微波烧结在粉末冶

微波烧结在粉末冶金中的应用•1概念阐述•2应用技术•3国内外发展状况•4应用前景微波烧结微波：微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波烧结：微波烧结是一种新型的粉末冶金烧结致密化工艺，微波烧结是利用微波加热来对材料进行烧结。粉末冶金冶金工艺：冶金就是从矿石中提取金属或金属化合物，用各种加工方法将金属制成具有一定性能的金属材料的过程和工艺。粉末冶金：是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。应用技术•1常规粉末冶金烧结技术的特点•烧结工艺是粉末冶金技术的一个重要环节。烧结过程中各方向几何尺寸减小，压坯体积收缩密度增大，同时显微组织发生变化。单元系金属粉末主要表现在孔隙的形状、数量和分布的变化。多元系显微组织的变化除了孔隙的变化外，还体现在所需相的形成和发展。••一般地讲，粉末体烧结分为无压烧结与加压烧结。加压烧结有热压、热等静压、粉末热锻等工艺。粉末冶金烧结炉必须是真空炉或气氛烧结炉。烧结气氛可以是氮气、氢气、或氩气。•决定烧结致密化的主要因数为：粉末体的化学组成、生坯密度、烧结温度、烧结时间。烧结过程最基本的驱动力是表面能的减低，而且，粉末越细，压坯具有的表面能越大，烧结的驱动力越大。主要的原子迁移机理有4种：扩散流动，蒸发凝聚，黏性流动，塑性流动。•对于绝大多数烧结过程，原子扩散流动最主要的是利用物质迁移原理。原子或空位的这些运动使颗粒形貌改变，孔隙圆化与收缩，烧结颈长大，压坯致密化。•2微波烧结的特点与工艺•微波加热技术是微波技术与材料科学结合的交叉学科。涉及的学科分支主要有：微电子学、电介质物理学、材料物理化学、传热传质学等。•所谓微波（热泵微波干燥的实验探究）烧结是利用微波辐照来代替传统的热源，它的工作原理是：材料中的极性分子在电磁场作用下，从原来的随机分布状态转向依照电场的极性排列取向。这一过程致使分子的运动和相互摩擦产生热量，高频交变电磁场的能量转变为介质内的热动能，使介质温度不断升高。••材料在微波场中的行为可分为3种类型：•1）微波透明型材料：主要为低损耗绝缘材料，它可使微波部分反射和部分透射，但很少吸收微波，如大部分高分子材料和部分非金属材料。•2）微波全反射型材料：此类材料反射系数接近1，如导电性好的金属材料。•3）微波吸收型材料：主要是介于金属和绝缘体之间的电介质材料。•微波与材料的交互作用3种形式中，只有吸收作用使材料发生介质损耗，从而将微波能转化为烧结的热能。通常用损耗正切值来表示材料与微波的耦合能力。•微波加热中出现区别与常规加热的现象有促进物质的扩散、加快致密化进程、降低反应温度、加快反应进程。作为一种新型加热技术具有以下优点：1）可经济地获得2000℃高温；2）加热速度快，升温速率可达50℃/min；3）具有即时性特点，只要有微波辐射，物料即刻得到加热，微波停止加热也立刻停止；4）微波能量转换率高，可达80～90；5）与常规烧结相比烧结温度降低，同时快速升温可以抑制晶粒组织长大，获得超细晶粒结构材料，显著改善材料的显微组织。•微波烧结技术是利用微波电磁场与材料的细微结构耦合而产生的热量使材料快速均匀的无梯度整体加热到烧结温度实现致密化，减少气孔、孔洞、微裂纹等缺陷。微波烧结固体材料至少包括3个主要过程中的一个，即反应物的结合，均匀化和致密化。这3个过程都伴随物质的迁移和扩散。微波烧结可降低烧结活化能、增强扩散动力和扩散速率，从而实现迅速烧结。•微波增强扩散机制与3个因素有关：1）自由表面的影响；2）晶界与微波耦合的影响；3）晶体内部缺陷与微波耦合的影响。•目前关于微波烧结增强机制的主要理论为：活化能降低理论和有质动力扩散理论。Janney等认为微波烧结降低了烧结活化能、增强了扩散动力。如有研究表明：常规烧结高纯微波电场的增强可以使处于界面接触表面的空位、气孔或微裂缝的有质动能传输过程极大地增速。•陶瓷材料主要是介质损耗使微波能转化为热能。•因为有很强的耦合能力常作为助燃剂。在电磁场中，根据趋肤效应，微波对金属材料的穿透深度极小，仅为微米级，因而金属内部不存在自由电荷，不具备能量转化的条件，因此微波不能与块体金属耦合。但由于构成压坯的颗粒粒度通常为微米级或纳米级，其尺寸可与微波对金属的穿透深度相比，因此金属粉体具有较强的吸波能力，能够被加热至很高温度。•涡流损耗是金属粉末压坯微波烧结的主要热能来源。微波烧结的国内外发展状况•微波烧结技术的发展经历大致分为3个阶段：70年代中期到80年代早期进入初步研究实验阶段，主要是一些容易吸收微波而烧结温度又较低的陶瓷材料。•80年代中期到90年代中期进入研究发展期，美国、加拿大、德国等各国投入了大量的财力、人力研究和发展微波烧结技术，这个期间，主要研究了微波理论、微波烧结装置系统和材料烧结工艺、材料介电参数测试、材料与微波作用机制、以及电磁场和温度场计算机数值模拟，烧结了不同材料。较为著名的是美国宾州州立大学的微波工艺研究中心用微波烧结了不锈钢、钢铁合金、铜锌合金、钨铜合金及镍基高温合金等。•90年代晚期进入了微波烧结产业化阶段，美国、加拿大、德国等发达国家开始投入小批量生产。美国主要针对电子陶瓷与硬质合金，加拿大生产氮化硅陶瓷刀具。国内1988年武汉工业大学率先开展了微波烧结技术研究，并被列为863计划。沈阳金属所、上海硅酸盐所、清华大学、中南大学等单位相继开展了该技术的研究，推动了该技术在我国的发展。长沙隆泰微波热工系列产品代表了中国目前微波烧结设备制造的最高水平。微波烧结的应用•1陶瓷的微波烧结•在先进陶瓷微波烧结应用方面，最早应用高功率微波烧结结构陶瓷，主要利用微波烧结来降低烧结温度及获得结构陶瓷的高致密度。而电子陶瓷更多的是利用微波实现对材料微结构的裁剪以得到特殊的功能为材料密度。可以看出升温速率与微波的频率、功率和材料的热容、密度和介质损耗密切相关。•国内外研究者对多数氧化物陶瓷进行了微波烧结研究，较为成功的有非氧化物陶瓷较为成功的是。•武汉理工大学史晓亮等人研究结果表明：经微波烧结热等静压处理获得了具有良好组织结构和力学性能的金属陶瓷。•郑州轻工业学院康利平等人的研究表明，微波烧结很好地促进了陶瓷的致密化，制成的样品晶粒细小均一，介电性能得到优化。•美国宾州大学研究者用微波单模腔高温烧结了氧化镁、氧化铝、氮化铝陶瓷。利用硅粉氮化反应烧结制备了以ZrO2和Al2O3为添加剂的Si3N4。•Mizuno等研究了大尺寸氧化铝陶瓷的烧结。但在微波烧结陶瓷中存在一些值得关注的特殊现象。•1）过热点。由于微波场的不均匀分布或材料组分不均匀导致某些部分局部明显高于其它部分，出现过热点。•2）热应力开裂。一些热膨胀系数大而热导率又较小的陶瓷材料在微波降温段，由于试样中存在的温度梯度而引起的热应力开裂。•3）热失控。热失控现象是指一些介电损耗高的陶瓷材料，介电损耗值会随着温度升高而增大，导致材料迅速溶化而使微波烧结失败。大多数氧化物陶瓷材料存在一个临界温度点，在室温与临界温度之间介电损耗较低，升温困难。一旦材料温度高于临界温度，材料的临界温度急剧增加，升温迅速甚至发生局部烧熔。2.金属粉末的微波烧结•20世纪90年代出现了微波高温烧结粉末冶金材料的高潮，最近几年开始向实用化方向发展。•由于块体金属材料对微波反射强烈，从而不能被加热。但当金属几何尺寸为微米或纳米尺度时，吸收电磁波行为发生变化，升温速率：分别为粉末密度和热容，rp为颗粒直径，Rs为表面电阻，η为真空阻抗，E为粉末颗粒表面的电场强度。可见，颗粒尺寸减小，吸收的能量增加。•目前国内外研究者对Fe基、Cu基、Al基、Mg基、W基高密度合金等材料体系的烧结进行了研究。•微波烧结金属粉末比常规烧结获得更好材料性能的原因，一是获得更细的晶粒尺寸，二是获得圆滑边缘的孔隙形状。••E.Breval等系统对比了WC/Co的微波烧结与传统烧结的异同，发现微波烧结可有效地控制WC晶粒的长大，且有助于Co金属相的均匀分布。•中南大学鲍瑞等人用微波烧结工艺制备了WC-8Co硬质合金，结果表明，微波烧结WC-8Co硬质合金所需时间短，在1400℃的烧结温度下保持10min时密度就能达到14.71g/cm3，HRA可达90.3，烧结样品的显微组织结构均匀，样品中心和边缘区域WC晶粒尺寸分布一致。•武汉工业大学的周建等人研究了微波烧结WC-Co合金的工艺与性能，结果表明在1300℃保温10min即可达到理论密度的99.8，平均晶粒度比常规降低了50。抗弯强度、硬度有较大提高。•中南大学彭元东等人研究了微波烧结Fe-2Cu-0.6C合金的性能与显微组织，结果表明与常规烧结相比，在1150℃下，试样性能有明显提高，密度达到7.20g/cm3，硬度75HRB，抗拉强度为413.90MPa。断口分析，常规烧结试样属于脆性穿晶断裂，而微波烧结为脆性穿晶断裂和韧窝型穿晶断裂的混合型。•同济大学郭方方对Mg-B二元系的微波烧结行为进行了研究，在1030min内就能完成Mg-B体系的烧结反应，显微结构分析表明，微波烧结有效提高了样品的致密度。•中南大学朱凤霞等人用微波技术烧结金属纯铜压坯，结果表明，微波烧结可在较短时间内对粉末样品实现烧结致密化。微波烧结样品具有独特孔隙分布规律，样品横截面中心处孔隙率比横截面边缘处的小，并且微波烧结样品孔隙比常规烧结细小。•中南大学罗述东等人研究了微波烧结W-Cu合金的工艺与性能，得到了致密度高，烧结性能更好的钨铜合金材料。•A.Nadjafi，Maryam，Negari等人研究了微波烧结Fe-Cu合金的工艺与性能，结果表明烧结后材料与常规烧结相比密度、硬度、抗拉强度都有提高。•印度S.SPanda等人研究不锈钢材料316L和434L的微波烧结，与常规烧结相比烧结时间减少了90，显示烧结样品晶粒细小。•印度C.Padmavathi等人研究奥氏体不锈钢材料316L和YAG增强316L复合材料的微波烧结后的电化学性能，结果表明与常规烧结相比微波烧结获得了更好的抗腐蚀性能。••G.Prabhu等人用3kW，2.45GHz的微波设备在2073K温度下成功烧结了纯钨粉，粗晶粒钨粉达到理论密度的85，经高能球磨处理的细晶粒钨粉达到理论密度的93。•印度A.Upadhyaya等人研究了微波烧结92.5W-6.4Ni-1.1Fe合金的工艺与性能［40］，研究结果表明：在王存龙等：微波技术在陶瓷与粉末冶金烧结中的应用常规烧结和微波烧结试样性能对比Table1Propertiescontrastofsamplessinteredbyconventionalheatingandmicrowaveheating抗拉强度/MPa伸长率/642±233.5±0.8805±1411.2±1.1烧结方法常规微波硬度（HV）210±15295±101500℃下，微波烧结比常规烧结时间减少了75，扫描时间的缩短限制了钨晶粒的长大。硬度和抗拉强度等力学性能比常规烧结时间改善。试验的对。•但在微波烧结金属中存在一些值得关注的特殊现象：在烧结金属粉末时，在样品与保温层之间要埋设高介电损耗材料对样品进行辅助加热，在烧结初期能迅速吸收微波以加热金属粉末，烧结后期还有保温和促进压坯致密化的作用。微波烧结的装置•1微波发生器与微波反应腔•一般实验用微波烧结系统的硬件通常由微波源、波导管、加热腔体等组成。微波源通常包括一个直流电源和一个磁控管，磁控管是恒定输出功率器件，通过改变电源的阳极电压来控制负载功率。微波源产生的微波由铜或铝制做的金属波导管导入加热腔体，对腔体中试样加热烧结。一般还配有铁氧体环行器来保护磁控管，环形器的作用是将反射的微波导向水负载以保护磁控管，使之不会因为反射回来的微波能发热而烧毁。核心部分是微波烧结腔体，腔体设计能否确保能量耦合与阻抗匹配影响到微波利用效率和磁控管寿命。•同时烧结腔体的合理设计是实现材料成功烧