微波燒結在鈦材料中的研究及應用 微波燒結是近年來迅速發展起來的一種加熱燒結新技術,它不同于通過傳導、輻射、對流機制傳遞熱量的傳統加熱燒結方法,而是利用微波的特殊波段與材料的基本結構耦合而產生熱量,使得材料整體被加熱至燒結溫度而實現致密化。微波燒結能促進合金固結,其平均晶粒尺寸比常規燒結的小,相對密度也更高,可達到99.88%。又如,常規燒結鈦復合材料必須加入大量的晶粒生長抑制劑以便獲得細小均勻的微觀結構,但是這些晶粒生長抑制劑的加入會降低最終產品的力學性能,而在微波燒結試樣中不需要加入大量的晶粒生長抑制劑就可獲得細晶粒組織,從而可獲得更加優良的力學性能。在傳統燒結中,大量的鎢會溶解在鈷基體中,而在微波燒結試樣中沒有觀察到這種現象,因此,微波燒結試樣的硬度和抗腐蝕性能都得到了顯著改善。

微波燒結與傳統燒結技術相比,具有許多突出優點:

(1)微波燒結能非常快地將電磁波的能量轉化為物質分子的能量,從而使得材料可內外同時加熱,使材料內部溫度梯度很小,材料內部熱應力減至最低,因此能有效緩解材料在燒結過程中的開裂與變形。

(2)微波燒結可顯著降低燒結溫度,并由于加熱速率快,使得燒結周期大大縮短,從而大幅降低了能耗,比常規燒結節能70%～90%;而且能顯著減少燒結氣氛的氣體使用量,使得燒結過程中的廢物、廢熱排放量顯著降低。

(3)在微波電磁能的作用下,材料內部分子的動能增加,擴散系數提高,燒結活化能降低,使得晶粒來不及長大就被燒結,從而得到均勻的細晶粒組織;并且材料的孔隙率小,孔隙形狀也比傳統燒結的更圓滑,使材料具有更優良的力學性能。 例如,制備92.5W6.4Ni1.1Fe合金,在傳統燒結爐中粉末坯體的升溫速率為5℃/min,而在微波爐中,其升溫速率可達到20℃/min,這使得燒結時間減少了75%左右,從而大幅縮短燒結周期,并有效抑制了晶粒粗化。在傳統燒結過程中,除了會使晶粒粗化外,長時間燒結也會導致鈦鎳合金中產生脆性鈦間化合物NiTi,而使用微波燒結制備的合金中沒有發現這類脆性鈦間化合物,這使得其抗拉強度達到了805MPa,高于傳統燒結體(642MPa),伸長率達到11.2%,也高于傳統燒結體(3.5%)。在燒結高密度合金時,由于固、液相密度差異較大,在重力作用下固相會發生沉降,坯體在燒結時就會產生變形。使用微波燒結技術升溫速率較快,能有效控制這一問題。