16 粉末冶金加工方法

厚德博学追求卓越16粉末冶金加工方法主要内容概述一热等静压二三放电等离子烧结新型金属热加工工艺

粉末冶金是一种以金属粉末为原料，经压制和烧结制成各种制品的加工方法。

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，是一种少无切削工艺。

粉末冶金技术已被广泛应用于交通、机械、电子、航空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工业等领域，成为新材料科学中最具发展活力的分支之一。粉末冶金齿轮铜基粉末冶金新型金属热加工工艺

增材制造技术是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动，采用材料逐层累加的方法制造实体零件的快速成形技术。

增材制造尤其适合于航空航天产品中的零部件单件小批量的制造，具有成本低和效率高的优点。

北京航空航天大学利用使用大型金属构件激光增材制造技术研制了主承力关键钛合金构件飞机机身整体加强框，目前已成功应用于国产大飞机C919上。

金属3D打印服务商助力直升机组件——以空心间隔构建16个前向服务手柄。一、概述粉末冶金的历史

粉末冶金起源于远古时代，制造铁的第一种方法实质上采用的就是粉末冶金方法，这是由于在生产过程中金属并没有达到熔化，在原始的炉子里用焦炭还原铁矿，得到由分散的铁块烧结成的海绵铁，然后将海绵铁进行锻打，制成各种器械与兵器。公元前1800年左右，赫梯人在冶铜技术的基础上发明了块炼铁技术粉末冶金的制备

粉末冶金（Powdermetallurgy）是制取金属粉末或用金属粉末（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，制备金属材料、复合材料以及各种类型制品的工业技术。

粉末冶金技术主要包括原始粉末制备、成型、烧结和后处理四个步骤。粉末冶金的制备

粉末冶金技术主要包括原始粉末制备、成型、烧结和后处理四个步骤。

（1）原料粉末的制备

①机械法：通过机械破碎、研磨或气流研磨方法将大块材料或粗大颗粒细化的方法；

②物理法：采用蒸发凝聚成粉或液体雾化的方法使材料的聚集状态发生改变，获得粉末；

③化学法：依靠化学反应或电化学反应过程，生成新的粉态物质，比如：电化腐蚀法、还原法、化合法、还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法。

（2）粉末的成型

成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压成型，此外还可使用3D打印技术进行坯块的制作。粉末冶金的制备

粉末冶金技术主要包括原始粉末制备、成型、烧结和后处理四个步骤。

（3）烧结

粉末烧结是将压坯置于基体金属熔点以下温度（约0.7~0.8T，单位K）加热保温，粉末颗粒之间产生原子扩散、固溶、化合和熔接，致使压坯收缩并强化；依靠热激活作用，原子发生迁移，粉末颗粒形成冶金结合，最终获得所需材料。

烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和多元系的固相烧结，烧结温度比所用的金属及合金的熔点低；对于多元系的液相烧结，烧结温度一般比其中难熔成分的熔点低，而高于易熔成分的熔点。

（4）后处理

后处理技术是对粉末冶金工艺获得的零部件进行如精整、浸油、机加工、热处理及电镀处理，从而获得满足实际要求的粉末冶金零部件。目前主流的后处理技术包括热处理、熔渗及浸渍工艺等。粉末冶金的特点

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、不均匀的铸造组织可以实现多种材料的复合，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实现近净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

粉末冶金按加热方式的不同主要可以分为热等静压、放电等离子烧结等。二、热等静压2.1热等静压的工艺原理

热等静压(HotIsostaticPressing，HIP)成形技术利用高温高压结合模具进行控形技术可实现材料微观组织与性能调控、复杂几何形状零件成形一体化，可直接获得力学性能与锻件相当、尺寸精度达到精密铸件水平的零件，是一种十分适合于TiAl合金零件成形的技术。

热等静压工艺将制品放置到密闭的容器中，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，使粉末直接烧结成型的粉末冶金工艺（图16-1所示）。

热等静压是一种集高温、高压于一体的工艺生产技术，加热温度通常为1000~2000℃，粉末通常被装入包套中（类似模具作用），包套可以采用金属或陶瓷制作（低碳钢、Ni、Mo等），加压介质通常选用氮气、氩气等气体，工作压力可达200MPa。2.1热等静压的工艺原理

在高温高压作用下，热等静压炉内的包套软化并收缩，挤压内部粉末使其与包套一起运动。高温高压作用下的粉末致密化过程与一般无压烧结或常温压制有很大差异。其致密化过程大致分为以下几个阶段：

（1）粒子靠近及重排阶段

在加热加压开始之前，松散粉末粒子之间存在大量孔隙，同时由于粉末粒子形状不规则及表面凹凸不平，它们之间多呈点状接触，所以与一个粒子直接接触的其他粒子数量很少。当外界施加压力时，粉末体开始平移或转动而相互靠近，从而使粉末空隙大大减少，相对密度迅速提高。

（2）塑性变形阶段

第一阶段的致密化使粉末密度大大提升，粒子之间的接触面积增大，粒子之间相互抵触或相互楔住。随着压力继续增加或温度升高以降低粉末流动的临界切应力，粒子将以滑移方式产生塑性变形。

（3）扩散蠕变阶段

粉末粒子发生大量塑性流动后，粉末相对密度接近理论密度值。粉末粒子连成一片整体，残留的气孔已经不再连通，而是弥散分布在粉末基体之中，好像悬浮在固体中的气泡。此时，致密化过程主要由单个原子或空穴的扩散蠕变来完成，因此整个粉末体的致密化过程缓慢下来，最后趋近于最大密度值。2.2热等静压的特点及应用

焊接方法的选择是根据材料的可焊性、工件厚度、生产率要求、各种焊接方法的适用范围和现场条件来综合考虑的。结合了热压法和无压烧结方法两者的优点，不仅能像热压烧结那样提高致密度，抑制晶粒生长，提高制品性能，而且还能像无压烧结方法那样制造出形状十分复杂的产品，且避免了非等轴晶系样品的晶粒取向。可用于已经历过无压烧结的样品进行后处理，用以进一步提高样品致密度和消除有害缺陷。热等静压工艺是一种近净成形工艺，降低原材料的损耗。生产周期短、工序少。热等静压工艺的特点2.2热等静压的特点及应用

热等静压已成功地用于多种结构陶瓷，如氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷等的烧结或后处理。

热等静压工艺主要应用包括改善金属材料的组织结构、生产近净形金属零件、陶瓷粉末固结、修复铸件缺陷等。三、放电等离子烧结3.1放电等离子烧结的工艺原理

放电等离子烧结（SparkPlasmaSintering，简称SPS）工艺是将金属等粉末装入石墨等材质制成的模具内，利用上、下压头及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能材料的一种新的粉末冶金烧结技术。

放电等离子烧结与热压有相似之处，但加热方式完全不同，它是一种利用通-断直流脉冲电流直接烧结的加压烧结法。

通-断直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用。

在放电等离子烧结过程中，电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体，使烧结体内部各个颗粒均匀的产生焦耳热并使颗粒表面活化。

与自身加热反应合成法和微波烧结法类似，放电等离子是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的。3.1放电等离子烧结的工艺原理

放电等离子烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。

除加热和加压这两个促进烧结的因素外，颗粒间的有效放电可产生局部高温，可以使表面局部熔化、表面物质剥落；高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质（如去处表面氧化物等）和吸附的气体。电场的作用则是加快扩散过程。

放电等离子烧结是利用放电等离子体进行烧结的。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4000～10999℃，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。3.2热等静压的特