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1、金属材料微波烧结研究现状 陈鼎，李林，陈振华湖南大学材料科学与工程学院 长沙 410083摘 要：微波烧结是近年来广泛研究的一种全新的烧结技术，已经在金属，陶瓷以及复合材料取得越来越广泛的应用。本文针对微波烧结在金属材料领域的国内外研究现状，从金属微波烧结的特点以及在金属材料领域的一些较为典型的应用实例进行了较为全面的介绍。关键词：微波烧结；金属；特点Status Of Microwave Sintering In Metal FieldCHEN Ding, LI Lin, CHEN Zheng-huaMaterials Science and Engineering, Hunan Unive
2、rsity, 410083, Changsha，ChinaAbstract: Microwave sintering has emerged in recent years as a new method for sintering a variety of materials that has shown signicant advantages against conventional sintering procedures. This review article firstly provides a summary of fundamental theoretical aspects
3、 of microwave sintering, and then advantages of microwave sintering against conventional methods are described. At the end, some applications of microwave sintering in Metal field are mentioned which so far have manifested the advantages of this novel method.Key words: microwave sintering; metal; ch
4、aracteristics1 前言微波烧结是近年来迅速发展起来的一种加热烧结的新技术，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方法，而是利用微波的特殊波段与材料的基本结构耦合而产生热量，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1-3，从而具有烧结温度低、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，迅速成为各国学者研究的热点。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4，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，
5、至今，微波烧结技术已成功应用于制备各种陶瓷材料、金属材料、复合材料等5-7。在研究早期，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；能否将该技术用于金属及合金粉末的烧结，成为人们关注的焦点。20世纪80年代Walkewicz在2.4GHz频率的微波场中对6种金属粉末进行中温加热研究，但他没有进行烧结研究8。虽然后来Whittaker将金属粉末与硫磺混合进行微波高放热烧结，合成出金属硫化物，但金属粉末的微波烧结在很长的一段时间内一直未被提及9。直到1999年，美国Roy教授等 10-11突破了传统观点，率先成功进行了铁、铜、镍、钴、钨及铁-铜、铁-镍
6、、镍-铝-铜等金属或合金的粉末冶金烧结，在全世界引起了巨大反响，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已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，随着人们对环境和资源问题的日益重视，微波烧结技术必将受到更为广泛的研究与应用，该技术已被誉为“21世纪新一代烧结技术”12。为了给国内研究人员提供参考，作者对金属粉末微波烧结研究现状进行了综述2 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，目前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，其具有如下的特点：2.1体积加
7、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，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19。2.2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,另外微波烧结法的加热速率快，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，避免了加热没有直接参与烧结过程的其他部件的加热，从而大幅度降低能耗，比常规烧结节能70%-
8、90%，快速烧结又显著减小了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20。2.3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”21，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，能得到均匀的细晶粒，并且材料的孔隙率小，孔隙形状也比传统烧结圆滑，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可行且高效的潜在方法。2.4能实现选择性烧结不同的材料其介电性能不一样，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
9、行选择性烧结，制备新的材料和获得更佳材料性能。3 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多年时间，但已经成为了粉末冶金特种烧结领域中的一个重要工艺方法，受到了国内外粉末冶金领域学者的广泛重视，且应用范围已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领域。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 3.1 二元铁基合金 1999年，美国的Roy等 10采用微波烧结技术首次成功合成钛-铝、铜-钛、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
10、、钨铜合金及镍基高温合金。烧结出的部分金属零件的性能对比如表110所示。Tab 1 Properties of microwave and conventionally processed powderedmetal sanples 样品烧结工艺压坯密度/(gcm-3)烧结坯密度/( gcm-3)洛氏硬度/HRB抗折强度/MPa铁-镍(工业零件)微波7.117.15821220常规7.117.1077751铁-铜(工业零件)微波6.817.1796978常规6.816.8480813铁-铜(实验室样品)微波6.956.9675923常规6.956.9564840从表1可看出，微波烧结法制备的铁
11、-镍合金的抗折强度要比常规烧结的高出60%，该技术成功应用于金属及合金粉末的烧结，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，已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得的材料性能3.2 钨镍铁基合金在制备92.5W-6.4Ni-1.1Fe合金过程中22，粉末胚体在传统烧结炉中升温速度为5/分钟，而在微波炉中，其升温速度可达到20/min-1，使得粉末的烧结时间减少了75%左右，从而能大幅度降低烧结周期并有效抑制了晶粒粗化。此外，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N
12、iW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，使得其抗拉强度达到805Mpa，高于传统烧结体的抗拉强度（642Mpa），伸长率达到11.2%,高于传统烧结体的伸长率(3.5%),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，LIU等23曾指出，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，此实验证明，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.
13、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%24。3.3 纯金属纯铜粉末压坯25在微波场中烧结时，由于是材料整体与微波耦合发热，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，抑制了加热时的晶体长大，避免了缓慢加热过程中出现再结晶与长大现象，使得烧结后坯体的晶粒组织较传统烧结试样细小均匀，力学性能也得到较大幅度提高26。微波烧结纯铜具有与传统烧结体不同的显微孔隙分布，横截面中心的孔隙数要少于边缘处的孔隙数，且由于保温时间较
14、短，孔隙来不及聚集长大，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。3.4铁基材料 粉末冶金Fe-Cu-C材料具有广泛的用途，其传统烧结技术已相当成熟，随着微波技术的发展以及发展绿色工业的趋势，已有部分材料学者开始初步研究使用微波技术烧结Fe-Cu-C材料，并取得了一定进展。在微波场中，原子的扩散速度加快，从而使得烧结温度降低，反应速度加快，致密化过程能在很短的时间内完成，同时，由于微波加热是“体积加热”，材料内外受热均匀，从而微波烧结材料具有均匀的细晶粒显微结构。Fe-Cu-C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空洞组成，而
15、微波烧结试样由于在自然冷却过程中，其冷却速度介于淬火冷却和慢冷却之间，可迅速将试样冷却至室温，使得样品烧结硬化，出现许多粒状的珠光体，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，大量珠光体的存在能显著改善材料的力学性能。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，从而有利于获得更高的致密度27。微波烧结技术也广泛应用于316L和434L不锈钢，传统烧结炉升温速率缓慢，需要间隙性保持等温，而在微波炉中升温速度快，纯粉末的烧结时间会减少90%，同时，微波烧结能限制不锈钢微观结构的粗化，获得更细小均匀的孔隙分布28。 WC / Co复合材料 与传统烧结样品相比，WC / Co样品在微波场中的烧结从相，化学组成和微观结构上看，具有本质上的差异29。常规烧结样品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，而在微波烧结样品中几乎没有观察到任何WC晶粒的增长，不需要加入大量的晶粒生长抑制剂就能获得细小均匀的微观结构，从而获得更优良的力学性能。在传统烧结中，大量的W（质量分数的20%）会溶解在Co基体中，而在微波烧结试样中，没有观察到溶解了大量
