作者：方可
摘要：微波燒結(jié)是一項新型材料制備技術(shù)，具有整體加熱、低溫快燒、節(jié)能、安全無污染等許多優(yōu)點，在粉末冶金領(lǐng)域中具有廣闊的發(fā)展前景。為此簡要回顧了微波燒結(jié)技術(shù)的起源和發(fā)展，對微波燒結(jié)金屬粉末材料的原理、特點、研究和應(yīng)用進展以及發(fā)展前景等方面進行了總結(jié)和論述。
關(guān)鍵詞：微波燒結(jié);金屬粉末;進展

微波是頻率在300MHz-300GHz(對應(yīng)波長在1000--1mm)范圍內(nèi)的電磁波。微波燒結(jié)就是利用微波輻射來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的外加熱源，材料通過自身對電磁場能量的吸收(介質(zhì)損耗)達到燒結(jié)溫度而實現(xiàn)致密化。微波燒結(jié)技術(shù)研究始于20世紀50年代，美國的VonHippel在材料介質(zhì)特性方面的開創(chuàng)性研究為將微波加熱應(yīng)用于材料燒結(jié)奠定了基礎(chǔ)川。早期的微波燒結(jié)研究和應(yīng)用主要集中于現(xiàn)代陶瓷材料領(lǐng)域。
20世紀 90年代末，美國賓西法尼亞州立大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)認識一塊體金屬會將微波輻射反射掉，處于粉末狀態(tài)的金屬卻能有效吸收微波而實現(xiàn)加熱，從而能夠利用微波燒結(jié)制備金屬器件，為金屬粉末冶金工業(yè)發(fā)明了一種新的生產(chǎn)和制造工藝。微波燒結(jié)能顯著改進金屬制品的性能，能夠生產(chǎn)形狀復(fù)雜的器件，且生產(chǎn)成本較低，燒結(jié)周期短一任何金屬粉末生坯都能在10-30min內(nèi)燒結(jié)完成。研究試驗了鐵、鋼、銅、鉛、鎳、鉆、鑰、鎢、碳化鎢和錫的環(huán)狀、管狀和齒輪制品，所制得的微波燒結(jié)器件比傳統(tǒng)制品具有更高的力學(xué)性能，顯微組織的均勻性好，氣孔率很低。
各類硬質(zhì)合金和難熔金屬材料具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能，特別是高硬度和耐磨性，在刀具和鉆探領(lǐng)域用途廣泛。將微波燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用于金屬粉末冶金，能大幅降低燒結(jié)溫度，改善材料顯微結(jié)構(gòu)，使制品性能得到顯著提升，應(yīng)用和發(fā)展前景廣闊。

1 微波燒結(jié)金屬粉末原理
微波燒結(jié)技術(shù)是基于物質(zhì)與電磁場相互作用中產(chǎn)生熱效應(yīng)的原理。當材料的基本細微結(jié)構(gòu)與特定頻率的電磁場禍合時，內(nèi)部微觀粒子響應(yīng)電磁振蕩，熱運動加劇，材料因介質(zhì)損耗吸收微波能轉(zhuǎn)化為熱能。將微波加熱原理應(yīng)用于傳統(tǒng)燒結(jié)工藝，就是微波燒結(jié)。在微波燒結(jié)中，因存在電磁場作用，材料介電性能、磁性能以及導(dǎo)電性能等特性對燒結(jié)效果具有重要影響。
1.1微波熱效應(yīng)
金屬導(dǎo)體材料在微波電磁場中，其內(nèi)部自由電荷在電磁場作用下，會迅速向?qū)w表面聚集，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。馳豫時間用來表征自由電荷響應(yīng)電磁場變化的快慢。由于馳豫時間遠小于電磁場振動周期，故在每周期剛開始，自由電荷就已聚集于導(dǎo)體表面，內(nèi)部自由電荷密度為零。塊體金屬內(nèi)部不存在自由電荷，缺少與電磁場相互作用、吸收和轉(zhuǎn)化的媒介，因而無法被有效加熱。
根據(jù)黃銘、彭金輝等研究，電磁場在物質(zhì)中傳播，在單位體積物質(zhì)中發(fā)生的功率損耗為:

故金屬導(dǎo)體表面是吸波的，吸波機理為電導(dǎo)損耗，但穿透深度很小，一般都在微米級：

可見，在電磁場作用下，金屬導(dǎo)體表面會產(chǎn)生電流，存在歐姆損耗，故只要減小金屬導(dǎo)體的宏觀尺寸，使之能與微波電磁場完全藕合，就能有效實現(xiàn)加熱和燒結(jié)。
1.2微波非熱效應(yīng)
在微波燒結(jié)中，除明顯的微波熱效應(yīng)外，還存在一定的微波非熱效應(yīng)，包括活化過程速率增強、燒結(jié)體性能改變等。微波非熱效應(yīng)是微波燒結(jié)中的重要因素，能夠?qū)Y(jié)過程起到明顯的促進作用。其機理可能是在電磁場存在條件下，引起沿電場方向的電勢梯度，導(dǎo)致空間電荷產(chǎn)生附加驅(qū)動力，增強了帶電微粒的擴散作用，降低了粉末的燒結(jié)活化能，使得各種微粒的遷移變得更加容易發(fā)生，且遷移速率提高很多，故能明顯促進致密化過程，具體表現(xiàn)就是燒結(jié)溫度更低、升溫速度更快、燒結(jié)時間大幅縮短。

2 微波燒結(jié)特點
與傳統(tǒng)燒結(jié)相比，微波燒結(jié)主要有整體加熱、低溫快燒、無加熱慣性、選擇性加熱等顯著特點。在傳統(tǒng)燒結(jié)過程中，材料表面、內(nèi)部和中心區(qū)域溫度存在較大梯度，容易導(dǎo)致晶粒不均勻，內(nèi)部存在較多缺陷。微波燒結(jié)依靠電磁場輻射透人材料內(nèi)部，材料整體發(fā)生介質(zhì)損耗而升溫，各部分溫差小，材料顯微結(jié)構(gòu)得到改善，性能更加優(yōu)異(見圖1)。

微波燒結(jié)能耗低，效率高，比傳統(tǒng)燒結(jié)節(jié)能80%左右，而且清潔、安全、無污染。微波燒結(jié)能得到均勻細晶顯微結(jié)構(gòu)，孔隙少且規(guī)則，材料具有更好的延展性和韌性，宏觀性能優(yōu)異。微波燒結(jié)具有的獨特優(yōu)點預(yù)示其在現(xiàn)代材料制備行業(yè)中擁有廣闊的發(fā)展空間，被廣泛譽為“燒結(jié)技術(shù)的一場革命”

3 微波燒結(jié)裝置
3.1燒結(jié)裝置
微波燒結(jié)實驗裝置由微波發(fā)生器(磁控管和調(diào)速管)、波導(dǎo)管、加熱腔和微波電源組成，加熱腔有諧振式和非諧振式兩種，諧振式加熱腔又有多模場型和單模場型兩種。單模場型可形成穩(wěn)定的電磁波，能量集中，適合燒結(jié)低損耗材料，但均勻場區(qū)小，無法燒結(jié)大尺寸工件;多模場型諧振腔結(jié)構(gòu)簡單，易得到較大區(qū)域的均勻場強，可用于燒結(jié)大尺寸、介質(zhì)損耗高的材料。為得到穩(wěn)定和均勻的微波場分布，必須對加熱腔進行合理設(shè)計。
3.2場型分析
研究表明，不同類型的材料在分別放置于加熱腔內(nèi)的電場或磁場區(qū)域中時，會表現(xiàn)出極為不同的加熱行為。如金屬或合金粉末壓坯等導(dǎo)體材料，在磁場中的加熱效果比在電場中要好。場型分析為各種材料的微波燒結(jié)實驗研究提供了基本依據(jù)。
在標準矩形波導(dǎo)中傳播TE10波，假設(shè)矩形波導(dǎo)寬邊為a，窄邊為b，沿z方向傳播的TE10波各分量可描述為：

在寬邊中間位置((x=a/2)，電場乓和磁場Hx為最強，而磁場HZ為零;在寬邊兩側(cè)(x=0或者a)處，電場Ey和磁場Hx為零，而磁場Hz為最大。
3.3燒結(jié)工藝
微波燒結(jié)的工藝參數(shù)主要有微波源功率、微波頻率、燒結(jié)時間和燒結(jié)速度。研究表明，在同等燒結(jié)條件下(燒結(jié)溫度和保溫時間)，微波燒結(jié)晶粒要明顯大于常規(guī)燒結(jié)，說明微波作用下晶粒生長更快、致密化過程更加迅速;溫度過低會導(dǎo)致“欠燒”，過高或保溫時間太長會引起晶粒異常長大;升溫速度也是重要因素，如升溫速度較慢，加熱時間就得適當延長，導(dǎo)致材料在高溫區(qū)停留時間較長。

在材料與電磁場相互作用過程中，材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)起著關(guān)鍵作用，如銅粉末壓坯在電磁場中能有效吸收微波能，而塊體銅就不能，因而減小粉末顆粒尺寸有助于快速升溫和提高制品性能;另一方面，單獨的電場或磁場作用于材料時熱效應(yīng)差異顯著，因此，根據(jù)燒結(jié)腔內(nèi)微波場結(jié)構(gòu)特點和分布規(guī)律，在腔體內(nèi)選擇合適位置使電場或磁場最大，可對燒結(jié)成敗起到?jīng)Q定作用。
因燒結(jié)溫度很高(在1000℃以上)，樣品在加熱過程中會散失部分熱量，可能會導(dǎo)致材料無法達到燒結(jié)溫度，不能致密化，因此需要對樣品進行保溫。對于保溫材料的選擇應(yīng)考慮三點:一是微波透明(即不吸收微波能，微波完全穿透);二是耐高溫;三是保溫效果好。

4 研究進展
自1999年美國賓西法尼亞州立大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)微波燒結(jié)也能用于制備金屬材料，這項新的粉末冶金工藝激起眾多研究人員的興趣和研究熱情，十余年中得到很大發(fā)展和應(yīng)用。
4.1微觀機理
與塊體金屬只能反射微波不同，金屬粉體能夠有效吸收微波而加熱至很高溫度。易建宏、羅述東等研究表明，在燒結(jié)過程中，材料介電損耗、渦流損耗以及金屬粉體顆粒對微波輻射的多次散射都對熱效應(yīng)的產(chǎn)生具有重要作用，但由于微波電磁場對金屬導(dǎo)體內(nèi)部存在的自由電荷的固有影響，渦流損耗成為主要機理。導(dǎo)體內(nèi)部自由電子在外加高頻電磁場作用下，高速來回運動產(chǎn)生焦耳熱，壓坯從內(nèi)部整體均勻加熱和升溫。
胡常波、習(xí)小明等通過構(gòu)建“柱體電容”模型，推證出弧光放電“臨界長度”的存在。金屬粉體顆粒受交變電磁場作用，等效于磁場分量切割金屬導(dǎo)線而產(chǎn)生電流，生成焦耳熱，揭示了微波燒結(jié)金屬材料的可行性。
4.2工藝研究
傳統(tǒng)的金屬燒結(jié)過程需要15至20 h，采用微波燒結(jié)可使燒結(jié)時間大幅縮短到5至10min。研究W-10Ni-Cu粉末合金在微波爐和傳統(tǒng)燒結(jié)中的行為時發(fā)現(xiàn)，微波燒結(jié)特有的低溫快燒能夠大大抑制W晶粒的長大，從而形成細小的W晶粒在Ni-Cu基體中均勻分布的微觀組織。
在燒結(jié)后期，金屬粉體壓坯達到一定致密化程度，其粉體特點逐步弱化，與塊體金屬差異消失，坯體微波反射升高，吸收下降，致密化進程變得緩慢并趨于停滯。為此，可采用混合加熱方式，在壓坯外填埋高損耗介質(zhì)，既能起到保溫作用，在燒結(jié)后期還能繼續(xù)對坯體加熱，從而進一步提高致密化程度。
多模加熱腔具有均勻場區(qū)大的優(yōu)點，適合燒結(jié)尺寸較大的制件，是微波燒結(jié)工業(yè)應(yīng)用的重要方向。左蘭蘭、陳艷等實驗和研究了在不充惰性氣體保護的情況下無氧化燒結(jié)金屬粉末壓坯。
4.3材料制備
與普通高溫加熱相比，微波燒結(jié)制取的機械零件具有勻質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙很少，不僅牢固致密，而且具有更好的延展性和韌性。在采用微波燒結(jié)方法制備金屬材料的研究中，報道較多的是WC硬質(zhì)合金、Fe系高密度合金以及其它難熔金屬材料。
4.3.1   WC硬質(zhì)合金
羅述東、易健宏等研究了微波燒結(jié)制備WC硬質(zhì)合金，分析了升溫速度對材料顯微結(jié)構(gòu)、密度和硬度的影響，結(jié)果表明，微波燒結(jié)能夠快速制備高密度和高硬度的硬質(zhì)合金材料。
周建、全峰等研究了在TE103單模腔中微波燒結(jié)WC-lOC。硬質(zhì)合金，結(jié)果表明，微波磁場下的升溫速率比在電場下要大，但溫度只能升至1160℃左右，另外，研究了燒結(jié)溫度和脫蠟時間對材料密度和硬度的影響。
鮑瑞、易健宏、楊亞杰等研究了微波燒結(jié)超細WC-Co硬質(zhì)合金，分析了燒結(jié)溫度和保溫時間對材料顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及密度和硬度等方面的影響。研究結(jié)果表明，隨燒結(jié)溫度提高或保溫時間延長，晶粒尺寸增加不大，且沒有出現(xiàn)異常長大，分布均勻。研究微波燒結(jié)WC-12C。合金表明，保溫時間超過30min后，由于晶粒異常長大以及鉆相分布不均勻，導(dǎo)致合金的密度和硬度急劇下降。
4.3.2高密度合金
周承商、易健宏等通過研究微波燒結(jié)W -Ni -Fe高密度合金，分析并揭示了燒結(jié)溫度和保溫時間等工藝參數(shù)對材料顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和密度的影響規(guī)律，重點研究了W晶粒的生長行為。結(jié)果表明，如燒結(jié)時間較短，微波燒結(jié)樣品的鎢晶粒尺寸小于常規(guī)燒結(jié);但微波燒結(jié)中晶粒具有更大的生長速率，不宜過度延長燒結(jié)時間。另一方面，微波燒結(jié)制備的合金材料的變形得到有效控制，樣品頂部與底部的晶粒尺寸、硬度等方面差異較小，說明微波燒結(jié)能得到均勻細晶結(jié)構(gòu)。
李波、尚福軍對分別采用傳統(tǒng)方法和微波燒結(jié)制備93W-Ni-Fe合金材料進行了對比，對材料顯微結(jié)構(gòu)和性能的分析表明，微波燒結(jié)的試樣組織均勻、細小，鎢顆粒明顯小于傳統(tǒng)燒結(jié)水平，徑向性能分布均勻。
4.3.3  Fe一Cu一C合金
黃加伍、彭虎研究了粉末冶金Fe-Cu-C合金在氨氣或氮氣保護下的微波燒結(jié)，分析了燒結(jié)溫度和保溫時間對密度和樣品性能的影響。結(jié)果表明，合金粉末在室溫下具有較強的微波吸收能力，微波燒結(jié)樣品幾乎完全致密，且無變形和裂紋。
彭元東、易健宏等對微波燒結(jié)Fe-Cu一C合金材料進行了探索性研究，分析了不同燒結(jié)溫度對材料顯微結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，短時間燒結(jié)時，晶粒來不及長大，易得到均勻的細晶粒顯微結(jié)構(gòu)，內(nèi)部缺陷較少。在相同溫度下燒結(jié)時，微波燒結(jié)比常規(guī)燒結(jié)具有更致密的微觀結(jié)構(gòu)。而且，金相觀察表明，微波燒結(jié)有一個致密的核心，邊緣多孔，這表明材料自身發(fā)熱，熱傳遞從內(nèi)而外，內(nèi)部溫度高于表面。微波燒結(jié)試樣的組織主要由鐵素體、片狀和粒狀珠光體以及極少量的孔隙組成，大量珠光體的存在能顯著改善力學(xué)性能。
4.3.4難熔金屬
鎢、釩、妮、擔、鑰等難熔金屬及因熔點高、塑性差，主要采用粉末冶金法制備。采用傳統(tǒng)方法，在燒結(jié)過程中晶粒極易長大，導(dǎo)致制品性能降低。而采用微波燒結(jié)，產(chǎn)品致密度高且具有更好的延展性和韌性，快速燒結(jié)有利于細化晶粒，顯微結(jié)構(gòu)均勻，燒結(jié)體性能得到明顯提高。
4.3.5金屬陶瓷
晉勇、王玉環(huán)等研究了微波燒結(jié)制備納米金屬陶瓷材料的燒結(jié)工藝和性能，燒結(jié)前后晶粒尺寸變化很小。唐思文、張厚安等研究了真空微波燒結(jié)TiCN基金屬陶瓷，結(jié)果表明快速燒結(jié)能夠得到細晶結(jié)構(gòu)。
研究的金屬材料還有純銅、不銹鋼、銅鐵合金、鎢銅合金及鎳基高溫合金等，最新研究的還有W-Cu觸頭材料、LiNi0.5Mn0.5O2正極材料、MnNiCuFe系材料、鈦酸鍶鋇紅外探測器等金屬和金屬陶瓷材料。微波燒結(jié)技術(shù)正得到越來越廣泛的研究和應(yīng)用。
另外，高磁場條件下的微波燒結(jié)能夠制備完全非晶態(tài)的磁性材料，將具有顯著硬磁特性的材料(如NdFeB永磁體)變成軟磁材料。
4.3.6發(fā)展方向
硬質(zhì)合金為脆性材料，采用微波燒結(jié)制備超細晶粒硬質(zhì)合金，可以得到具有一定韌性的硬質(zhì)合金材料。納米材料成為今后主要的研究方向。研究表明，當硬質(zhì)合金的晶粒尺寸達到納米級，材料的力學(xué)性能、電性能和熱性能等都將得到顯著提高，從而使合金硬度和強度之間的矛盾得到解決。
形狀記憶合金獨特的形狀記憶效應(yīng)在于存在熱彈性馬氏體，合金的微觀組織結(jié)構(gòu)對形狀記憶效應(yīng)影響很大，微觀組織越均勻越有利于馬氏體的均勻分布。采用微波燒結(jié)制備形狀記憶合金，其整體加熱、低溫快燒等特點能大幅優(yōu)化合金顯微結(jié)構(gòu)(細化晶粒，減少缺陷)，從而使形狀記憶效應(yīng)得到顯著增強。

5 結(jié)語
微波燒結(jié)技術(shù)已成為快速制備高質(zhì)量新材料和新性能傳統(tǒng)材料的重要技術(shù)手段。在微波燒結(jié)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化中，一是要能夠產(chǎn)生穩(wěn)定和均勻場區(qū)大的微波場;另外，由于不同類型的材料與電磁場禍合作用不同，致使加熱行為存在很大差異，因而微波燒結(jié)設(shè)備不可能成為一種通用設(shè)備，而只是某一類材料專用型設(shè)備。
通過對加熱腔選擇適當尺寸，在腔體內(nèi)形成相當于對微波進行漫反射的“絕對黑體”，不斷反射使各種模譜連續(xù)疊加，最后得到的微波場區(qū)大而均勻。另一方面，若能應(yīng)用計算機和精確測量技術(shù)，在微波燒結(jié)中建立起有效的溫度反饋和功率自動調(diào)節(jié)機制，就能實現(xiàn)對燒結(jié)過程的精確自動控制，為此，已設(shè)計出具有數(shù)字控制的雙頻微波燒結(jié)爐。
微波燒結(jié)技術(shù)是人類社會進人現(xiàn)代文明后才出現(xiàn)的新型技術(shù)，因節(jié)能高效、清潔無污染、安全可靠等諸多優(yōu)點，在現(xiàn)代材料領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展空間，市場潛力巨大，對技術(shù)進步以及社會發(fā)展都將產(chǎn)生革命性影響。自微波燒結(jié)技術(shù)誕生以來，各國政府都高度重視，不惜投人巨大的人力和物力資源來開發(fā)這一新型技術(shù)。