微波烧结技术在金属材料制备中的研究进展

 20世纪60年代中期，Tinga.W.R[1]最早提出微波烧结技术。早期微波烧结技术主要应用于陶瓷材料的制备及处理的各个过程。20世纪70年代中期，法国的Badot和 Berteand开始对烧结技术进行系统研究[2]。20世纪80年代，微波烧结技术逐渐受到重视并引入到材料科学领域[3]，开始用于烧结制备各种高性能的陶瓷。进入九十年代，微波烧结材料的种类不断扩展，逐渐被引入到硬质合金、纳米材料、复合材料等材料的烧结制备过程中。但是微波烧结技术一直没有涉及到金属材料，这是由于人们普遍认为金属材料是良导体，对微波是反射的，不能吸收微波。1999年，美国宾夕法尼亚大学材料研究实验室的科学家突破传统的观点[4，5]，成功利用微波烧结金属粉末制备了金属材料，接着便掀起了研究微波烧结制备金属材料的高潮。美国、中国、日本、印度、西班牙、德国、新加坡等国先后对微波烧结技术应用于金属材料进行了研究，并且都在实验基础上制备了高性能，高质量的合金产品，预示了微波烧结技术应用于金属材料的制备有着广阔的应用前景。
1 微波烧结制备金属粉末的原理
微波烧结技术基于的原理是材料内部的基本细微结构与特殊波段的微波耦合，通过材料的介质损耗转化为热量，使材料整体加热而实现烧结致密化。但是微波在金属煤质中行进时，穿透深度有限，引入穿透深度
δ=■（1）
表示微波场量的值衰减至表面处值的1/e=0.368的深度。经计算得出一些常见金属的穿透深度，见表1。
可见，金属表面只有极薄的一层对微波具有吸收作用，其内部与微波的作用很小。
同时块体金属材料在电磁场中具有趋肤效应，内部的自由电荷在电磁场的作用下，会迅速向导体表面聚集。自由电荷响应电磁场的速度非常快，弛豫时间远小于电磁振荡的周期。因此，在电磁振荡每周期开始的时候，自由电荷已经聚齐于块体金属导体表面，其内部的自由电荷密度ρ=0，不存在自由电荷，不具备能量吸收和转化的媒介，无法通过微波与块体金属材料进行耦合作用。因而微波烧结技术不能应用于块体金属材料。
但是，金属粉末的几何尺寸为微米级甚至纳米级，与微波对金属的穿透深度相当，所以与电磁波的相互作用行为发生了显著变化[7]。微波所及体积占了金属合金粉末体积的极高比例，该部分体积所吸收转化的微波能量足以使金属粉末的温度发生显著变化。并且金属粉末压坯颗粒表面积大，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，表面化学性质活性，微波具有更大的穿透深度，与块体金属相比，压坯的反射率降低，吸收的能量增加。因此，金属粉末具有较强的吸波能力[4]，能被加热到很高的温度，能够利用微波进行烧结。
2 微波烧结制备金属粉末的研究进展
微波烧结技术具有整体加热、选择性加热、升温速度快、烧结时间短、易于控制、环境友好等特点，易得到均匀致密的细晶结构，提高了产品的物理、力学性能。因而自1999年美国宾夕法尼亚大学的科学家发现微波也能用于烧结制备金属材料以来，这项新的研究领域激起了国内外很多研究者的广泛关注。十几年来微波烧结制备金属材料得到了一定的发展和应用。
2.1 微波烧结制备铁基合金
铁基合金主要有Fe-Ni合金和Fe-Cu合金，具有广泛的用途，可用来制作齿轮、转子、衬套等结构零件。1999年，Roy教授等率先利用微波烧结制备了Fe-Ni和Fe-Cu合金[4]。随后长沙隆泰科技有限公司的黄加伍等[8]、中南大学的罗春峰等[9]、中南大学的彭元东等[10]先后研究了微波高温烧结粉末冶金铁基材料的工艺特点及性能。结果表明，在不同烧结温度和保温时间下，微波烧结样品的显微结构、强度、硬度、抗拉强度、抗弯强度、致密度等参数与常规烧结相比，均表现出明显的性能提高。同时微波烧结温度低、烧结速度快、烧结周期短，降低了生产成本和能源浪费，减少了环境污染。中南大学的陈丽芳等[11]通过微波烧结制备了Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C合金钢，和常规烧结相比，合金钢不仅缩短了烧结时间，而且提高了力学性能。 2.2 微波烧结制备高密度合金
高密度合金广泛应用于石油钻井、机械制造、航空航天、钟表摆锤制造等领域。传统烧结很难制备出组织均匀、致密度高以及性能优异的高密度合金。由于微波烧结可以有效抑制晶粒长大，细化合金组织，减少孔隙分布，均匀显微组织，提高钨基高密度合金的密度和组织均匀性，因此微波烧结技术被广泛的用于钨基高密度合金的烧结。从2007年开始，中南大学的易健宏等[12]就开始对微波烧结W-Ni-Fe高密度合金就行研究。分别探讨了压制压力、烧结温度、烧结时间，W粉粒度、升温速度对微波烧结W-Ni-Fe高密度合金性能的影响。同时中南大学的马运柱等[13]研究了真空热处理对微波烧结93W-Ni-Fe合金显微组织及力学性能的影响。中南大学周承商[14]又在微波烧结制备W-Ni-Fe高密度合金中添加Mo元素对微波烧结W-Mo-Ni-Fe合金进行了研究。2011年印度国家热电有限责任公司Avijit Mondal[15]等研究了加热模式和烧结温度对90W-7Ni-3Fe合金的影响。刘瑞英等[16]通过控制烧结温度、烧结时间等主要影响W-Ni-Cu致密化因素，利用微波烧结制备了95W-3Ni-2Cu。并通过研究发现，在保证烧结温度和烧结时间的情况下，升温速度对产品微观组织的致密化影响不大。
2.3 微波烧结制备钨铜合金
钨铜合金由于金属铜和钨熔点差别大，不互溶，因此不能采用熔铸法进行生产。中南大学易健宏等[17]通过微波烧结制备了W-Cu合金。与常规烧结相比，促进了W-Cu合金的致密化和组织的均匀化。1250℃，保温10分钟的情况下，W-25Cu合金可以实现接近理论密度。当加入Fe元素作为烧结助剂的时候，W-Cu材料的致密化行为得到显著改善。同时易健宏[18]等还研究了微波熔渗法制备W-Cu合金。并与钼丝管式炉中烧结进行对比，发现两种方法制得的W-Cu合金电导率相似，但是微波法制备的产品硬度更好。
2.4 微波烧结各种金属单质粉末
微波对于金属粉末的烧结机理不同于块体金属，微波对金属块体的趋肤深度大约在微米级，远小于块体金属的尺寸，粉末态松散结构生坯的初始趋肤深度与块体金属的初始趋肤深度存在很大差异。中南大学的朱凤霞等[19]研究了微波烧结金属纯铜压坯时发现，生坯趋肤深度约为0.05m；与样品尺寸处于同一数量级，更远远大于单个粉末颗粒尺寸，最终样品得以升至1000℃高温保温，并实现良好致密化。印度科学家K·Rajkumar等[20]研究了铜-石墨粉末的烧结。发现微波能够成功地烧结没有任何裂痕的铜-石墨复合材料并且具有更加细小的显微结构，产品的孔隙是小的、圆形的。这些都加强了产品的机械性能。印度的G·Prabhu[21]等通过微波烧结钨粉。与常规烧结对比发现，微波烧结高温球磨后的钨粉能达到相对致密度93%高于一般钨粉的85%，维氏硬度达到303高于普通钨粉的265，且高温球磨后的钨粉微波烧结后的显微组织更加均匀致密。日本科学家K·Saitou[22]利用微波烧结制备钴粉、镍粉和不锈钢粉，并且将微波烧结与传统烧结钴粉、镍粉和不锈钢粉就行了对比。通过对比发现微波烧结能促进压坯更大的收缩，从而获得高致密度的产品，具有优良的物理和机械性能。
2.5 微波烧结其它金属粉末
微波烧结还运用于铝粉、Al/Ti合金、Cu-12Sn合金、储氢合金、形状记忆合金、功能梯度材料、金属间化合物Mg2Si等多种金属及其合金的制备，且都取得了较好的致密度和机械性能。
3 微波烧结金属合金粉末存在的问题及前景展望
微波烧结金属粉末从1999年发展至今才刚刚过去十几个年头，虽然科学家们在这方面的研究有所进展，但目前还处于微波烧结金属粉末的起步阶段，存在许多急需解决的问题：
首先，烧结机制的问题。微波烧结金属粉末的机制还不是很清楚，这样限制了微波烧结金属粉末制备金属材料的种类，减少了其应用范围。
其次，微波加热过程中的温度通常采用红外测温仪，红外测温仪是通过测定表面的红外线和特定的表面发射率ε来确定表面温度，在实验中所烧结的材料在特定温度下，其发射率将有显著变化，因而烧结温度无法进行准确测量。
再者，微波烧结的设备一直是限制微波烧结金属粉末的重要问题。目前微波烧结设备的最高温度只能达1700℃，同时国家规定的微波功率限制在2.4GHz、915MHz，随着微波烧结金属粉末种类的不断扩大，微波烧结设备的模块化设计也应该引起人们的重视。
此外，获取一个较大区域的均匀微波烧结场区也是一个需要解决的问题。
微波烧结金属合金粉末还处于一个起步阶段，虽然目前距离工业化还有一段距离，但是由于微波烧结表现出无可比拟的优越性以及金属材料无比重要的用途，将来必将引发一场微波烧结制备金属材料的高潮。