微波燒結技術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]最早提出微波燒結技術。早期微波燒結技術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開始對燒結技術進行系統研究[2]。20世紀80年代，微波燒結技術逐漸受到重視并引入到材料科學領域[3]，開始用于燒結制備各種高性能的陶瓷。進入九十年代，微波燒結材料的種類不斷擴展，逐漸被引入到硬質合金、納米材料、復合材料等材料的燒結制備過程中。但是微波燒結技術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的觀點[4，5]，成功利用微波燒結金屬粉末制備了金屬材料，接著便掀起了研究微波燒結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技術應用于金屬材料進行了研究，并且都在實驗基礎上制備了高性能，高質量的合金產品，預示了微波燒結技術應用于金屬材料的制備有著廣闊的應用前景。
1 微波燒結制備金屬粉末的原理
微波燒結技術基于的原理是材料內部的基本細微結構與特殊波段的微波耦合，通過材料的介質損耗轉化為熱量，使材料整體加熱而實現燒結致密化。但是微波在金屬煤質中行進時，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，內部的自由電荷在電磁場的作用下，會迅速向導體表面聚集。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，自由電荷已經聚齊于塊體金屬導體表面，其內部的自由電荷密度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。因而微波燒結技術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化的微波能量足以使金屬粉末的溫度發生顯著變化。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。
2 微波燒結制備金屬粉末的研究進展
微波燒結技術具有整體加熱、選擇性加熱、升溫速度快、燒結時間短、易于控制、環境友好等特點，易得到均勻致密的細晶結構，提高了產品的物理、力學性能。因而自1999年美國賓夕法尼亞大學的科學家發現微波也能用于燒結制備金屬材料以來，這項新的研究領域激起了國內外很多研究者的廣泛關注。十幾年來微波燒結制備金屬材料得到了一定的發展和應用。
2.1 微波燒結制備鐵基合金
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、轉子、襯套等結構零件。1999年，Roy教授等率先利用微波燒結制備了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粉末冶金鐵基材料的工藝特點及性能。結果表明，在不同燒結溫度和保溫時間下，微波燒結樣品的顯微結構、強度、硬度、抗拉強度、抗彎強度、致密度等參數與常規燒結相比，均表現出明顯的性能提高。同時微波燒結溫度低、燒結速度快、燒結周期短，降低了生產成本和能源浪費，減少了環境污染。中南大學的陳麗芳等[11]通過微波燒結制備了Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C合金鋼，和常規燒結相比，合金鋼不僅縮短了燒結時間，而且提高了力學性能。 2.2 微波燒結制備高密度合金
高密度合金廣泛應用于石油鉆井、機械制造、航空航天、鐘表擺錘制造等領域。傳統燒結很難制備出組織均勻、致密度高以及性能優異的高密度合金。由于微波燒結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，因此微波燒結技術被廣泛的用于鎢基高密度合金的燒結。從2007年開始，中南大學的易健宏等[12]就開始對微波燒結W-Ni-Fe高密度合金就行研究。分別探討了壓制壓力、燒結溫度、燒結時間，W粉粒度、升溫速度對微波燒結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]又在微波燒結制備W-Ni-Fe高密度合金中添加Mo元素對微波燒結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溫度對90W-7Ni-3Fe合金的影響。劉瑞英等[16]通過控制燒結溫度、燒結時間等主要影響W-Ni-Cu致密化因素，利用微波燒結制備了95W-3Ni-2Cu。并通過研究發現，在保證燒結溫度和燒結時間的情況下，升溫速度對產品微觀組織的致密化影響不大。
2.3 微波燒結制備鎢銅合金
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。中南大學易健宏等[17]通過微波燒結制備了W-Cu合金。與常規燒結相比，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合金可以實現接近理論密度。當加入Fe元素作為燒結助劑的時候，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進行對比，發現兩種方法制得的W-Cu合金電導率相似，但是微波法制備的產品硬度更好。
2.4 微波燒結各種金屬單質粉末
微波對于金屬粉末的燒結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，粉末態松散結構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]研究了微波燒結金屬純銅壓坯時發現，生坯趨膚深度約為0.05m；與樣品尺寸處于同一數量級，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。發現微波能夠成功地燒結沒有任何裂痕的銅-石墨復合材料并且具有更加細小的顯微結構，產品的孔隙是小的、圓形的。這些都加強了產品的機械性能。印度的G·Prabhu[21]等通過微波燒結鎢粉。與常規燒結對比發現，微波燒結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]利用微波燒結制備鈷粉、鎳粉和不銹鋼粉，并且將微波燒結與傳統燒結鈷粉、鎳粉和不銹鋼粉就行了對比。通過對比發現微波燒結能促進壓坯更大的收縮，從而獲得高致密度的產品，具有優良的物理和機械性能。
2.5 微波燒結其它金屬粉末
微波燒結還運用于鋁粉、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 微波燒結金屬合金粉末存在的問題及前景展望
微波燒結金屬粉末從1999年發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金屬粉末的起步階段，存在許多急需解決的問題：
首先，燒結機制的問題。微波燒結金屬粉末的機制還不是很清楚，這樣限制了微波燒結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射率ε來確定表面溫度，在實驗中所燒結的材料在特定溫度下，其發射率將有顯著變化，因而燒結溫度無法進行準確測量。
再者，微波燒結的設備一直是限制微波燒結金屬粉末的重要問題。目前微波燒結設備的最高溫度只能達1700℃，同時國家規定的微波功率限制在2.4GHz、915MHz，隨著微波燒結金屬粉末種類的不斷擴大，微波燒結設備的模塊化設計也應該引起人們的重視。
此外，獲取一個較大區域的均勻微波燒結場區也是一個需要解決的問題。
微波燒結金屬合金粉末還處于一個起步階段，雖然目前距離工業化還有一段距離，但是由于微波燒結表現出無可比擬的優越性以及金屬材料無比重要的用途，將來必將引發一場微波燒結制備金屬材料的高潮。