粉末冶金--李卫敏

粉末冶金,概述粉末性能粉末冶金材料及应用粉末冶金研究先进设备-放电等离子烧结系统（SPS）,概述,一、什么是粉末冶金粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。二、粉末冶金的特点粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性能，而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等，是一种少或无切削工艺。粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料（如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）具有重要的作用。,可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。可以实现近净形成形和自动化批量生产，从而，可以有效地降低生产的资源和能源消耗。可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。,三、生产过程（1）生产粉末。粉末的生产过程包括粉末的制取、粉料的混合等步骤。为改善粉末的成型性和可塑性通常加入汽油、橡胶或石蜡等增塑剂。（2）压制成型。粉末在500600MPa压力下，压成所需形状。（3）烧结。在保护气氛的高温炉或真空炉中进行。烧结不同于金属熔化，烧结时至少有一种元素仍处于固态。烧结过程中粉末颗粒间通过扩散、再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程，成为具有一定孔隙度的冶金产品。（4）后处理。一般情况下，烧结好的制件可直接使用。但对于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件还要进行烧结后处理。后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油、及熔渗等。,粉末性能(propertyofpowder),粉末的性能是指粉末所有性能的总称。它包括：粉末的几何性能(粒度、比表面、孔径和形状等)；粉末的化学性能(化学成分、纯度、氧含量和酸不溶物等)；粉体的力学特性(松装密度、流动性、成形性、压缩性、堆积角和剪切角等)；粉末的物理性能和表面特性(真密度、光泽、吸波性、表面活性、ze%26mdash;ta(%26ccedil;)电位和磁性等)。粉末性能往往在很大程度上决定了粉末冶金产品的性能。几何性能最基本的是粉末的粒度和形状。(1)粒度。它影响粉末的加工成形、烧结时收缩和产品的最终性能。某些粉末冶金制品的性能几乎和粒度直接相关，例如，过滤材料的过滤精度在经验上可由原始粉末颗粒的平均粒度除以10求得；硬质合金产品的性能与wc相的晶粒有很大关系，要得到较细晶粒度的硬质合金，惟有采用较细粒度的wc原料才有可能。生产实践中使用的粉末，其粒度范围从几百个纳米到几百个微米。粒度越小，活性越大，表面就越容易氧化和吸水。当小到几百个纳米时，粉末的储存和输运很不容易，而且当小到一定程度时量子效应开始起作用，其物理性能会发生巨大变化，如铁磁性粉会变成超顺磁性粉，熔点也随着粒度减小而降低。,(2)粉末的颗粒形状。它取决于制粉方法，如电解法制得的粉末，颗粒呈树枝状；还原法制得的铁粉颗粒呈海绵片状；气体雾化法制得的基本上是球状粉。此外，有些粉末呈卵状、盘状、针状、洋葱头状等。粉末颗粒的形状会影响到粉末的流动性和松装密度，由于颗粒间机械啮合，不规则粉的压坯强度也大，特别是树枝状粉其压制坯强度最大。但对于多孔材料，采用球状粉最好。力学特性粉末的力学性能即粉末的工艺性能，它是粉末冶金成形工艺中的重要工艺参数。粉末的松装密度是压制时用容积法称量的依据；粉末的流动性决定着粉末对压模的充填速度和压机的生产能力；粉末的压缩性决定压制过程的难易和施加压力的高低；而粉末的成形性则决定坯的强度。化学性能主要取决于原材料的化学纯度及制粉方法。较高的氧含量会降低压制性能、压坯强度和烧结制品的力学性能，因此粉末冶金大部分技术条件中对此都有一定规定。例如，粉末的允许氧含量为0.2%1.5%，这相当于氧化物含量为1%10%。,粉末冶金材料及应用,一、粉末冶金材料powdermetallurgymaterial粉末冶金材料是指用粉末冶金工艺制得的多孔、半致密或全致密材料（包括制品）。粉末冶金材料具有传统熔铸工艺所无法获得的独特的化学组成和物理、力学性能，如材料的孔隙度可控，材料组织均匀、无宏观偏析（合金凝固后其截面上不同部位没有因液态合金宏观流动而造成的化学成分不均匀现象），可一次成型等。用粉末冶金工艺制得的多孔、半致密或全致密材料（包括制品）。粉末冶金材料具有传统熔铸工艺所无法获得的独特的化学组成和物理、力学性能，如材料的孔隙度可控，材料组织均匀、无宏观偏析（合金凝固后其截面上不同部位没有因液态合金宏观流动而造成的化学成分不均匀现象），可一次成型等。通常按用途分为7类。粉末冶金减摩材料。又称烧结减摩材料。通过在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。材料表面间的摩擦系数小，在有限润滑油条件下，使用寿命长、可,靠性高；在干摩擦条件下，依靠自身或表层含有的润滑剂，即具有自润滑效果。广泛用于制造轴承、支承衬套或作端面密封等。粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。由球状或不规则形状的金属或合金粉末经成型、烧结制成。材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有3060的体积孔隙度，孔径1100微米。透过性能和导热、导电性能好，耐高温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。粉末冶金结构材料。又称烧结结构材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。由于材料内部有残余孔隙存在，其延展性和冲击值比化学成分相同的铸锻件低，从而使其应用范围受限。粉末冶金摩擦材料。又称烧结摩擦材料。由基体金属（铜、铁或其他合金）、润滑组元（铅、石墨、二硫化钼等）、摩擦组元（二氧化硅、石棉等）3部分组成。其摩擦系数高，能很快吸收动能，制动、传动速度快、磨损小；强度高，耐高温，导热性好；抗咬合性好，耐腐蚀，受油脂、潮湿影响小。主要用于制造离合器和制动器。,粉末冶金工模具材料。包括硬质合金、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，没有偏析，比熔铸高速钢韧性和耐磨性好，热处理变形小，使用寿命长。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯件。粉末冶金电磁材料。包括电工材料和磁性材料。电工材料中，用作电能头材料的有金、银、铂等贵金属的粉末冶金材料和以银、铜为基体添加钨、镍、铁、碳化钨、石墨等制成的粉末冶金材料；用作电极的有钨铜、钨镍铜等粉末冶金材料；用作电刷的有金属-石墨粉末冶金材料；用作电热合金和热电偶的有钼、钽、钨等粉末冶金材料。磁性材料分为软磁材料和硬磁材料。软磁材料有磁性粉末、磁粉芯、软磁铁氧体、矩磁铁氧体、压磁铁氧体、微波铁氧体、正铁氧体和粉末硅钢等；硬磁材料有硬磁铁氧体、稀土钴硬磁、磁记录材料、微粉硬磁、磁性塑料等。用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、金属陶瓷、弥散强化和纤维强化材料等。用于制造高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零部件。,二、粉末冶金弥散强化材料金属或合金基体相与高度弥散的、基本上不溶于基体的金属或非金属相所组成的粉末冶金材料。其主要特征是高温强度高和抗蠕变性能好。强化机理与沉淀强化类似。但沉淀强化合金在高于沉淀相生成温度加热时，沉淀相会发生粗化和重溶，因此使用温度受到限制。而弥散强化合金，弥散相可以稳定到基体固相线温度。弥散质点的存在改变了合金的屈服强度、加工硬化、蠕变和断裂行为。高温强度，特别是蠕变速率受弥散相几何参数(即基体中质点间的间距、质点的直径、形状(长宽比)的影响。其机制既受位错绕过第二相的影响，也受晶界滑移的影响，还没有一个被普遍接受的蠕变模型。弥散相选择的一般原则是：生成自由能高，熔点高，与基体不互溶，相界能低(即界面结合良好)等。弥散相通常是氧化物，也可以是稳定的金属间化合物，甚至是纯金属。,三、典型的弥散强化材料(1)烧结铝粉(SAP)用表面氧化法制造。SAP有很高的高温强度和抗蠕变性能，使用温度达500，远优于一般铝合金。它主要用于：反应堆中的核燃料包套，飞机机翼和机身，压气机叶轮，高温活塞等。(2)弥散强化铜弥散质点一般为Al2O3，常用内氧化法制造。经弥散强化后，铜的强度、硬度得到很大的提高，导电性降低不多。它常用作电阻焊的电极，白炽灯灯丝引线，电子管零件和电子工业中的其他材料。弥散强化材料的主要制造方法是粉末冶金法，其代表性方法分类如图。(3)弥散强化高温合金最早的弥散强化镍基合金是ThO2(2)强化镍(TD-Ni)。一般用共沉淀法制得。用湿法制得的还有用Th02强化的Ni-Mo、Ni-Co、Ni-Cr-Al等合金。机械合金化法出现之后，又发展了一系列镍基、,铁基和钴基合金。已经使用的有10多种。弥散相一般为ThO2和Y203。表中列出了几个典型的合金。MA754的性质优于ThO2-Ni-Cr，已成功地用作喷气发动机叶片。MA956E是以Fe-Cr-Al为基的材料，有优越的抗氧化性和抗腐蚀性。MA6000E合金，1000h的断裂应力在800OC以上远优于TD-Ni和IN792。1100时，TD-Ni和IN792的1000h断裂应力只有2030MPa，而MA6000E还有160MPa。因此MA6000E是一种好的叶片材料。(4)其他例如：弥散强化铅(DS-Pb)，是惟一类似于SAP的例子，弥散相为PbO，主要用于声音衰减、化工器具、放射屏蔽和电池；含铝、锆的镁合金(铝和锆均溶于镁，但溶解后析出A1Zr4弥散相)；金属间化合物FeAl3、FeNiAl9强化的Al-Fe合金等。,四、粉末冶金材料的应用飞机和发动机上的刹车片、离合器摩擦片、松孔过滤器、多孔发汗材料、含油轴承、磁铁芯、电触点、高比重合金、硬质合金和超硬耐磨零件等因含有大量非金属成分或含有连通孔隙，都不能用普通铸、锻工艺制造，只能以粉末为原料经冷压、烧结等粉末冶金工艺来制造。航空航天工业中使用的粉末冶金材料比较重要的有刹车片材料、松孔材料和高强度粉末合金三类。刹车片材料刹车片是飞机机轮刹车装置的核心。现代飞机着陆速度达200公里/时以上,刹车载荷很大，刹车片表面瞬时温度可达8001000C,而且不允许发生粘结，以免刹车失效引起轮胎爆裂。以铁粉或铜粉为主要成分再添加摩擦和防止粘结的非金属粉末制成的粉末冶金刹车片（见图）可以满足这种要求。绝大多数军用飞机和民用机都采用粉末冶金刹车片。因为每次刹车都会发生磨损，100500次后就需要更换刹车片，所以它是飞机上用量最大的粉末冶金材料制件。粉末冶金材料。,松孔材料即多孔渗透性粉末冶金材料。涡轮发动机润滑系统和飞行器液压操纵系统中使用的青铜或不锈钢过滤器，是防止微粒堵塞和卡滞的重要部件。金属纤维松孔材料的强度和塑性较好，可用于高温部位，如涡轮喷气发动机叶尖密封环用的高温合金毡带和火箭发动机喷注器面板、燃烧室内壁和喉部用的发汗冷却松孔材料。高强度粉末合金经粉末热成形的完全致密的高温合金、铝合金和钛合金。一些现代飞机的发动机已使用了锻造的粉末高温合金涡轮盘和压气机盘。为节约原材料并省去锻造工序,还可以直接进行热等静压精密成形。用机械合金化方法制造的弥散强化高温合金和快速凝固粉末高温合金在10001050C以上强度可以超过定向凝固合金，是制造导向叶片和涡轮叶片的好材料。粉末铝合金主要用作飞行器和发动机结构材料。机械合金化铝合金和快速凝固粉末铝合金的强度可达700兆帕(约70公斤力/毫米)。比强度达到钛合金和超高强度钢的水平,使用温度可达250300C，扩大了现有铝合金的应用范围。快速凝固的铝-锂合金与变形铝合金相比，比刚度高30，比强度高一倍，如取代铝合金可使飞行器重量减少30以上,粉末冶金研究先进设备-放电等离子烧结系统（SPS）,放电等离子烧结（SparkPlasmaSintering，简称SPS）是制备功能材料的一种全新技术，它具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点，可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料，也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。等离子体和等离子加工技术SPS是利用放电等离子体进行烧结的。等离子体是物质在高温或特定激励下的一种物质状态，是除固态、液态和气态以外，物质的第四种状态。等离子体是电离气体，由大量正负带电粒子和中性粒子组成，并表现出集体行为的一种准中性气体。等离子体是解离的高温导电气体，可提供反应活性高的状态。等离子体温度400010999，其气态分子和原子处在高度活化状态，而且等离子气体内离子化程度很高，这些性质使得等离子体成为一种非常重要的材料制备和加工技术。等离子体加工技术已得到较多的应用，例如等离子体CVD、低温等离子体PBD以及等离子体和离子束刻蚀等。目前等离子体多用于氧化物涂层、等