1. 引言
微波谐振器(谐振管或谐振杆)及腔体滤波器是通讯基站的关键器件之一。因瓦合金(俗称殷钢)属于低膨胀铁镍(Fe-Ni)合金，主要有4J32、4J36和4J42三种牌号，已经广泛应用于家用电器、办公机器、计算机、电信设备、航空航天等领域的精密元器件，例如钟表的摆杆及摆轮、谐振腔零件、微波通讯的波导管、无线电频率元件以及标准频率发生器等。其中，4J36即Fe-36Ni合金具有极低的热膨胀系数(~1.0 × 10−6/K)，但强度和硬度不高 [1] [2] ，因此既具有低膨胀系数又具备高强度的高性能Fe-36Ni基合金成为当前的研究热点 [3] - [10] 。Fe-36Ni合金通常采用熔铸法制造 [6] [7] [8] [9] [10] ，但存在着合金成分偏聚，铸造组织粗大和不均匀的问题。粉末冶金技术既可最大限度地减少合金成分偏聚并可消除粗大、不均匀的显微组织 [11] [12] [13] [14] 。但是，因瓦合金为高镍含量合金、属于“难加工材料”，传统的机械加工方法不仅材料利用率低、成本高，并且工艺复杂、材料性能呈各向异性，从而影响精密元器件的工作稳定性及精确性，因而迫切需要发展因瓦合金及其微波器件的低成本、高效率制备技术。目前，金属冷加工工艺，如拉拔、冷镦成型具有生产效率高、无需加热，并且生产成本低等优势 [15] [16] [17] [18] 。因此，本文采用预合金化粉体压制成型后烧结–退火制得Fe-36Ni合金，再经冷镦加工处理制得低膨胀合金微波器件，并分析了Fe-36Ni合金粉体形貌与成分、Fe-36Ni合金物相与微观结构和合金热力学性能及其微波器件的通带频率稳定性。
2. 实验
2.1. 制备方法
本文采用预合金化粉体压制成型后烧结–退火制得Fe-36Ni合金棒材，再经冷镦加工处理制得低膨胀合金微波谐振器及其组装的腔体滤波器，其具体的制备工艺路线如图1所示。其中，预合金化Fe-36Ni合金粉体及其成型、烧结、退火的具体制备工艺参数为：将按36%Ni-64%Fe配比的原料在中频感应熔炼炉中熔化与雾化。雾化开始前，雾化室先抽真空，当真空炉内背底气压达到10−1 Pa时，预热炉料，然后再次抽真空到10−2 Pa以上后，开始熔化36%Ni-64%Fe合金；充入105 Pa高纯氩气到炉内作为保护气，大功率送电使炉料完全熔化并保温5分钟，熔炼2次以保证铸锭成分的均匀；用于制备雾化粉的锭料必须去除铸锭表面氧化层后才可使用；待原料充分熔化并达到约1650℃时(熔体温度用钨–铼热电偶进行测量)，将得到的合金液浇入中间包开始水雾化。其中，预合金化Fe-36Ni粉末水雾化的水压力为25 MPa；熔融的36%Ni-64%Fe合金液在雾化器内经历切断、分散、裂化而成为微小液滴，再经脱水、烘干、筛分、生粉高温还原、粉饼破碎、筛分、合批等工序获得36%Ni-64%Fe的殷钢合金粉。此外，水雾化制备合金粉末完成后的其它工艺参数包括：1) 烘干过程在普通的干燥箱中完成，温度为在60℃下保温6小时。2)精细筛分粉料的具体指标为：颗粒尺寸在100~300目之间。3) 在普通管式炉中于氢气气氛保护下，1000℃~1100℃下保温2小时以充分还原水雾化制备的Fe-Ni合金粉，并充分去除C、O等严重影响Fe-Ni合金热膨胀系数的杂质元素。4) 粉饼破碎在普通的滚筒式球磨机中进行，直径5毫米不锈钢为磨球，与1~2 wt%的硬脂酸混合8小时，球料比为10:1。5) 过筛水雾化粉末，获得粒径为100~300目左右的粉体，加入2 wt%的硬脂酸，球磨8小时以获得颗粒大小均匀的粉末。6) 球磨后的粉末装入模具中，在1000 MPa压力保压30秒下，压制成型，压制机的吨位为100吨；压制后的坯体密度在92%~93%之间。7)合金棒材烧结与退火的工艺参数为：烧结温度为1400℃，升温速率为5℃/分钟，烧结时间为2小时；采用氢气为还原气氛，退火温度范围为1050℃~1250℃，退火时间为5小时。8) 根据谐振器(谐振管/谐振杆)最终产品的尺寸和规格制定配套冷镦冲模模具，并结合产品的模具设定冷镦机的设备参数，然后投入上述合金棒材，按照谐振管/谐振杆的规格对所述合金棒材进行切料、镦头、聚积、成形、倒角、搓丝、缩径、切边，然后冷镦(图1所示)，实现无切削或少切削的精加工，即可实现“近净成型”制造微波谐振器，再根据结构设计方案组装成相应的腔体滤波器。
2.2. 表征方法
采用ULTRA 55型热场发射扫描电镜(SEM，德国Zeiss)分析样品的微观形貌(合金粉体和烧结及冷加工合金微观结构)和EDS成分。采用D/Max-2500PC型X射线衍射分析仪表征合金试样的物相和晶体结构。采用HXD-1000TM/LCD型数字式显微硬度计测试样品的表面硬度，并在测量时选取的载荷为1.96 N，载荷保持时间为15 s，测算HV0.2显微硬度值(选取6个测点再计算其平均值)。采用Leica-J11型万能膨胀仪测定合金试样的热膨胀性能。腔体滤波器的“温漂”指标采用安捷伦网络分析仪进行测量。
3. 结果与讨论
3.1. 合金组成及其微观结构
图2为Fe-36Ni合金粉体的微观形貌SEM照片和EDS成分分析。从图2(a)可见，Fe-36Ni合金粉体的形状为近球形，但出现了较为明显的联体颗粒，其粉体粒径最大可达5.0 μm。从图2(b)可知合金粉体中Fe和Ni的含量分别为64.29 wt%和35.71 wt%，且合金中不含C、S和O等杂质成分，说明预合金化Fe-36Ni合金粉体的成分均匀。
图3给出了粉体压制成型后烧结–退火制得Fe-36Ni合金棒材及其冷镦加工后样品的XRD图谱。由图3可见，Fe-36Ni合金试样的XRD衍射图谱中主要有五个衍射峰，这五个衍射峰和XRD标准PDF卡片No.47-1405中的三个衍射峰完全吻合，说明粉体压制成型后烧结–退火Fe-36Ni合金棒材及其冷镦加工后样品均为单一的奥氏体相 [7] [8] [9] 。
Figure 1. Schematics of microwave devices obtained from Fe-36Ni alloy bars by sintering, annealing and cold heading
图1. 烧结–退火Fe-36Ni合金棒材冷镦加工制备微波器件的示意图
Figure 2. The micromorphology and EDS component analysis of Fe-36Ni alloy powders. (a) SEM picture; (b) EDS results
图2. Fe-36Ni合金粉体微观形貌和EDS成分分析。(a) SEM照片；(b) EDS结果
Figure 3. The XRD spectrum of Fe-36Ni alloys. (a) Alloy bars by sintering and annealing after powder pressing molding; (b) The samples from above alloy bars after cold heading
图3. Fe-36Ni合金的XRD图谱。(a) 粉体压制成型后烧结–退火制得合金棒材；(b) 合金棒材冷镦加工后的样品
图4给出了粉体压制成型后烧结–退火制得Fe-36Ni合金棒材及其经冷镦加工后样品的金相组织照片。从图4(a)可知，粉体压制成型后烧结–退火制得Fe-36Ni合金的组织基本为大小不均匀、形状也不规则且较为粗大的等轴晶，并伴有少量的退火孪晶。上述退火孪晶的出现是因为奥氏体相的层错能较低，并且烧结过程中由于热应力等原因导致新晶粒界面出现堆垛层错所造成的，即在一个晶粒内形成横跨晶粒的许多带 [19] [20] 。如图4(b)所示，经过冷镦加工处理后，Fe-36Ni合金的奥氏体晶粒尺寸显著减小，并且伴有大量的条状孪晶。Fe-Ni二元合金发生冷变形后容易诱发奥氏体↔马氏体相变 [21] [22] [23] [24] 。然而，如图3(b)所示，冷镦加工后样品的金相仍为单相奥氏体组织。因此，尽管冷镦加工使烧结–退火Fe-36Ni合金中出现大量孪晶，但并没有发生奥氏体→马氏体相变。
图5给出了粉体压制成型后烧结–退火制得Fe-36Ni合金棒材及其经冷镦加工后样品的局部显微结构SEM照片。从图5(a)可见，粉体压制成型后烧结–退火得到的Fe-36Ni合金组织基本为奥氏体等轴晶以及微量退火孪晶。如图5(b)所示，冷镦加工处理的Fe-36Ni合金的奥氏体晶粒出现了明显的细化现象，并伴随着条状孪晶颗粒显著增多且密集排列。同时，分别测得Fe-36Ni合金的显微硬度值为128HV0.2和151HV0.2，这说明冷镦加工后Fe-36Ni合金表现为加工强化。这是因为冷镦加工产生的孪晶使晶界数量增加、细化晶粒，从而阻碍了位错运动、提高了合金的整体强度。
3.2. 合金及其微波器件性能
图6给出了粉体压制成型后烧结–退火制得Fe-36Ni合金经冷镦加工后样品的热膨胀曲线及其热膨胀系数变化情况。从图6可见，在50℃~150℃温度区间，粉体冶金法制备的因瓦合金样品已达到射频器件中微波谐振器(谐振管)用因瓦合金的样品性能要求(线膨胀系数小于3 × 10−6/K)。此外，在图6中40℃~50℃区间出现了热膨胀系数的突变(对应图中的陡峭蓝色曲线)，这是由于起始测量阶段的加热炉温度波动引起。同时，对采用冷镦加工Fe-36Ni合金制备的微波谐振器进行单腔滤波器“温漂”测试，结果发现其相对中心频率的“温漂”指标为0.22~0.28 MHz，基本满足设计微波谐振器件的技术要求(中心频率为2800~3500 MHz，“温漂”指标为0.20~0.30 MHz)。
图7给出了常用Fe基合金微波谐振器及滤波器和粉体压制成型后烧结–退火制得Fe-36Ni合金经冷镦加工的微波谐振器及其组装的滤波器的实物照片(其中的金属微波谐振器表面都经过镀银处理)。从图6可见，由于Fe-36Ni合金微波谐振器尺寸远小于常用Fe基合金微波谐振器，因此相对于常用Fe基合金
Figure 4. The metallographic structure of Fe-36Ni alloys. (a) Alloy bars by sintering and annealing after powder pressing molding; (b) The samples from above alloy bar after cold heading
图4. Fe-36Ni合金的金相组织。(a) 粉体压制成型后烧结–退火制得合金棒材；(b) 合金棒材冷镦加工后的样品
Figure 5. The SEM microstructure of Fe-36Ni alloys. (a) Alloy bars by sintering and annealing after powder pressing molding; (b) The samples from above alloy bar after cold heading
图5. Fe-36Ni合金的SEM显微结构。(a) 粉体压制成型后烧结–退火制得合金棒材；(b) 合金棒材冷镦加工后样品
Figure 6. Thermal expansion cures and the change of thermal expansion coefficients for the cold heading samples of Fe-36Ni alloys by sintering and annealing after powder pressing molding
图6. 粉体压制成型后烧结–退火制得Fe-36Ni合金经冷镦加工后样品的热膨胀曲线及热膨胀系数变化情况
Figure 7. The pictures of microwave resonators and filters used in (a) common Fe based alloys, (b) and (c) cold heading of Fe-36Ni alloys by sintering and annealing after powder pressing molding
图7. 常用Fe基合金微波谐振器及滤波器(a)和冷镦加工的Fe-36Ni合金微波谐振器及其组装的滤波器(b)、(c)照片
Figure 8. “Temperature drift” test curves of the cavity filter as shown in Figure 6(c) assembled by Fe-36Ni alloy microwave resonators in cold heading process
图8. 冷镦加工Fe-36Ni合金微波谐振器组装腔体滤波器(图6(c)所示)的“温漂”测试曲线
微波谐振器集成的WiMAX2.6GHz腔体滤波器(图7(a)所示)，由冷镦加工Fe-36Ni合金微波谐振器所组装的WiMAX2.6GHz腔体滤波器(图7(b)和图7(c)所示)其整体结构更为紧凑，满足微波器件小型化的设计要求。
图8为粉体压制成型后烧结–退火制得Fe-36Ni合金经冷镦加工微波谐振器组装滤波器(图6(c)所示)的温漂测试曲线(对应WiMAX2.6GHz腔体滤波器在25℃~85℃的S参数曲线)。从图8可知，测试前后的两条曲线基本重合，并且该腔体滤波器的通带频率在不同的温度下相对中心频率的漂移量仅为0.27~0.35 MHz，完全满足通讯基站用腔体滤波器的技术指标(中心频率为2800~3500 MHz，“温漂”指标为0.20~0.40 MHz)。
4. 结论
采用预合金化粉体压制成型后烧结–退火的Fe-36Ni合金棒材再经冷镦加工处理制得低膨胀铁镍合金及其微波器件，并分析了粉体形貌与成分、合金物相与微观结构和合金热力学性能及其微波器件的温漂指标，得出如下结论：
1) 预合金化工艺制得Fe-36Ni合金粉体的成分偏差很小，有利于粉体成分的均匀化。
2) 冷镦处理使烧结–退火Fe-36Ni合金晶粒细化，并且出现大量密集排列的条状孪晶颗粒，提高了合金的整体强度，但并没有引起奥氏体→马氏体相变。粉体压制成型后烧结–退火的Fe-36Ni合金棒材及其冷镦加工后的样品均为单一奥氏体相。
3) 冷镦加工处理的粉体压制成型后烧结–退火Fe-36Ni合金棒材在50℃~150℃温度区间的热膨胀系数小于3.0 × 10−6/K。
4) Fe-36Ni合金棒材经冷镦加工处理制得微波谐振器及其组装的腔体滤波器的“温漂”指标均满足通讯基站用微波谐振元件和腔体滤波器的技术要求。
基金项目
本研究工作获得深圳市新材料发展专项第一批扶持计划项目资助：3G天线所用介质材料的研发及产业化(No.s2012006630002)。