微波真空气压烧结炉的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种微波真空气压烧结炉，包括炉体，炉体连有抽真空装置以及加压装置，炉体内设置有用于物料烧结并减少热量流失的保温盒体；炉体设有用于向炉体内腔馈入微波的微波发生装置，微波发生装置包括用于发出微波的微波源以及用于将微波源发出的微波向炉体内馈入的波导；微波发生装置设置为一个，波导馈入口朝向炉体内的保温盒体的中心布置；或者微波发生装置设置为多个，微波源与波导的接合方向在相邻的两个微波发生装置上相互垂直布置，并且与微波源相接合的波导的馈入方向偏离保温盒体的中心，馈入方向偏离保温盒体中心的偏离距离为微波波长的奇数倍。可实现结构复杂的高密度构件的均匀、快速烧结。
【专利说明】微波真空气压烧结炉
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及材料烧结设备领域，特别地，涉及一种微波真空气压烧结炉。
【背景技术】
[0002]烧结炉是一种在高温作用下，使粉末材料致密化的炉具，主要应用于结构陶瓷、硬质合金、粉末冶金等材料烧结。在这些材料烧结过程中，首先需要进行低温脱脂、高温烧结提高材料的致密度。现在设备的主要加热方式是电阻加热，感应加热。由于其加热方式是通过热量对流、辐射传递给物料，往往存在生产周期长、能耗高，烧结不均匀、产品一致性差等诸多问题。目前微波烧结设备均不能满足高温，真空、高气压快捷切换烧结的要求。
实用新型内容
[0003]本实用新型目的在于提供提出了一种真空高气压快捷切换、耐高温且温场均匀的微波真空气压烧结装置，以解决现有常规烧结设备生产周期长、烧结不均匀，而微波气压设备反应温度低、微波烧结设备无法施压的技术问题。
[0004]为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下:
[0005]一种微波真空气压烧结炉，包括炉体，炉体连有用于对炉体的内腔抽真空的抽真空装置以及用于向炉体的内腔中加压的加压装置，炉体内设置有用于物料烧结并减少热量流失的保温盒体；炉体设有用于向炉体内腔馈入微波的微波发生装置，微波发生装置包括用于发出微波的微波源以及用于将微波源发出的微波向炉体内馈入的波导；微波发生装置设置为一个，波导馈入口朝向炉体内的保温盒体的中心布置；或者微波发生装置设置为多个，微波源与波导的接合方向在相邻的两个微波发生装置上相互垂直布置，并且与微波源相接合的波导的馈入方向偏离保温盒体的中心，馈入方向偏离保温盒体中心的偏离距离为微波波长的奇数倍。
[0006]进一步地，微波源的馈能天线置于透波耐压件中，馈能天线与透波耐压件共同接入到波导内，波导的内壁面围合形成微波谐振腔，以使微波源产生的微波透过透波耐压件进入波导内腔并在波导内腔形成谐振传输到炉体的内腔。
[0007]进一步地，透波耐压件为管口带环形凸缘的圆底试管体，透波耐压件的开口朝向微波源方向布置；透波耐压件通过压紧装置紧压在波导内，压紧装置紧压在环形凸缘上；压紧装置上开设有用于使透波耐压件的开口与微波源连通的通孔；通孔与透波耐压件的开口相匹配。
[0008]进一步地，压紧装置的上部沿通孔的外缘布设有用于插放微波源并防止微波泄漏的安装凸台。
[0009]进一步地，透波耐压件的内径沿轴向等径或者沿轴向渐变；透波耐压件的壁体为高纯石英壁、氧化铝壁、氮化硅壁、微晶玻璃壁、聚四氟乙烯壁、全氟烷氧基树脂壁、改性聚四氟乙烯壁、聚醚醚酮树脂壁中的至少一种。
[0010]进一步地，波导上装有用于隔离炉体内腔压力并向炉体内透入微波的叠合隔离层、用于向炉体内腔导入微波并防止微波外溢的金属接口管以及用于隔离热量的隔热层；叠合隔离层为依次叠合的塑料垫层、耐压玻璃层和塑料垫层，叠合隔离层外套设有中空的U形金属法兰a，塑料垫层、耐压玻璃层和塑料垫层依次叠合在U形金属法兰a的中空位置；叠合隔离层的第一面封堵在波导的微波馈入口上，叠合隔离层的第二面封堵在金属接口管第一端的开口上，金属接口管的第二端接通炉体内腔；隔热层置于金属接口管的内腔中。
[0011]进一步地，多个微波发生装置设置于炉体的一侧；或者多个微波发生装置沿炉体的中心线对称布置在炉体的两侧，微波源与波导的接合方向在相对的两个微波发生装置上相互垂直。
[0012]进一步地，炉体包括用于传递内腔压力的内胆层、套设于内胆层外用于承压和隔离微波的金属承压层以及套设于金属承压层外用于炉体冷却的冷却护套；冷却护套采用水冷或者气冷；金属承压层采用高强不锈钢层或者铸铁层；内胆层采用聚四氟乙烯层、全氟烷氧基树脂层、改性聚四氟乙烯层、聚醚醚酮树脂层中的至少一种。
[0013]进一步地，保温盒体外形为长方体、圆柱体或者圆锥体；和/或保温盒体的盒体中心位置设置用于物料烧结的烧结区；和/或保温盒体的壁体采用耐火度> 1700°C的陶瓷纤维壁体；和/或保温盒体的底部设置有用于从底部支撑保温盒体并带动保温盒体旋转的旋转支撑机构，旋转支撑机构包括贴合在保温盒体底部的底板、支撑在底板底部并延伸到炉体外的转杆以及设于炉体外并用于驱动转杆旋转的驱动电机，转杆与炉体之间采用磁流体密封。
[0014]进一步地，炉体的开口上封盖有炉门，炉门通过带有U形接合槽的U形法兰封装在炉体上，炉体与炉门之间还设有环形弹性垫片，环形弹性垫片设置在U形接合槽内。
[0015]进一步地，炉体上设有带电动阀门的进气管、带电动阀门的出气管、测压装置、测温装置和防爆装置；炉体外设有用以控制电动阀门开闭的控制器，控制器连接测温装置和测压装置。
[0016]本实用新型具有以下有益效果:
[0017]微波真空气压烧结炉，通过抽真空使炉体内腔变为负压环境，在微波加热低温段实现物料在真空环境下的排氧和排胶，在真空环境下完成物料的快速脱脂；通过加压装置与微波发生装置的相互配合，在高压环境下利用微波进行均匀加热，实现高压高温环境下对物料进行微波烧结，热效率高、烧结速度快、均匀度好、密实度高、物料处理后的品质高；通过将微波、真空、高压的结合，可以在微波加热低温段进行快速排氧、排胶，排氧、排胶完成后继续升温切换高气压烧结，实现物料连续快速的烧结，以消除烧结腔内氧气排除不充分导致的烧结件易氧化的问题以及烧结过程排胶速度慢容易在烧结件上留下空隙影响成品密度的问题。可实现结构复杂的高密度构件的均匀、快速烧结。单个微波发生装置的波导馈入口朝向保温盒体的中心布置，微波在炉体内腔中形成微波场，保温盒体的中心为微波场的中心，处于保温盒体内烧结区的物料的自由分子受微波场影响产生自由电荷运动损耗、束缚电荷转向极化损耗和不均匀界面损耗等介质损耗，从而达到从电能到热能的直接转化，进行物料的均匀烧结。当需要多个微波源提供大功率能源进行微波烧结时，采用微波源与波导的接合方向在相邻的两个微波发生装置上相互垂直布置的方式，同时微波的馈入方向偏离保温盒体中心的偏离距离为微波波长的奇数倍，以保证各馈入口的微波能形成有效震荡而不是相互抵消，从而提高微波源的使用效率，避免打弧等现象导致的微波源非寿命终结的失效问题。
[0018]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中:
[0020]图1是本实用新型优选实施例的微波真空气压烧结炉的结构示意图之一；
[0021]图2是本实用新型优选实施例的微波真空气压烧结炉的结构示意图之二 ；
[0022]图3是本实用新型优选实施例的微波发生装置的结构示意图；
[0023]图4是本实用新型优选实施例的U形法兰的结构示意图；
[0024]图5是本实用新型优选实施例的微波真空气压烧结炉的结构示意图之三；
[0025]图6是本实用新型优选实施例的波导上的的叠合隔离层的结构示意图。
[0026]图例说明:
[0027]1、炉体；2、保温盒体；3、微波发生装置；301、微波源；302、波导；4、透波耐压件；401、环形凸缘；402、圆底试管体；5、压紧装置；6、安装凸台；7、炉门；8、U形法兰；9、环形弹性垫片；10、U形接合槽；11、电动阀门；12、进气管；13、出气管；14、测压装置；15、测温装置；16、通孔；17、烧结区；18、抽真空装置；19、密封垫片；20、旋转支撑机构。
【具体实施方式】
[0028]以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由所限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0029]图1是本实用新型优选实施例的微波真空气压烧结炉的结构示意图之一；图2是本实用新型优选实施例的微波真空气压烧结炉的结构示意图之二 ；图3是本实用新型优选实施例的微波发生装置的结构示意图；图4是本实用新型优选实施例的U形法兰的结构示意图；图5是本实用新型优选实施例的微波真空气压烧结炉的结构示意图之三；图6是本实用新型优选实施例的波导上的的叠合隔离层的结构示意图。
[0030]如图1和图2所示，本实施例的微波真空气压烧结炉，包括炉体1，炉体I连有用于对炉体I的内腔抽真空的抽真空装置18用于向炉体I的内腔中加压的加压装置，炉体I内设置有用于物料烧结并减少热量流失的保温盒体2 ;炉体I设有用于向炉体I内腔馈入微波的微波发生装置3，微波发生装置3包括用于发出微波的微波源301以及用于将微波源301发出的微波向炉体I内馈入的波导302。微波发生装置3设置为一个，微波发生装置3的微波源301的波导302馈入口朝向炉体I内的保温盒体2的中心布置；或者微波发生装置3设置为多个，微波源301与波导302的接合方向在相邻的两个微波发生装置3上相互垂直布置，并且与微波源301相接合的波导302的馈入方向偏离保温盒体2的中心，馈入方向偏离保温盒体2中心的偏离距离为微波波长的奇数倍。偏离距离是指保温盒体2中心到波导302馈入炉体I的馈入方向的垂直距离，即波导302馈入炉体I而偏离保温盒体2中心的偏心距。保温盒体内烧结区的物料的自由分子受微波场影响，偶极子定向排列并随高频交变电磁场以每秒高达数亿次的速度摆动，分子随着不断变化的高频电磁场的变化方向重新进行有序排列，同时必须克服分子热运动和分子间相互作用的干扰，从而产生激烈的摩擦，在这一过程中，微波能转化为介质材料的热能，表现为物料温度的升高，从而形成物料的高温烧结。微波真空气压烧结炉，通过抽真空使炉体I内腔变为负压环境，在微波加热低温段实现物料在真空环境下的排氧和排胶，在真空环境下完成物料的快速脱脂；通过加压装置与微波发生装置3的相互配合，在高压环境下利用微波进行均匀加热，实现高压高温环境下对物料进行微波烧结，热效率高、烧结速度快、均匀度好、密实度高、物料处理后的品质高；通过将微波、真空、高压的结合，可以在微波加热低温段进行快速排氧、排胶，排氧、排胶完成后继续升温切换高气压烧结，实现物料连续快速的烧结，以消除烧结腔内氧气排除不充分导致的烧结件易氧化的问题以及烧结过程排胶速度慢容易在烧结件上留下空隙影响成品密度的问题。可实现结构复杂的高密度构件的均匀、快速烧结。单个微波发生装置3的波导302馈入口朝向保温盒体2的中心布置，微波在炉体I内腔中形成微波场，保温盒体2的中心为微波场的中心，处于保温盒体2内烧结区17的物料的自由分子受微波场影响产生自由电荷运动损耗、束缚电荷转向极化损耗和不均匀界面损耗等介质损耗，从而达到从电能到热能的直接转化，进行物料的均匀烧结。当需要多个微波源301提供大功率能源进行微波烧结时，采用微波源301与波导302的接合方向在相邻的两个微波发生装置3上相互垂直布置的方式，同时微波的馈入方向偏离保温盒体2中心的偏离距离为微波波长的奇数倍，以保证各馈入口的微波能形成有效震荡而不是相互抵消，从而提高微波源301的使用效率，避免打弧等现象导致的微波源301非寿命终结的失效问题。
[0031]本实施例中，波导302上装有用于隔离炉体I内腔压力并向炉体I内透入微波的叠合隔离层d、用于向炉体I内腔导入微波并防止微波外溢的金属接口管以及用于隔离热量的隔热层。叠合隔离层d为依次叠合的塑料垫层、耐压玻璃层和塑料垫层，叠合隔离层d外套设有中空的U形金属法兰a，塑料垫层、耐压玻璃层和塑料垫层依次叠合在U形金属法兰a的中空位置。叠合隔离层d的第一面封堵在波导302的微波馈入口上，叠合隔离层d的第二面封堵在金属接口管第一端的开口上，金属接口管的第二端接通炉体I内腔。隔热层置于金属接口管的内腔中。如图6所示，波导302上还装有用于将波导302馈入的微波向炉体I内腔透入并隔离炉体I内腔压力的叠合隔离层d。叠合隔离层d为依次叠合的塑料垫层、耐压玻璃层和塑料垫层。叠合隔离层d外套设有中空的U形金属法兰a。用于防止微波泄漏。如图6所示，塑料垫层、耐压玻璃层和塑料垫层依次叠合在U形金属法兰a的中空位置，U形金属法兰a两端分别贴合连接有法兰b。用于解决气压压力密封的问题，以保证炉体I中的物质或者气体压力不能进入微波源301，同时将压力密封在炉体I内防止微波源301受高压损坏。塑料垫片的耐热性较玻璃的耐热性差，一般耐热温度为300°C左右，但其耐压性能较好；而玻璃的耐热温度较高，如石英玻璃的最高耐热温度为1200°C，因此采用组合的方式进行，可以提高耐热温度，也可减少密封材料的总厚度，利于微波的穿透。优选地，可分别单独采用耐高压玻璃或塑料垫片进行密封。
[0032]如图1、图2和图3所示，本实施例中，微波源301的馈能天线置于透波耐压件4中，馈能天线与透波耐压件4共同接入到波导302内。波导302的内壁面围合形成微波谐振腔，以使微波源301产生的微波透过透波耐压件4进入波导302内腔并在波导302内腔形成谐振传输到炉体I的内腔。炉体I内腔的微波馈入口采用波导302进行微波馈入，利用微波从透波耐压件4壁体透入的方式将来自于微波源301所发出的微波馈入到波导302内腔中，利用波导302的壁体和透波耐压件4的壁体承受来自于炉体I内腔的气体压力，有效防止气体从炉体I内腔的微波馈入口溢出。通过透波耐压件4与波导302的组合结构进行微波传输位置的抗压，有效防止气流外泄的情况，从而保证炉体I内腔的气体压力和内部温度，同时能够有效阻挡气流通过波导302进入到微波源301中造成的微波源301功能失效。波导302的内壁面围合形成微波谐振腔，微波源301发出的微波透过透波耐压件4进入到波导302内腔，并在波导302的内壁面围合形成的微波谐振腔内形成谐振，从而将微波传递到目标腔体内，实现对炉体I内腔的微波馈能。优选地，波导302的壁体采用耐压壁体。
[0033]如图1、图2和图3所示，本实施例中，透波耐压件4为管口带环形凸缘401的圆底试管体402。圆底试管体402为结构外形像圆底试管的结构形体。环形凸缘401用于提供压紧装置5固定和紧压密封在透波耐压件4上的作用平面。透波耐压件4的开口朝向微波源301方向布置。透波耐压件4通过压紧装置5紧压在波导302内，压紧装置5紧压在环形凸缘401上。通过设置环形凸缘401以提高压紧过程中的接触面积，提高连接部位的气密性。透波耐压件4的圆底试管体402的开口朝向微波源301，而圆底朝向耐压波导302，在受到目标腔体传递过来的气体压力时，通过圆底结构抗压，圆底结构扩大了与气流的接触面积，并且通过逐步扩大的外径尺寸将受到的气流压力逐级分压，抗压能力更强。压紧装置5上开设有用于使透波耐压件4的开口与微波源301连通的通孔16。通孔16与透波耐压件4的开口相匹配。从而减小微波源301透过透波耐压件4向耐压波导302馈能的阻碍，提高微波馈入率。通孔16的孔径为20mm-30mm。优选地，通孔16的孔径为26mm。优选地，压紧装置5的底部贴合有密封垫片19，压紧装置5通过密封垫片19压紧在透波耐压件4的上。从而提高连接位置的气密性。优选地，透波耐压件4的内径沿轴向等径或者沿轴向渐变径。优选地，透波耐压件4采用渐变径结构。当采用渐变径的圆底试管体402时，管口内径与管尾内径相差3mm-5mm，从而提高透波耐压件4来自于目标腔体的气体压力，同时使得处于透波耐压件4内腔的微波源天线免受气压影响而正常工作。
[0034]如图1、图2和图3所示，本实施例中，压紧装置5的上部沿通孔16的外缘布设有用于插放微波源301并防止微波泄漏的安装凸台6。优选地，安装凸台6的凸台高度为1_，宽度为3mm。用于嵌入微波源301的底部，并与微波源301底部的铜垫压紧配合连接，有效防止微波泄漏。
[0035]如图1、图2和图3所示，本实施例中，透波耐压件4的内径沿轴向等径或者沿轴向渐变径。透波耐压件4的壁体为高纯石英壁、氧化铝壁、氮化硅壁、微晶玻璃壁、聚四氟乙烯壁、全氟烷氧基树脂壁、改性聚四氟乙烯壁、聚醚醚酮树脂壁中的至少一种。可以根据不同的装配需要，以及压力需要，选择不同的壁体结构以及壁厚，从而保证整体结构在使用过程中的气体压力以及腔体内的温度。透波耐压件4的壁体可以采用一种类型的壁体，或者采用多种类型的壁体进行相互叠合。
[0036]如图1和图2所示，本实施例中，多个微波发生装置3设置于炉体I的一侧；或者多个微波发生装置3沿炉体I的中心线对称布置在炉体I的两侧，微波源301与波导302的接合方向在相对的两个微波发生装置3上相互垂直。以保证各馈入口的微波能形成有效振荡而不是相互抵消，从而提高微波源301的使用效率，避免打弧等现象导致的微波源301非寿命终结的失效问题。
[0037]如图1和图2所示，本实施例中，炉体I包括用于传递内腔压力的内胆层、套设于内胆层外用于承压和隔离微波的金属承压层以及套设于金属承压层外用于炉体I冷却的冷却护套。冷却护套采用水冷或者气冷。金属承压层采用高强不锈钢层或者合金层。内胆层采用聚四氟乙烯层、全氟烷氧基树脂层、改性聚四氟乙烯层、聚醚醚酮树脂层中的至少一种。内胆层可以采用一种类型的结构层，或者采用多种类型的结构层进行相互叠合。上述结构层的材料均为现有的材料。
[0038]如图1所示，本实施例中，保温盒体2外形为长方体、圆柱体或者圆锥体。保温盒体2的盒体中心位置设置用于物料烧结的烧结区17。保温盒体2的壁体采用耐火度> 1700°C的陶瓷纤维壁体。保温盒体2是影响保温系统保温效果的关键因素，良好的保温机构，可将物料转化的热量尽可能地留在烧结区域以实现需要的烧结温度、提高微波能效率，同时尽可能减少热量的传递，以保证保温盒体2外壁温度在聚四氟乙烯内胆的正常使用温度内，从而可保证炉体I内胆的承压能力。上述壁体的材料均为现有的材料。
[0039]如图5所示，本实施例中，保温盒体2的底部设置有用于从底部支撑保温盒体2并带动保温盒体2旋转的旋转支撑机构20。旋转支撑机构20对保温盒体2起固定和支撑的作用；旋转支撑机构20带旋转功能，以利于保温盒体2内每个位置的物料均能均匀的受到微波辐射。旋转支撑机构20包括贴合在保温盒体2底部的底板、支撑在底板底部并延伸到炉体I外的转杆以及设于炉体I外并用于驱动转杆旋转的驱动电机。旋转支撑机构20对保温盒体2起固定和支撑的作用；旋转支撑机构20带旋转功能，利于保温盒体2内每个位置物料均能均匀的受到微波辐射。转杆与炉体I之间采用磁流体密封。其中磁流体密封具有以下优点:稳定性好、不凝聚、不沉淀、不分解；饱和磁化强度高。
[0040]本实施例中，保温盒体2的底部设置有用于从底部支撑保温盒体2的支撑机构。支撑机构对保温盒体2起固定和支撑的作用。支撑机构包括贴合在保温盒体2底部的底板以及支撑在底板底部并与炉体I内部固接的支撑件。
[0041 ] 如图2和图4所示，本实施例中，炉体I的开口上封盖有炉门7，炉门7通过带有U形接合槽10的U形法兰8封装在炉体I上，炉体I与炉门7之间还设有环形弹性垫片9，环形弹性垫片9设置在U形接合槽10内。连接部位的抗压性能好，密封性好，有效防止微波泄漏。
[0042]如图1和图2所示，本实施例中，炉体I上设有带电动阀门11的进气管12、带电动阀门11的出气管13、测压装置14、测温装置15和防爆装置。炉体I外设有用以控制电动阀门11开闭的控制器，控制器连接测温装置15和测压装置14。进气和出气采用电动控制阀门，可通过PLC实现自动恒压控制。
[0043]实施时，为了解决快速脱脂、加压烧结的问题，本实用新型提供的一种微波真空高气压烧结设备，包括进气装置、微波发生装置、保温盒体2、测压装置14、控制器、测温装置
15、排气装置、抽真空装置18。微波发生装置安装在耐高压炉体I上，进气装置、抽真空装置18均装有电动控制阀，方便气氛检测控制。2?10个微波发生装置3分布在高压炉体两侧。测温装置安装在高压炉管上，采用多点组合式、穿过保温系统检测烧结区域温度。测压装置安装有防爆阀门。保温盒体2置于耐高压炉体I内，烧结样品置于保温装置内的烧结区域进行烧结。微波发生装置采用矩形波导与炉体I连接，矩形波导与炉体I之间的密封采用耐高压玻璃层、塑料垫片以及高压玻璃层进行依次叠合密封，可承受50MPa以上的压力。
[0044]保温盒体2的壁体为耐高温的陶瓷纤维壁体。
[0045]微波真空高气压烧结设备，将烧结样品置于保温盒体2的烧结区域内，微波发生装置3馈入微波，物料吸收微波升温，开启真空系统，进行低温排胶。排胶完成后，切换抽真空装置18，进气系统电控控制阀，通入物料烧结所需压力，进行升温加压烧结，并可通过压力检测控制系统控制样品烧结所需的压力、并确保设备的运行安全。
[0046]通过微波的电磁场迫使物料中的极性分子的从无序进行有序排列，在电场高频转换过程中，极性分子快速转动，相互摩擦产生热量，物料从里而外一起加热。具有热效率高、烧结速率快、温度均匀、清洁卫生的特点。同时实现了真空、气压快捷切换，满足了样品烧结时快速排胶、加压致密在同一设备内完成的要求。
[0047]采用微波高气压烧结炉，克服了传统高气压烧结周期长、能耗高，烧结不均匀、产品一致性差的缺点。同时也克服了传统微波烧结炉无法加压烧结、样品致密度不高的缺点。同时实现了在微波场下，真空与高气压的快捷转换。进气装置、排气装置、抽真空装置18均安装在炉体I上，并采用电动控制阀相连。
[0048]如图1和2所示，微波发生装置3安装在炉体I上，通过矩形波导与炉体I连接，2?10个微波发生系统分布在炉体两侧，同侧微波源间隔20?50cm。矩形波导米用耐高压玻璃层、塑料垫片以及耐高压玻璃层依次叠合进行密封，将炉体I与微波发生装置3的气体隔绝，耐压玻璃承受气体压力。炉体I内设有保温盒体2，保温盒体2的壁体为耐火度超过1700°C的陶瓷纤维壁体。保温盒体2内设有烧结区17。测温装置15安装在炉体I上，采用多点组合式、穿过保温盒体2检测烧结区17的温度。进气管12、出气管13、抽真空装置18均安装在炉体I上，并采用电动控制阀相连。测压装置14、控制器安装在炉体I上，检测和控制烧结时的压力。进气管12、微波发生装置3、测压装置14、控制器、测温装置15、出气管13、抽真空装置18由控制器集中控制。
[0049]微波发生装置3安装的是大功率工业级磁控管。磁控管输出的微波通过矩形波导馈入到整个炉体I内。炉体I的炉壁采用专用高强度钢壁，保障炉体I有足够的强度和刚度。炉体I与炉门7之间采用U型法兰加弹性垫片密封，保障炉体的气密性与微波的泄漏在国家标准允许范围内。
[0050]烧结物料放入烧结区17内，吸收微波发生装置3馈入的微波，抽真空装置18开始工作，将物料的焦气、水汽、烟气快速排至炉体外。排胶完成后，控制器调整进气系统、真空系统、电动阀门，通入物料烧结所需气氛与压力。测压装置14将检测控制信号发至控制器，控制器通过调整出气管、进气管的电动阀门11，调整炉体I内的压力。测压装置14上的防爆装置限定炉体I所承受的压力上限。
[0051]通过测温装置15反馈信息至控制器，控制微波发生装置3各位置磁控管的馈入微波功率大小，实现烧结物料的工艺温度控制。
[0052]加热速率快、效率高、温差均匀、可实现微波场下的真空、高气压快捷切换，较现有烧结设备优势明显。
[0053]微波烧结是由炉体I上的微波发生装置、炉体I内的保温盒体2和从炉体I外插入保温盒体内的测温装置15实现。其中微波发生装置3产生并输送微波至炉体I内腔的炉膛内，微波与保温盒体2内的物料相互耦合后，将电能转变为热能；转变的热能被保温盒体2收集在内，从而实现升温烧结；而测温装置15是通过测量并反馈保温盒体2内的温度，通过控温系统调节微波发生装置3中的输入功率大小，来增加或减少电能转化成热能的大小，进而实现高温烧结。
[0054]另外，真空的实现是通过在炉体I上的进气系统(进气管12和电动阀门11)、出气系统(出气管13和电动阀门11)和抽真空装置18实现的。真空操作的步骤是，打开出气系统阀门，关闭进气系统阀门，开启真空泵进行抽真空处理。
[0055]高压的实现是由以下方式进行的:耐压炉体、进气系统(进气管12和电动阀门11)、出气系统(出气管13和电动阀门11)、测压装置14联合实现的。其中耐压炉体首先是指炉膛壁是由高强度钢焊接而成或是铸造而成；其次包括炉体I上的进气系统、出气系统、抽真空系统装置18、测温装置15、测压装置14和微波发生装置3与炉体I连接处的密封处理；再次还包括炉门7的密封处理。上述构成耐压炉体的必要因素中，除微波发生装置3的密封外，均已有成熟工艺可以实现。
[0056]微波、真空、高压结合:可以实现结构复杂的高密度构件的均匀、快速烧结。其中微波的作用是均匀加热，真空的作用是排氧和排胶，高压的作用是加压烧结。若单独使用真空-微波烧结炉进行烧结时，烧结产物的密度较低，达不到功能材料的力学性能要求。而单独采用微波-高压烧结，则烧结腔内的氧气排除不充分，烧结件易氧化；另外，烧结过程排胶速度较慢，容易在烧结件上留下空隙进而影响烧结密度。若单独进行真空排胶处理，则需进行升温排胶、降温转移，再升温加压烧结的操作，工艺较为繁琐，且存在热量的浪费。微波、真空、高压的结构，可以在微波加热低温段进行快速排胶，排胶完成后继续升温切换高气压烧结，即可实现连续快速烧结。与常规加热真-空高气压烧结相比，具有烧结速度快、整体均匀加热的特点，获得的产品弥散相细微，有助于提高力学性能。而与微波热压烧结(用液压通过模具加压同时进行烧结)相比，可以烧结结构复杂的胚件。这是因为微波热压烧结受模具的限制，只能烧结外形简单的胚件，再通过对烧成的胚件进行切、削、打磨等工艺进行加工才能获得结构复杂的结构件。
[0057]炉体I为圆柱形耐压炉体，炉体I上同时设置有微波发生装置3、测温装置15、保温盒体2、进气系统、出气系统、测压装置14、抽真空装置18和集成控制系统。各装置相互配合，便于实现微波、真空、高压的连续操作。
[0058]微波发生装置3:因物料吸波能力以及处理量而异，微波发生装置3可以单个或多个微波源组成。单个微波源时，微波馈入口设置在炉体侧面的中间位置；而当需要多个微波源提供大功率时，微波馈入口在炉体侧面按一定规律分布。其中相邻的两个微波馈入口的长边相互垂直，中心线偏移为波长的奇数倍。以保证各馈入口的微波能形成有效振荡而不是相互抵消，从而提高微波源的使用效率，避免打弧等现象导致的微波源非寿命终了的失效问题。
[0059]测温装置:可采用热电偶测温或红外测温。当采用热电偶测温时，需将热电偶从炉膛外插入保温系统中靠近烧结区域的位置，以保证准确测温。当采用红外测温时，需要在炉体上设置可高压密封的红外测温窗口(测温窗口采用耐压红外玻璃密封)，红外测温仪连接在热电偶测温座上。热电偶测温座也可以替换为红外测温座。上述两种测温方式均需要采用多点组合式测控温，以保证烧结区域温场的均匀性。
[0060]保温盒体2:保温盒体2置于炉体I内，壁体采用耐火度> 1700°C的陶瓷纤维壁体，为长方体或圆桶状。烧结区17在保温桶的中心位置。保温桶组合方式和陶瓷纤维壁体是影响保温系统保温效果的关键因素。良好的保温系统，可将物料转化的热量尽可能地留在烧结区域以实现需要的烧结温度、提高微波能效率，同时尽可能减少热量的传递，以避免温度过高造成的压力密封件漏压。
[0061]测压装置14:由于压力传感器会受微波干扰，因此在压力检测位置需要设置抑波装置，此抑波装置可以是单孔或密布圆形小孔的金属板，可确保压力检测的准确度。
[0062]微波发生系统的高气压密封是微波气压设备的瓶颈所在。这是因为目前应用最成熟的微波馈入结构并不能承受0.3MPa以上的压力，且目前的馈入结构中，盲板的作用是低压密封以及防止灰尘、挥发物、水汽等进入微波发生系统从而保证微波发生器的正常工作，而并不能耐受高压。因此，本专利中以增加盲板尺寸的方式来提高其耐压能力，即可实现高气压，又是保留目前成熟的微波馈入方式所带来的微波场均匀、温度场均匀的最佳办法。
[0063]波导302与炉体I连接部位的密封:传统结构密封圈为弹性物质，具有很好的密封性；而玻璃的刚性物质，无法与炉体的刚性结构密封，需采用塑料垫片密封。本实用新型实施波导302与炉体I连接部位的密封的结构为垫片层、玻璃层、垫片层依次叠合而成(垫片+玻璃+垫片的三明治结构)，采用组合的方式进行，可以提高设备的密封性，利于微波的穿透，同时避免了玻璃受力不均，易压损的问题。耐压玻璃承受气体压力用于实现高气压，结合真空和微波烧结，可实现形状复杂构件的加压、快速烧结。炉体、炉壁采用专用高强度钢板目的是保证炉体的耐压能力，结合真空和微波烧结，可实现形状复杂构件的加压、快速烧结。
[0064]U型结构高度错位，折角防微波泄漏。实现如图4所示，上法兰有一 U型凸起，下法兰有一 U凹槽，凹槽内放置弹性垫片，工作时，上法兰U型凸起压入U凹槽，压紧弹性垫片，密封其他。同时，两个法兰贴合面与U型凸起与U凹槽形成的折角，有效的防止微波泄漏。
[0065]物料的焦气、水汽、烟气快速排至炉体外是通过抽真空的方式实现的，抽真空过程使炉体内形成负压，从而利于焦气、水汽和烟气的快速排出。
[0066]实现微波场下的真空、高气压快捷切换:首先，快捷切换是相对常规工艺而言的，常规工艺先升温进行真空排胶操作，随后冷却至室温后再转移进行高气压烧结。在本专利中，真空系统、进气系统和压力检测系统设置于炉体上，通过集成控制系统可对检测到的压力进行阀门控制，抽真空操作、送气、排气和加压操作。真空和压力切换仅需数分钟完成。
[0067]以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种微波真空气压烧结炉，包括炉体(1)， 其特征在于， 所述炉体(I)连有用于对所述炉体(I)的内腔抽真空的抽真空装置(18)以及用于向所述炉体(I)的内腔中加压的加压装置， 所述炉体(I)内设置有用于物料烧结并减少热量流失的保温盒体(2); 所述炉体(I)设有用于向所述炉体(I)内腔馈入微波的微波发生装置(3)， 所述微波发生装置(3)包括用于发出微波的微波源(301)以及用于将所述微波源(301)发出的微波向所述炉体⑴内馈入的波导(302)； 所述微波发生装置(3)设置为一个，所述波导(302)馈入口朝向所述炉体(I)内的所述保温盒体(2)的中心布置；或者 所述微波发生装置(3)设置为多个，所述微波源(301)与所述波导(302)的接合方向在相邻的两个所述微波发生装置(3)上相互垂直布置，并且与所述微波源(301)相接合的所述波导(302)的馈入方向偏离所述保温盒体(2)的中心，偏离距离为微波波长的奇数倍。
2.根据权利要求1所述的微波真空气压烧结炉，其特征在于， 所述微波源(301)的馈能天线置于透波耐压件(4)中，所述馈能天线与所述透波耐压件(4)共同接入到所述波导(302)内， 所述波导(302)的内壁面围合形成微波谐振腔，以使所述微波源(301)产生的微波透过所述透波耐压件(4)进入所述波导(302)内腔并在所述波导(302)内腔形成谐振传输到所述炉体(I)的内腔。
3.根据权利要求2所述的微波真空气压烧结炉，其特征在于， 所述透波耐压件(4)为管口带环形凸缘(401)的圆底试管体(402)， 所述透波耐压件(4)的开口朝向所述微波源(301)方向布置； 所述透波耐压件(4)通过压紧装置(5)紧压在所述波导(302)内， 所述压紧装置(5)紧压在所述环形凸缘(401)上； 所述压紧装置(5)上开设有用于使所述透波耐压件(4)的开口与所述微波源(301)连通的通孔(16)； 所述通孔(16)与所述透波耐压件(4)的开口相匹配； 所述通孔(16)的外缘布设有用于插放所述微波源(301)并防止微波泄漏的安装凸台(6)。
4.根据权利要求3所述的微波真空气压烧结炉，其特征在于， 所述透波耐压件(4)的内径沿轴向等径或者沿轴向渐变； 所述透波耐压件(4)的壁体为高纯石英壁、氧化铝壁、氮化硅壁、微晶玻璃壁、聚四氟乙烯壁、全氟烷氧基树脂壁、改性聚四氟乙烯壁、聚醚醚酮树脂壁中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的微波真空气压烧结炉，其特征在于， 所述波导(302)上装有用于隔离所述炉体(I)内腔压力并向所述炉体(I)内透入微波的叠合隔离层(d)、用于向所述炉体(I)内腔导入微波并防止微波外溢的金属接口管以及用于隔离热量的隔热层； 所述叠合隔离层(d)为依次叠合的塑料垫层、耐压玻璃层和塑料垫层， 所述叠合隔离层(d)外套设有中空的U形金属法兰a，塑料垫层、耐压玻璃层和塑料垫层依次叠合在所述U形金属法兰a的中空位置； 所述叠合隔离层(d)的第一面封堵在所述波导(302)的微波馈入口上， 所述叠合隔离层(d)的第二面封堵在所述金属接口管第一端的开口上， 所述金属接口管的第二端接通所述炉体(I)内腔； 所述隔热层置于所述金属接口管的内腔中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的微波真空气压烧结炉，其特征在于， 多个所述微波发生装置(3)设置于所述炉体(I)的一侧；或者 多个所述微波发生装置(3)沿炉体(I)的中心线对称布置在所述炉体(I)的两侧，所述微波源(301)与所述波导(302)的接合方向在相对的两个所述微波发生装置(3)上相互垂直布置。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的微波真空气压烧结炉，其特征在于， 所述炉体(I)包括用于传递内腔压力的内胆层、套设于所述内胆层外用于承压和隔离微波的金属承压层以及套设于所述金属承压层外用于所述炉体(I)冷却的冷却护套； 所述冷却护套采用水冷或者气冷； 所述金属承压层采用高强不锈钢层或者合金层； 所述内胆层采用聚四氟乙烯层、全氟烷氧基树脂层、改性聚四氟乙烯层、聚醚醚酮树脂层中的至少一种。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的微波真空气压烧结炉，其特征在于， 所述保温盒体(2)外形为长方体、圆柱体或者圆锥体；和/或 所述保温盒体(2)的盒体中心位置设置用于物料烧结的烧结区(17);和/或所述保温盒体(2)的壁体采用耐火度> 1700°C的陶瓷纤维壁体；和/或所述保温盒体(2)的底部设置有用于从底部支撑所述保温盒体(2)并带动所述保温盒体(2)旋转的旋转支撑机构(20)， 所述旋转支撑机构(20)包括贴合在所述保温盒体(2)底部的底板、支撑在底板底部并延伸到所述炉体(I)外的转杆以及设于所述炉体(I)外并用于驱动转杆旋转的驱动电机，所述转杆与所述炉体(I)之间采用磁流体密封。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的微波真空气压烧结炉，其特征在于， 所述炉体(I)的开口上封盖有炉门(7)， 所述炉门(7)通过带有U形接合槽(10)的U形法兰(8)封装在所述炉体(I)上， 所述炉体(I)与所述炉门(7)之间还设有环形弹性垫片(9)， 所述环形弹性垫片(9)设置在所述U形接合槽(10)内。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的微波真空气压烧结炉，其特征在于， 所述炉体(I)上设有带电动阀门(11)的进气管(12)、带电动阀门(11)的出气管(13)、测压装置(14)、测温装置(15)和防爆装置； 所述炉体(I)外设有用以控制所述电动阀门(11)开闭的控制器， 所述控制器连接所述测温装置(15)和所述测压装置(14)。
【文档编号】F27B5/06GK204063897SQ201420531167
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】李德华, 潘慧娟, 向伯荣, 李斌 申请人:湖南华冶微波科技有限公司