微波烧结在钛材料中的研究及应用 微波烧结是近年来迅速发展起来的一种加热烧结新技术,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,使得材料整体被加热至烧结温度而实现致密化。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,相对密度也更高,可达到99.88%。又如,常规烧结钛复合材料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,而在微波烧结试样中不需要加入大量的晶粒生长抑制剂就可获得细晶粒组织,从而可获得更加优良的力学性能。在传统烧结中,大量的钨会溶解在钴基体中,而在微波烧结试样中没有观察到这种现象,因此,微波烧结试样的硬度和抗腐蚀性能都得到了显著改善。

微波烧结与传统烧结技术相比,具有许多突出优点:

(1)微波烧结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,使材料内部温度梯度很小,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。

(2)微波烧结可显著降低烧结温度,并由于加热速率快,使得烧结周期大大缩短,从而大幅降低了能耗,比常规烧结节能70%～90%;而且能显著减少烧结气氛的气体使用量,使得烧结过程中的废物、废热排放量显著降低。

(3)在微波电磁能的作用下,材料内部分子的动能增加,扩散系数提高,烧结活化能降低,使得晶粒来不及长大就被烧结,从而得到均匀的细晶粒组织;并且材料的孔隙率小,孔隙形状也比传统烧结的更圆滑,使材料具有更优良的力学性能。 例如,制备92.5W6.4Ni1.1Fe合金,在传统烧结炉中粉末坯体的升温速率为5℃/min,而在微波炉中,其升温速率可达到20℃/min,这使得烧结时间减少了75%左右,从而大幅缩短烧结周期,并有效抑制了晶粒粗化。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钛镍合金中产生脆性钛间化合物NiTi,而使用微波烧结制备的合金中没有发现这类脆性钛间化合物,这使得其抗拉强度达到了805MPa,高于传统烧结体(642MPa),伸长率达到11.2%,也高于传统烧结体(3.5%)。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。使用微波烧结技术升温速率较快,能有效控制这一问题。