[发明专利]一种微波烧结制备孔隙梯度金属或合金材料的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种制备孔隙梯度金属或合金材料的方法。特别是指一种采用微波烧结技术制备梯度孔隙金属或合金材料的方法。属于微波应用及孔隙梯度合金制备技术领域。 

背景技术

现有的功能梯度材料的制备技术主要有等离子喷涂、电泳沉积、气相沉积、自蔓延合成、激光烧结等方法。这些方法存在工艺复杂、设备要求高、成本高等缺点。 

微波烧结技术的原理在于将微波能在材料内部直接转化为热能而引起粉末固结和合金化，是一种体积加热行为，具有加热速度快、烧结周期短、能量消耗低以及环境友好等优点。一般认为微波烧结的材料获得的材料组织较常规烧结方法更加均匀。 

1999年美国宾夕法尼亚州立大学的Roy等报道微波烧结铁基粉末冶金零件实验，证明金属粉末能被有效地微波烧结。 

目前的研究认为，由于微波加热的体积效应，能够使材料组织细小均匀、性能提升。另一方面，微波烧结具有另一特征为选择性加热，即：吸收微波能力不同的物质在给定的微波场中加热时将获得不同的加热效果，这种因物质而异的微波加热行为被称为选择性加热。 

对于金属粉末来说，由经典麦克斯韦方程能得出：金属粉末吸收微波的能力 随着温度升高而增强。也就是说，金属粉末在特定的条件下能够被微波选择性加热。 

但是，利用微波加热直接烧结制备孔隙梯度合金材料，至今未见报道。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单、操作方便、可以在普通的工业微波高温炉中直接烧结制备梯度孔隙合金材料的微波烧结制备孔隙梯度金属或合金材料的方法。通过特殊设计的微波烧结保温结构和微波烧结工艺，在烧结过程中形成可控的温度梯度，利用温度梯度导致合金材料烧结时收缩、孔隙的差异，形成梯度结构合金。 

本发明一种微波烧结制备孔隙梯度金属或合金材料的方法，包括下述步骤： 

第一步：制坯 

根据设计的孔隙梯度合金组分配比，称取各组分，按常规粉末冶金制坯工艺混料、压制成型，得到压坯； 

第二步：压坯包裹 

将第一步得到的压坯置于由保温材料制成的保温腔中，所述保温腔的壁厚一端薄，一端厚； 

第三步：烧结 

将第二步包裹好的压坯置于工业微波高温炉中，调节微波输出功率，控制压坯以5-10℃/min的速度升温至烧结温度Ts的0.7倍；然后，以20-50℃/min升温至烧结温度，关闭微波源，随炉冷却。 

本发明一种微波烧结制备孔隙梯度金属或合金材料的方法中，所述保温腔薄的一端设有散热通孔。 

本发明一种微波烧结制备孔隙梯度金属或合金材料的方法中，所述保温腔厚的一端放置有辅助加热材料，所述辅助加热材料的熔点比烧结温度高200℃。 

本发明一种微波烧结制备孔隙梯度金属或合金材料的方法中，所述辅助加热材料为SiC。 

本发明一种微波烧结制备孔隙梯度金属或合金材料的方法中，所述保温材料为氧化铝保温材料或氧化铝-莫来石保温材料。 

本发明一种微波烧结制备孔隙梯度金属或合金材料的方法中，所述合金选自W、Fe、Cu、Ti、Al、Mo合金中的一种。 

本发明的机理简述于下：研究认为，由于微波加热的体积效应，能够使材料组织细小均匀、性能提升。另一方面，微波烧结具有选择性加热的特征，即：吸收微波能力不同的物质在给定的微波场中加热时将获得不同的加热效果，这种因物质而异的微波加热行为被称为选择性加热。 

对于金属粉末来说，由经典麦克斯韦方程能得出：金属粉末吸收微波的能力随着温度升高而增强。因此，通过对微波烧结保温结构和微波烧结工艺的特殊设计，使制品部分区域温度较高，由于高温下金属粉末能更有效地被微波加热，那么该区域在整个烧结阶段就能始终保持较高温度，进而在整个烧结阶段在制品内保持显著的温度梯度。这样，在同一制品内梯度温度的烧结导致收缩、孔隙的差异，能够形成梯度结构的合金(包括孔隙数量、孔隙大小、晶粒大小、合金成分的分布梯度)，因此，微波烧结制备梯度孔隙合金是可行的。