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(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種加熱燒結(jié)新技術(shù),它不同于通過(guò)傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流機(jī)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(shí)現(xiàn)致密化。微波燒結(jié)能促進(jìn)合金固結(jié),其平均晶粒尺寸比常規(guī)燒結(jié)的小,相對(duì)密度也更高,可達(dá)到99.88%。又如,常規(guī)燒結(jié)鈦復(fù)合材料必須加入大量的晶粒生長(zhǎng)抑制劑以便獲得細(xì)小均勻的微觀結(jié)構(gòu),但是這些晶粒生長(zhǎng)抑制劑的加入會(huì)降低最終產(chǎn)品的力學(xué)性能,而在微波燒結(jié)試樣中不需要加入大量的晶粒生長(zhǎng)抑制劑就可獲得細(xì)晶粒組織,從而可獲得更加優(yōu)良的力學(xué)性能。在傳統(tǒng)燒結(jié)中,大量的鎢會(huì)溶解在鈷基體中,而在微波燒結(jié)試樣中沒(méi)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(diǎn):
(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(shí)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(guò)程中的開(kāi)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(guò)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(dòng)能增加,擴(kuò)散系數(shù)提高,燒結(jié)活化能降低,使得晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大就被燒結(jié),從而得到均勻的細(xì)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(xué)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(dá)到20℃/min,這使得燒結(jié)時(shí)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(guò)程中,除了會(huì)使晶粒粗化外,長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)也會(huì)導(dǎo)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(méi)有發(fā)現(xiàn)這類脆性鈦間化合物,這使得其抗拉強(qiáng)度達(dá)到了805MPa,高于傳統(tǒng)燒結(jié)體(642MPa),伸長(zhǎng)率達(dá)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(shí),由于固、液相密度差異較大,在重力作用下固相會(huì)發(fā)生沉降,坯體在燒結(jié)時(shí)就會(huì)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(wèn)題。