探究微波技術在金屬材料制備中的應用

秦敬麗

（菏澤高級技工學校，山東 菏澤 274000）

微波是一種頻率在300MHz ～300GHz 的電磁波，是無線電波中一種有限頻帶的統稱，其波長最短為1mm，最長為1m，所含類型主要包括亞毫米波、毫米波、厘米波以及分米波。因為其微波頻率比一般的電波頻率要高，將其稱為高頻電磁波。基于微波的特殊性能，對于玻璃、塑料、瓷器可以穿越而不被吸收，對于水和食物可以在微波穿越的情況下進行加熱，從而使水和食物內部的化學活性進一步提高，加熱水和食物。因此借助于這一特性，本文將探究微波在金屬材料制備領域的應用。

1 微波合成技術在金屬制備中的應用

微波合成的研究起于20 世紀80 年代，最開始研究者應用金屬以及非金屬粉末進行實驗，借助于微波的合成作用生成了碳化合物、硼化合物、硅化合物等復合新材料。微波合成主要是指微波燃燒合成，它能夠通過微波作為點火方式進行高溫自蔓延合成。這種點火技術相比于其他的電火花、強熱流激光點火技術有所不同。其他點火技術的燃燒波是從金屬材料的外部向內進行擴展。而微波合成技術在點火的過程中則是從材料的內部開始加熱，燃燒由內向外進行擴展，借助于這一特性，在金屬材料的制備過程中由內向外形成自蔓延合成工藝。因此我們在運用微波合成技術作為點火方式時，需要選擇具有高損耗特性的物質，使這類物質能夠被微波加熱，其原材料的內部活性充分地改變，原材料內部溫度達到一定的高度，熱量由內向外進行擴展。實驗結果表明，現階段已經發現一部分金屬材料或者是金屬粉末能夠通過微波加熱達到一定的高溫狀態，如鋁粉粉末在微波加熱90s 以后可以達到600℃的高溫，鐵通過微波加熱420s 以后可以達到768℃的高溫，銅通過微波加熱60s 以后可以達到1283℃的高溫，硅通過微波加熱70s 以后可以達到1000℃的高溫等，這些原材料通過微波加熱都可以形成自蔓延合成條件。

在實驗過程中，通過金屬以及非金屬粉末進行研究，采用微波點火使金屬與非金屬粉末形成化學反應，在反應過程中產生的熱量可以繼續維持反應的進行，縮短反應時間，生成高純度的反應物。由于金屬粉末可以通過微波點火而發生反應，借助于微波合成技術可以使金屬與金屬合成，從而生成金屬間化合物。通過實驗研究發現，能夠通過微波合成技術而生成的金屬間化合物種類較多，例如：Ti-Al、Fe-Al、Nb-Al、Ge-Al、Sb-Al、Cr-Al、Ti-Ni、Cu-Zn、Fe-Ni、Ni-Zr ……。這些金屬元素都可以通過微波合成金屬間化合物，有的甚至還能完成多元金屬之間的合成。

大量的實驗研究結果表明，某些金屬與金屬之間通過常規高溫不能合成的材料借助于微波合成技術可以達到想要的結果，如Ti 和Al 通過微波合成技術可以生成Ti-Al 體系的金屬間化合物，而在傳統金屬材料制備過程中，通過燃燒高溫進行合成并不能得到TiAl 或者是Ti3Al 的產物。借助微波合成技術合成金屬間化合物時，相比于熱積火燃燒方式以及常規燃燒方式進行合成時還具有合成的時間短，合成的產品純度高等相關優點，而且在合成的過程中有些產物，即使偏離了常規的化學計量配比，依然能夠獲得單項純凈的產物。綜合分析，將微波技術應用到金屬材料制備的過程中，借助于微波合成技術進行金屬間化合物的合成，即可以使金屬的反應時間較短，合成速度和效率得到了有效的提高，同時，通過微波合成技術所得的金屬化合物純度更高，能夠達到激光合成技術以及常規加熱合成技術所不能達到的目標。

2 微波技術在燒結金屬粉末中的應用

通過微波對粉末態的金屬進行加熱，可以使金屬粉末吸收微波而產生內部活性變化，提高材料內部的溫度，使得微波燒結金屬粉末材料實現的可能，主要是因為微波燒結金屬材料時并非通過金屬顆粒表面對微波熱量進行吸收，而是借助微波使金屬顆粒內部產生的活性變化從而使溫度升高，因此在進行微波燒結金屬粉末材料配制時，可以對金屬粉末壓坯進行加熱。近幾年來，隨著研究的不斷深入，大量科學研究對微波燒結金屬粉末材料體系進行了廣泛的研究，由純金屬到多元金屬合金，由低溫微波燒結到高溫微波燒結，實現了一系列的研究與實驗。現階段已發現的Mg、Al 基合金、Fe 基合金、Cu 基合金、Al 基合金、Sn 基無鉛焊料、金屬Co、金屬Zr……都得到了廣泛的具備，豐富了金屬材料的組成結構。

3 微波技術在熔煉金屬材料中的應用

金屬冶煉應用微波技術實現的冶煉技術實現了冶煉技術和冶煉質量的雙重提高，因此微波技術在熔煉金屬材料中的應用價值非常廣泛。美國科學家在多模腔微波設備中對Ti、U、Cu、Al、鋼、黃銅、青銅等材料進行熔煉，其熔煉結果得出了340kg 的錠塊，這一技術在工業冶煉過程中得到了廣泛的應用，實現了工業化的生產。在應用微波技術進行金屬材料熔煉時，科學地選擇坩堝可以有效地提高微波熱量的利用率。實驗研究表明，借助于石墨坩堝，并在石墨坩堝的表面涂上耐熱材料，可以有效地避免在金屬材料熔練的過程中滲透到坩堝內部，同時可以保證熔煉出的錠塊沒有其他的物質摻雜，純度得到了提高。借助微波具有選擇性加熱的特點，我們在應用微波加熱時采用磁場分量、電場分量實現物質四氧化三鐵和導電物質炭的強烈耦合，在多模腔微波設備中進行鐵礦石粉末與炭粉末的混合配熔煉，最終通過微波熔煉可以得到高純度的鐵錠。該熔煉過程所需時間僅為數10min，而且所產出的鐵含量較高，所熔煉出的產物雜質相比傳統的熔煉爐高溫熔煉要少10%左右，同時所消耗的碳元素含量也僅為高爐熔煉時的一半。應用微波進行該項加熱過程時沒有產生CO有害氣體。而這一加熱過程的原理主要是因為微波的選擇性加熱導致加熱區出現了不均勻加熱狀態，在加熱體的內部出現了加熱點，內部熱量的不平衡使金屬晶界處出現了混合，提高了反應速度和進程。

4 微波焊接金屬材料

微波焊接金屬材料在金屬材料制備工藝中也有著非常重要的應用，相比傳統的焊接工藝，具有更多的優點。在微波中塊體金屬對微波具有較高的反射率，因此不能吸收微波而產生內部活性變化，提高熱量。但是當兩塊金屬放得很近時，由于金屬間的間隙出現了等離子體，通過微波技術使等離子體加熱的金屬，可以實現金屬之間的焊接，因此，這種方法被稱之為微波焊接。將316 不銹鋼表面包覆NiTi 合金材料，應用微波焊接技術可以實現不銹鋼的抗孔隙侵蝕能力增強。在焊接的過程中，選擇銅合金材料作為焊料，該材料在融化過程中，其NiTi 合金以及不銹鋼可以繼續保持原來的固態形狀，通過微波技術焊接以后，使不銹鋼材料里的 Ti、Fe元素以及NiTi 合金中的Ti、Fe 元素紛紛擴散到焊接材料里，進一步提高了焊接材料的厚度，使焊接界面的結構強度得到了增強，而不銹鋼與NiTi 合金復合體剪切強度可以達到100～150MPa。因此，通過微波焊接技術實現了金屬材料與金屬材料之間的焊接，同時還有效地改變了焊接體的結構強度與剪切強度，提高了金屬材料的應用性能。

5 結語

微波制備金屬材料有了顯著的研究成果，但是離大規模實用化尚有一定距離，因此在理論研究、設備制造以及工藝控制等方面仍需要開展大量工作。