)制備高密度合金
高密度合金廣泛應用于石油鉆井、機械制造、航空航天、鐘表擺錘制造等領(lǐng)域。傳統(tǒng)燒結(jié)很難制備出組織均勻、致密度高以及性能優(yōu)異的高密度合金。由于微波燒結(jié)可以有效抑制晶粒長大，細化合金組織，減少孔隙分布，均勻顯微組織，提高鎢基高密度合金的密度和組織均勻性，因此微波燒結(jié)技術(shù)被廣泛的用于鎢基高密度合金的燒結(jié)。從2007年開始，中南大學的易健宏等[12]就開始對微波燒結(jié)W-Ni-Fe高密度合金就行研究。分別探討了壓制壓力、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間，W粉粒度、升溫速度對微波燒結(jié)W-Ni-Fe高密度合金性能的影響。同時中南大學的馬運柱等[13]研究了真空熱處理對微波燒結(jié)93W-Ni-Fe合金顯微組織及力學性能的影響。中南大學周承商[14]又在微波燒結(jié)制備W-Ni-Fe高密度合金中添加Mo元素對微波燒結(jié)W-Mo-Ni-Fe合金進行了研究。2011年印度國家熱電有限責任公司Avijit Mondal[15]等研究了加熱模式和燒結(jié)溫度對90W-7Ni-3Fe合金的影響。劉瑞英等[16]通過控制燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間等主要影響W-Ni-Cu致密化因素，利用微波燒結(jié)制備了95W-3Ni-2Cu。并通過研究發(fā)現(xiàn)，在保證燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間的情況下，升溫速度對產(chǎn)品微觀組織的致密化影響不大。
2.3 微波燒結(jié)制備鎢銅合金
鎢銅合金由于金屬銅和鎢熔點差別大，不互溶，因此不能采用熔鑄法進行生產(chǎn)。中南大學易健宏等[17]通過微波燒結(jié)制備了W-Cu合金。與常規(guī)燒結(jié)相比，促進了W-Cu合金的致密化和組織的均勻化。1250℃，保溫10分鐘的情況下，W-25Cu合金可以實現(xiàn)接近理論密度。當加入Fe元素作為燒結(jié)助劑的時候，W-Cu材料的致密化行為得到顯著改善。同時易健宏[18]等還研究了微波熔滲法制備W-Cu合金。并與鉬絲管式爐中燒結(jié)進行對比，發(fā)現(xiàn)兩種方法制得的W-Cu合金電導率相似，但是微波法制備的產(chǎn)品硬度更好。
2.4 微波燒結(jié)各種金屬單質(zhì)粉末
微波對于金屬粉末的燒結(jié)機理不同于塊體金屬，微波對金屬塊體的趨膚深度大約在微米級，遠小于塊體金屬的尺寸，粉末態(tài)松散結(jié)構(gòu)生坯的初始趨膚深度與塊體金屬的初始趨膚深度存在很大差異。中南大學的朱鳳霞等[19]研究了微波燒結(jié)金屬純銅壓坯時發(fā)現(xiàn)，生坯趨膚深度約為0.05m；與樣品尺寸處于同一數(shù)量級，更遠遠大于單個粉末顆粒尺寸，最終樣品得以升至1000℃高溫保溫，并實現(xiàn)良好致密化。印度科學家K·Rajkumar等[20]研究了銅-石墨粉末的燒結(jié)。發(fā)現(xiàn)微波能夠成功地燒結(jié)沒有任何裂痕的銅-石墨復合材料并且具有更加細小的顯微結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品的孔隙是小的、圓形的。這些都加強了產(chǎn)品的機械性能。印度的G·Prabhu[21]等通過微波燒結(jié)鎢粉。與常規(guī)燒結(jié)對比發(fā)現(xiàn)，微波燒結(jié)高溫球磨后的鎢粉能達到相對致密度93%高于一般鎢粉的85%，維氏硬度達到303高于普通鎢粉的265，且高溫球磨后的鎢粉微波燒結(jié)后的顯微組織更加均勻致密。日本科學家K·Saitou[22]利用微波燒結(jié)制備鈷粉、鎳粉和不銹鋼粉，并且將微波燒結(jié)與傳統(tǒng)燒結(jié)鈷粉、鎳粉和不銹鋼粉就行了對比。通過對比發(fā)現(xiàn)微波燒結(jié)能促進壓坯更大的收縮，從而獲得高致密度的產(chǎn)品，具有優(yōu)良的物理和機械性能。
2.5 微波燒結(jié)其它金屬粉末
微波燒結(jié)還運用于鋁粉、Al/Ti合金、Cu-12Sn合金、儲氫合金、形狀記憶合金、功能梯度材料、金屬間化合物Mg2Si等多種金屬及其合金的制備，且都取得了較好的致密度和機械性能。
3 微波燒結(jié)金屬合金粉末存在的問題及前景展望
微波燒結(jié)金屬粉末從1999年發(fā)展至今才剛剛過去十幾個年頭，雖然科學家們在這方面的研究有所進展，但目前還處于微波燒結(jié)金屬粉末的起步階段，存在許多急需解決的問題：
首先，燒結(jié)機制的問題。微波燒結(jié)金屬粉末的機制還不是很清楚，這樣限制了微波燒結(jié)金屬粉末制備金屬材料的種類，減少了其應用范圍。
其次，微波加熱過程中的溫度通常采用紅外測溫儀，紅外測溫儀是通過測定表面的紅外線和特定的表面發(fā)射率ε來確定表面溫度，在實驗中所燒結(jié)的材料在特定溫度下，其發(fā)射率將有顯著變化，因而燒結(jié)溫度無法進行準確測量。
再者，微波燒結(jié)的設(shè)備一直是限制微波燒結(jié)金屬粉末的重要問題。目前微波燒結(jié)設(shè)備的最高溫度只能達1700℃，同時國家規(guī)定的微波功率限制在2.4GHz、915MHz，隨著微波燒結(jié)金屬粉末種類的不斷擴大，微波燒結(jié)設(shè)備的模塊化設(shè)計也應該引起人們的重視。
此外，獲取一個較大區(qū)域的均勻微波燒結(jié)場區(qū)也是一個需要解決的問題。
微波燒結(jié)金屬合金粉末還處于一個起步階段，雖然目前距離工業(yè)化還有一段距離，但是由于微波燒結(jié)表現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)越性以及金屬材料無比重要的用途，將來必將引發(fā)一場微波燒結(jié)制備金屬材料的高潮。