微波燒結(jié)在鈦材料中的研究及應(yīng)用 微波燒結(jié)是近年來迅速發(fā)展起來的一種加熱燒結(jié)新技術(shù),它不同于通過傳導、輻射、對流機制傳遞熱量的傳統(tǒng)加熱燒結(jié)方法,而是利用微波的特殊波段與材料的基本結(jié)構(gòu)耦合而產(chǎn)生熱量,使得材料整體被加熱至燒結(jié)溫度而實現(xiàn)致密化。微波燒結(jié)能促進合金固結(jié),其平均晶粒尺寸比常規(guī)燒結(jié)的小,相對密度也更高,可達到99.88%。又如,常規(guī)燒結(jié)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(jié)構(gòu),但是這些晶粒生長抑制劑的加入會降低最終產(chǎn)品的力學性能,而在微波燒結(jié)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(yōu)良的力學性能。在傳統(tǒng)燒結(jié)中,大量的鎢會溶解在鈷基體中,而在微波燒結(jié)試樣中沒有觀察到這種現(xiàn)象,因此,微波燒結(jié)試樣的硬度和抗腐蝕性能都得到了顯著改善。

微波燒結(jié)與傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)相比,具有許多突出優(yōu)點:

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

(2)微波燒結(jié)可顯著降低燒結(jié)溫度,并由于加熱速率快,使得燒結(jié)周期大大縮短,從而大幅降低了能耗,比常規(guī)燒結(jié)節(jié)能70%～90%;而且能顯著減少燒結(jié)氣氛的氣體使用量,使得燒結(jié)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(nèi)部分子的動能增加,擴散系數(shù)提高,燒結(jié)活化能降低,使得晶粒來不及長大就被燒結(jié),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(tǒng)燒結(jié)的更圓滑,使材料具有更優(yōu)良的力學性能。 例如,制備92.5W6.4Ni1.1Fe合金,在傳統(tǒng)燒結(jié)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(jié)時間減少了75%左右,從而大幅縮短燒結(jié)周期,并有效抑制了晶粒粗化。在傳統(tǒng)燒結(jié)過程中,除了會使晶粒粗化外,長時間燒結(jié)也會導致鈦鎳合金中產(chǎn)生脆性鈦間化合物NiTi,而使用微波燒結(jié)制備的合金中沒有發(fā)現(xiàn)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(tǒng)燒結(jié)體(642MPa),伸長率達到11.2%,也高于傳統(tǒng)燒結(jié)體(3.5%)。在燒結(jié)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(fā)生沉降,坯體在燒結(jié)時就會產(chǎn)生變形。使用微波燒結(jié)技術(shù)升溫速率較快,能有效控制這一問題。