粉末冶金材料及其制备技术进展

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2021-10-11 环球过滤分离技术网   nanopuretech9
周科朝
(中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083)

新材料的制造是推动人类文明进步的重要动力之一，历史上材料技术的更新换代都极大地提高了人类的生产力，并改善了人们的生活。1909年粉末冶金法使得延性钨的制造成为可能，从此钨丝白炽灯走进千家万户，开创了照明的新时代。历经一个世纪，粉末冶金作为一门独特的材料制造工艺得到了蓬勃发展，已成功制造出高性能结构材料、高级磁性材料、生物工程材料、能源及纳米材料等，在机械、汽车制造、航空航天及国防军工等行业发挥了相当重要的作用[1-4]。

1、前言：

当前，世界工业发达国家在经历2008年以来的金融危机与经济萧条之后，纷纷提出并实施“再工业化”战略。而且，信息技术与制造业开始深度融合，对产业变革的影响深远，各国都在大力推动云计算、物联网、大数据、三维(3D)打印、生物工程、新能源、新材料等技术的发展，力争在新一轮制造业竞争中取得优势。我国也处在加快转变经济发展方式的重要时期，虽然制造业规模居世界第一位，但大而不强，核心基础零部件(元器件)、先进基础工艺、关键基础材料和产业技术基础等工业基础能力薄弱，与先进国家相比还有较大差距。为此，国务院出台的《中国制造2025》规划了我国制造业自主发展的宏伟蓝图，其中以特种金属功能材料、高性能结构材料、功能性高分子材料、特种无机非金属材料和先进复合材料为代表的新材料被列为重点突破的发展领域之一。同时，《中国制造2025》强调了加快制造业绿色改造升级推进资源高效循环利用的绿色制造理念。因此，新材料的开发也要求努力构建高效、清洁、低碳、循环的绿色制造体系。粉末冶金具有近净成形与节能高效的特点，是典型的绿色制造技术，尽管传统的铁基粉末冶金占整个行业70%以上的市场份额，但难熔金属、磁性材料、粉末高温材料等已成为重要组成部分，3D打印材料、医用材料等方面的研究也十分活跃。国家对制造业创新发展的规划为我国粉末冶金材料及其制备技术的发展提供了广阔的空间，同时也带来了全新的挑战。本文简要介绍粉末冶金行业的发展现状，着重探讨粉末冶金材料及制备技术的发展动向。

2、传统粉末冶金行业现状：

2.1 铁基粉末及结构零件

铁基粉末冶金是现代粉末冶金的最主要的组成部分，其制品多数用于汽车、机械及家用电器的零部件等，全球的铁基粉末冶金市场主要有北美、欧洲、日本和中国。自2010年起北美的粉末冶金产业的大多数部门开始恢复性增长，2013年北美的铁粉出货量达到了364 450 t[5]，较上年增加了4.62%(质量分数)，远高于2009年的192 619.8 t，但与2004年的出货量仍有差距。同时，2013年北美地区的不锈钢粉、钼粉及镍粉也比上年略有增长。在北美市场，70%以上的铁基粉末冶金制品用于汽车制造行业，粉末冶金汽车零部件具有节材、节能、减重等方面的优点，汽车产业的快速发展也会带动铁基粉末冶金零部件的应用。2006年以来美国三大汽车公司汽车总产量有所下降，特别是每辆使用量达29.5 kg粉末冶金零件的运动车和轻型卡车的产量下降，导致北美地区铁基粉末冶金零件制品货运量下降。到2007年，北美地区制造的汽车中平均每辆使用的粉末冶金零件总重量同比减少了2~3%，降为略少于19.5 kg。近两年北美汽车产销量逐渐回升，2013年美国轻型汽车的总产量达到了1600万辆，但由于家用汽车小排量化的趋势，4缸汽车引擎成为主流，甚至出现了3缸引擎，6缸和8缸的汽车引擎逐渐减少，对汽车粉末冶金零件用量最明显的影响是粉末锻造连杆与轴承盖的使用量减少，这种状况对北美地区的粉末冶金行业较为不利。然而，在汽车的所有轮驱动系统、起-停系统、新型柴油机和一些形状复杂且轻质的齿轮等应用领域将会增加粉末冶金零部件应用的机会，表面致密化的粉末冶金齿、链轮等高附加值零件具有较大的潜力。此外，新型的低成本粉末冶金工具钢正在被考虑用于开发汽车阀门导轨和阀门座，以提高其质量。今后，粉末冶金零件生产企业仍将致力于扩大生产能力与提高技术水平，以满足高端客户对于较复杂形状设计与较高性能零件的技术要求。

近年来欧洲的铁基粉末出货量仍呈缓慢增长的趋势，铁基粉末冶金结构零件产量占粉末冶金制品总产量的82%[6]。欧洲地区的汽车产量波动不大，且家用紧凑级与小型汽车一直占有相当大的比例，平均每辆汽车上粉末冶金零件的用量没有像美国那样出现减少的情况，目前为14.6 kg。由于采用温压、高速压制、表面致密化等先进技术的铁基粉末冶金零件产品增加，产品性能与利润较高，欧洲的铁基粉末冶金零件市场在稳定增长，但也面临着低成本国家的竞争。日本是亚洲第二大粉末冶金生产国，2013年铁粉的出货量为108 883t[6]，比2012年略有减少，但在日元贬值、世界经济增长以及日本国内需求增长的背景下，日立化工、住友电子等几大粉末冶金企业的销售额都实现了增长。日本的粉末冶金零件基本为铁基零件，而且89.5%的铁基粉末冶金零件用于汽车制造，但此前铁基粉末冶金零件在汽车制造中的应用还没有被充分开发，每辆汽车上所用粉末冶金零件的重量约为9.5 kg。目前日本的几大生产粉末冶金零部件企业都积极开发使用粉末冶金结构零件和硬质合金工具的汽车制造行业等市场，更专注于注射成形产品、摩擦材料和汽车制造用粉末冶金零件的生产，因此日本的平均每辆使用的粉末冶金零件总重量仍在增长。

我国粉末冶金市场较发达国家增长快，近十年钢铁粉末产销量年平均增速约为9.9%，2009年超过日本成为亚洲最大的粉末冶金生产国，2013年我国的钢铁粉末产量已达到38.82万吨，已超过北美的铁粉出货量[7]。2013年行业统计的34家重点企业粉末冶金机械零件的销售量为15.6万吨，同比增长了12.2%，其中铁基制品为14.5万吨，同比增长12.2%[6]。然而，我国的铁基粉末冶金制品产量约为粉末产量的40%，不仅低于北美、日本的水平，而且仍以中低密度的产品为主。在粉末冶金零部件的分布领域，汽车零部件销售量占总销售量的比重仍徘徊在50%，与欧美日等工业发达地区的汽车粉末冶金零件占比有较大差距。2013年我国粉末冶金汽车零件销量为77 822 t，而汽车产量约为2 211.68 万辆，因而平均每辆汽车的粉末冶金零件只有3.5 kg 左右，实际上每辆汽车的粉末冶金零件用量都不少于8.0 kg，像粉末冶金连杆、大扭矩同步器齿毂和齿套、高强度齿轮及链轮等关键零部件，仍依赖进口或采用传统机械加工件。尽管我国粉末冶金材料及制品的发展空间广阔，但国内企业同时存在着提升产品竞争力的紧迫性。

2.2 非铁基粉末冶金产业

2.2.1 硬质合金

硬质合金是现代工业不可缺少的工具材料，广泛应用于切削刀具、矿用钻具和耐磨零部件等，被誉为现代工业的“牙齿”。硬质合金是仅次于铁基结构材料的第二大类粉末冶金产品，据中国有色金属钨业分会讨论会的统计数据，2011年全球硬质合金产量为6.3万吨，欧洲、美国和日本分别占全球总量的27%、16%和11%。我国生产的硬质占全球总量的37%，居世界第一，但总产值不及瑞典Sandvik的1/2，尤其是高技术硬质合金产品不到世界发达国家的10%，长期依赖进口。我国硬质合金刀具占所有刀具的比例约为40%，远低于工业发达国家70%的水平。如果按刀具市场规模的40%计算，我国2015年硬质合金刀具的市场规模将超过200亿元。在地质勘探、矿井开采领域，60~80%的钻进量通过硬质合金钻头完成。2011年矿用硬质合金约为6 874.78 t，预计到2015年将接近11 000 t，年增长率约为15%。

硬质合金是碳化物(主要为碳化钨)硬质相与金属粘结相的组合体，通常硬质相晶体尺寸减小与粘结相含量减少使合金硬度增加，而断裂韧性下降;反之，合金的硬度下降而断裂韧性增强，二者此消彼长。随着硬质合金的应用不断扩展，往往要求它同时具有较高的硬度与韧性，延长工具的使用寿命以降低成本。因此，研究者们开发出了超细晶(平均晶粒粒径为0.2~0.5 μm)硬质合金、粗晶粒硬质合金以及功能梯度硬质合金等。在金属钴粘接相含量一定的情况下，减小碳化钨晶粒尺寸至亚微米级，硬质合金的强度和硬度均得到了显著提高[8]。上世纪末超细晶粒硬质合金得到商业化应用后，纳米晶粒硬质合金的研究也逐渐兴起。而当碳化钨晶粒尺寸达到粗晶级别(3.5 μm以上)时，可通过调整微观组织获得具有高硬度和良好韧性匹配的硬质合金，这种粗晶粒硬质合金已获得商业化应用，主要用于矿山开采等受到大量反复冲击的场合。此外，通过形成粘接相或硬质相的成分梯度，或者形成硬质相晶粒度梯度的硬质合金也被认为是获得高硬度与较高韧性的有效途径[9]。

硬质合金制造所需的钨、钴等元素都是战略合金元素。我国的钨资源储量超过全球储量的50%，在硬质合金开发上具有一定的资源优势，而钴资源相对贫乏。近年国内的无序开采和盲目出口使钨资源浪费严重，情况不容乐观，今后须提高资源利用效率，在增大硬质合金产量的同时提高产品的性能与质量。

2.2.2 铜基粉末冶金材料

铜基粉末冶金材料主要应用于含油轴承、摩擦材料、电刷、电工零件等，其中含油轴承、摩擦材料主要为烧结青铜(锡青铜和铝青铜)，是目前用量最大的一类粉末冶金铜基材料;铜基电刷材料主要为烧结铜银合金;铜基电工零件主要由烧结的弥散强化铜、时效强化铜合金制造。2013 年北美地区和欧洲的铜和铜基粉末的发货量分别达到15 286.1 t和14 490 t，比2012年有一定增长，而日本由于受汽车电子设备微型化、粉末冶金自润滑轴承的总用量减小的影响，粉末冶金铜粉的出货量出现了下降。我国2013年铜粉和铜合金粉产量达42 100 t，铜基含油轴承销量约4 098 t，比上年增长11.4%，然而铜基结构零件占粉末冶金结构零件总销量的比例为1.3%，较上年的1.5%有所下降[6]。

3、粉末冶金材料发展动态：

3.1 铁基PM材料

3.1.1 低合金铁基粉末冶金材料

低合金铁基粉末冶金零部件的零件密度提高主要依靠改进粉末原料、压制成形及后续加工工艺，优质的预混合料是实现成分与密度高均匀、尺寸高精度零件生产的关键。自20世纪80年代以来，各大钢铁粉末公司就十分重视预混合料技术的开发。美国Hoeganaes公司在先后推出了三代商品化的预混合钢粉，其中第三代产品针对温压成形设计了粘接剂，提高了生坯密度和烧结密度，且生坯强度满足机加工要求，而最近的研究报道了一种新型的压制润滑剂，结合高压、温模具压制工艺可使铁基粉末冶金零件的密度值接近7.5 g/cm3。当前，钢铁粉末企业对市场某类或某种特定产品的需求直接向用户提供预先混合好的粉末成为一个重要的发展趋势，世界最大的钢铁粉末生产企业瑞典Hoganas公司所出售粉末的60%是混合料。而在我国，纯铁粉产销量占钢铁粉末90%以上，铁基制品企业将从不同公司购买来的纯铁粉和合金元素粉末通过机械混合的方式配制成供压制的原料。机械混合法容易使物料不均匀，加上不同批次原料质量不稳定、每次混料量和混料工艺有差异，由机械混合法制成制品的结构性能均匀性、尺寸精度、特别是不同批次间的尺寸和性能一致性不高，严重制约了我国钢铁粉末和铁基制品在中高端零部件制造的应用。

目前国内相关的科研单位与企业正在进行铁基混合料的开发工作，如中南大学与莱钢粉末公司联合开发了Fe-Cu-C等预混合料，中国钢研科技集团有限公司进行了Fe-Cu-C预扩散合金粉的研究，北京科技大学研制了塑化改性的预混合料。当前有色金属价格居高不下，促使世界各大钢铁粉末生产企业纷纷致力于设计开发降低Cu、Ni、Mo等合金元素含量的低成本钢铁粉末。Mn元素在地球上储量丰富，价格低廉，对钢铁的强化效果最好，作为合金元素已成功用于煅钢多年。然而，含Mn钢铁粉末存在易氧化、烧结过程中MnO难以用分解氨或氢气还原，致使烧结材料难以获得较高的密度和强度，虽然早在1948年就有关于含Mn低合金钢粉末冶金材料的研究，但含Mn烧结钢发展缓慢。近年来中南大学研究了锰含量0.2~1.28%的水雾化钢粉，氧含量≤0.2%，松装密度达2.85~3.15 g/cm3，流动性≤30 s/50g，压缩性≥7.07 g/cm3;以铁锰粉为中间合金，采用对合金元素粘结处理的预混合料技术制备了锰含量为0.2-1.0%的铁基预混合粉，松装密度达2.90~3.15 g/cm3，流动性≤26 s/g，压缩性≥7.09 g/cm3，并开发出新型Fe-0.5Mo-0.5Mn-0.5C低合金钢材料体系，烧结密度7.13 g/cm3，抗拉强度426 MPa，硬度92HRB，延伸率7.58%[10]。

3.1.2 粉末高速钢

与普通熔铸高速钢相比，粉末高速钢有效避免和抑制了碳化物偏析与粗大组织形成，热加工及热处理过程中析出碳化物细化至亚微米甚至纳米级，可将强度提高到常规熔铸高速钢的约2倍，韧性也远高于硬质合金。尽管硬质合金等材料具有更高的红硬性，但是对于制造形状复杂、磨削困难尤其是具有高韧性的刀具，高速钢始终处于主导地位[11]。因此，粉末高速钢在生产高性能以及形状复杂刀具中占有明显优势，在一些新兴的、对工模具性能及寿命要求严格的先进装备制造领域，如航天用齿轮泵，更是不可替代的关键材料。

使用粉末高速钢刀具代替传统高速钢可获得更高的切削速度，而且刀具的使用寿命也提高2~3倍。然而，受生产制造成本的影响，粉末高速钢比相应的传统高速钢价格高得多，其使用量占高速钢总量的比例仍较低[12]。粉末高速钢主要采用热等静压法制备，生产的产品质量好，热等静压后的钢锭锻、轧加工成形性好，是现在最为成熟的工业生产工艺。然而，热等静压法制备粉末高速钢的设备投资大、技术难度高(关键是粉末氧含量和夹杂物的控制)，其产品价格为常规熔铸高速钢的2~5倍，小型复杂刀具因材料成本低，采用粉末高速钢有突出的性价比优势，而大尺寸产品的选材仍需衡量性价比。喷射成形技术在多种合金材料的开发上取得了成功，在钢铁材料应用上也取得了重大突破，能制备偏析小、颗粒细小、致密度高(相对密度接近98%)的材料，并可以简化工艺，降低成本等[13]。目前喷射成形高速钢处于研发阶段，沉积态组织中还存在孔洞，要经过热等静压或者锻造的方法才能形成致密的坯体。冷压烧结技术是粉末冶金制品的传统生产工艺，采用经过雾化法制得的粉末(多用水作为雾化介质)，经筛选分级、还原退火后，冷模压制成形，然后在保护气氛或真空条件下烧结致密化，生产出接近最终形状的坯件。该方法较热等静压技术有显著的成本优势，具有较好的发展前景，其关键在于粉末的脱氧处理和烧结温度的合理选择及控制。可见，从制备技术和材质设计等方面降低成本一直是粉末高速钢提升市场份额的关键。

目前以粉末高速钢为主的粉末冶金工具钢全球年产量约2万吨，生产主要集中在美国、欧洲、日本等工业发达国家的7家企业，这些国家的粉末冶金高速钢使用量占高速钢总量的10~15%(美国应用粉末高速钢比例超过15%)[14]。我国是高速钢使用大国，2010年达4.7万吨，但高端产品和粉末高速钢大量进口，依靠进口的粉末高速钢有ASP2052、S390、CPM T15、ASP2015、CPM M4HC、S690、ASP2030、S590、S790等。国产粉末高速钢每年约100吨，产品技术水平为安泰科技生产的FT15为代表，晶粒度大于11级，碳化物尺寸2~4 μm，热处理后的硬度67 HRC、抗弯强度可达4000 MPa以上[15]。随着我国汽车、航空航天、电力汽轮机、高速铁路和大型石化装备等战略性新兴产业迅速发展，高精度、高效率、高可靠性和专业化的加工制造需要大型、整体、复杂形状的模具和刀具量越来越大，日益增多的难加工特种材料对工、模具的硬度、抗弯强度、冲击性能等也提出了愈来愈高的要求，为高性能粉末高速钢材料与制品提供广阔市场。未来5年，预计我国对粉末高速钢材料及制品的市场年需求总量可达1500~2000吨。

3.2 难熔与硬质材料

难熔金属钨、钼等及合金具有熔点高、高温力学性能优异、耐烧蚀性能良好、以及其它优良特性，在现代国防、航空航天、原子能工业、微电子等领域都有重要的应用需求。例如，航空航天发动机上的高温钨钼材料在有氧环境下要承受2000~3500K、高速燃气的长时(最长3000s)烧蚀和冲刷，从而要求难熔钨、钼材料必须同时具有优异的高温强韧性、抗氧化烧蚀、抗热冲击性能，以及轻量化。在国际热核聚变ITER工程中，面向等离子体的最具挑战性关键高温部件(尤其偏滤器)是用钨基材料，要求必须高温高强韧、抗高热负荷烧蚀和热中子辐射，它决定ITER的成功与否，对未来钨在高端领域的需求影响巨大。现有的典型高温钨、钼材料由于晶粒粗大、组织不均或缺乏有效高温强化相(成分单一)，存在高温强韧性低、塑脆转变温度高、抗高温冲击和烧蚀性差，以及密度偏高等问题。目前广泛应用的TZM钼合金也存在高温强度下降快、抗烧蚀差的不足，远不能满足航空航天、发动机和核能领域的发展要求。范景莲等[16]提出微纳复合增强难熔钨钼金属，用常规成形和烧结方法制备微纳复合超高温难熔钨钼材料，实现了材料的高温高强韧、抗冲击、抗烧蚀和轻量化。

当前制造业和石油矿产开采业的发展对加工工具的性能提出了更高的要求，需要大量的超细(或纳米平均晶粒度£0.2μm)晶和超粗晶(平均晶粒度³6μm)硬质合金材料及涂层。研究证明硬质相晶粒细化到亚微米甚至纳米级是实现高硬度、高强度硬质合金的有效途径。硬质相晶粒尺寸越小，则粘接相的平均自由程越短，有效增加硬质合金的耐磨性，其使用寿命比普通硬质合金成倍地增加。超细晶硬质合金能用于制造微型钻头等精细切削工具，可保持优异的力学性能。此外，采用超细以及纳米晶硬质合金涂层是提高刀具硬度和切削性能的可靠途径，在淬火钢、钛合金、高温合金以及喷涂材料等高硬度耐磨材料的加工上优势明显。目前硬质合金涂层的发展趋势是纳米晶、低厚度、多组元、多层以及梯度涂层等精细结构的调控。超粗晶硬质合金也是目前硬质合金的发展方向之一，在粘接相钴含量相当的情况下，超粗晶比其它晶粒度的硬质合金在断裂韧性、热传导性以及抗热疲劳性具有显著优势，因此是采矿、凿岩、轧辊等热震动高磨损场合的优先选择材料。超粗晶硬质合金在欧美国家早已产业化，我国近几年已取得了突出成就，也已实现产业化，目前的难点仍然是寻求简便、高效的制备工艺以推进产业化，以及从单纯的材料制备技术向拓展材料的应用转变。

与硬质合金(WC-Co)材料体系不同，Ti(C,N)基金属陶瓷是结合钒、钛资源发展起来的一类市场前景较好的刀具材料，常见的金属陶瓷刀具是以金属Ni或Ni和Co为粘结相，Ti(C,N)为主要硬质相。Ti(C,N)基金属陶瓷刀具较传统硬质合金具有低密度(为WC的1/3)、更优秀的耐磨性，化学稳定性，更加顺应当今高效、高精度的数控一体式加工的发展需求。面对钨资源的匮乏，国外十分重视金属陶瓷刀具的研究开发，日本的Ti(C,N)基金属陶瓷刀具已占硬质刀具材料市场的30%以上，欧美也占10%以上。我国在金属陶瓷刀具材料的研究相对落后，然而我国钛储量丰富，在Ti(C,N)基金属陶瓷材料的开发与利用上具备资源优势。目前，限制该材料体系在刀具应用的主要因素是Ti(C,N)与粘结相Ni的高温润湿性较差(不如WC和Co)，导致金属陶瓷烧结体的韧性不高。今后的研究重点在超细TiC原料粉末的低成本制备、金属与陶瓷两相界面稳定性的改进、提高刀具表面的耐磨性以及高温稳定性等。

3.3 3D打印材料

3D打印又称增材制造(Additive Manufacturing, AM)，是将CAD设计数据通过材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除(切削加工) 技术，是一种“自下而上”的材料累加制造方法。3D打印体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，是先进制造的重要组成部分，受到各国的战略性重视。美国从上世纪80年代起就开始飞机关键零部件的增材制造技术研究，GE公司用3D打印制造出以前用20个零件组装的飞机发动机喷嘴，整体减重了25%，效率增加15%，并已获订单85000件。NASA计划将小型3D打印装备运送国际空间站，能在紧急情况下打印空间站需要的零部件、维修工具等。据美国专门从事增材制造技术咨询服务的Wohlers协会报告，2013年全球3D打印产值为30.7亿美元，预计2015年达到40亿美元，且在美国航空器制造和医学应用是3D打印技术增长最快的应用领域[17]。

3D打印的主要技术路线有选区激光熔炼(Selective Laser Melting, SLM)和选区电子束熔炼(Selective Electron Beam Melting, SEBM或EBM)，可用于3D打印的材料的主要材料有高分子材料、金属材料、陶瓷材料、生物材料等，其中以高分子材料为主，金属约占10%，但成为新的增长点。SLM比较适合制备小尺寸的样品，甚至是包含了金属、陶瓷或塑料的复合构件，产品有人造牙齿、多孔低模量骨骼、可植入骨钉等，如图1(a)和(b)所示，在生物医学领域显示了良好的应用前景。然而SLM制备金属材料时，高能激光束的环境为氩气或氮气气氛，与EBM的真空环境相比，组分的冷却速度和凝固过程更快，需综合考虑相变、扩散、微观组织以及残余应力等问题。相对SLM技术而言，EBM能更好地实现金属材料的均匀致密化[18]，而且EBM的扫描速度较快，适合制备大尺寸样品，成品的表面质量较好。目前已成功制造出飞行器非承力部件，飞机钛合金承力框架等，如图所示:

3.4其它PM新材料

我国航空、航海、核工业的快速发展迫切需要开发高精密粉末冶金高温结构材料，代表性的材料包括粉末高温合金、氧化物弥散强化钢等。航空发动机是飞机的心脏，镍基高温合金是航空发动机中用量最多的高温结构材料。粉末冶金制备的镍基合金热端部件和承力转动部件比传统铸锻件具有更高的使用温度，较高的蠕变强度、抗裂纹扩展能力以及损伤容限。以涡轮盘为例，工作中涡轮盘轮缘部位的温度较高，要求合金具有较高的高温强度、较小的线膨胀系数、较高的低周疲劳性能以及无缺口敏感性;而涡轮盘中心部位的温度较低，在轮缘与中心形成的温度梯度会产生很大的热应力，这样又要求合金具有良好的冷、热和机械疲劳性能。粉末冶金可制备出晶粒高度细化、γ'相含量高(体积分数一般>45%)的镍基高温合金，当前最新的技术是通过双重组织热处理获得轮心部位细晶组织、轮缘部位为粗晶组织的双性能高温合金涡轮盘，使其具有较高的抗疲劳裂纹扩展能力，提高使用性能与寿命。

3.4其它PM新材料

我国航空、航海、核工业的快速发展迫切需要开发高精密粉末冶金高温结构材料，代表性的材料包括粉末高温合金、氧化物弥散强化钢等。航空发动机是飞机的心脏，镍基高温合金是航空发动机中用量最多的高温结构材料。粉末冶金制备的镍基合金热端部件和承力转动部件比传统铸锻件具有更高的使用温度，较高的蠕变强度、抗裂纹扩展能力以及损伤容限。以涡轮盘为例，工作中涡轮盘轮缘部位的温度较高，要求合金具有较高的高温强度、较小的线膨胀系数、较高的低周疲劳性能以及无缺口敏感性;而涡轮盘中心部位的温度较低，在轮缘与中心形成的温度梯度会产生很大的热应力，这样又要求合金具有良好的冷、热和机械疲劳性能。粉末冶金可制备出晶粒高度细化、γ'相含量高(体积分数一般>45%)的镍基高温合金，当前最新的技术是通过双重组织热处理获得轮心部位细晶组织、轮缘部位为粗晶组织的双性能高温合金涡轮盘，使其具有较高的抗疲劳裂纹扩展能力，提高使用性能与寿命。

与镍基高温合金的析出强化方式有所不同，氧化物弥散强化钢是在铁基体中引入了稳定、细小且均匀分布的第二相氧化物，起到钉扎位错、晶界，强化材料的作用。粉末冶金的优势在于强化/复合的方式多样，可以控制强化相趋于更精细，所制备的材料具有较高的高温强度和耐腐蚀性能，可应用于高温高压的工业领域。例如，在火力发电领域，氧化物弥散强化钢能用于燃烧室燃料雾化喷嘴、火焰稳定器、蒸汽管道等关键部件;在核能利用领域，氧化物弥散强化钢具有较低的辐照肿胀和热膨胀系数、较高的热导率，是超临界水堆燃料包壳管和新型快中子反应堆包壳的候选材料，如日本开发的9Cr双相氧化物弥散强化钢、欧洲开发的ODS Eurofer 97氧化物弥散强化马氏体钢，美国开发的机械合金化氧化物弥散强化铁基合金(MA/OD，12Y1，12YWT)，使用温度上限达到850℃。此外，氧化物弥散强化钢在航空发动机燃烧室部件、热作模具钢等领域有较大的市场需求。我国在氧化物纳米团簇强化铁基高温合金方面有相应的研究，利用粉末冶金工艺的优势将有害元素氧转化成有益的强化相，有望开发出更多高性能的铁基粉末冶金高温结构材料。

4、粉末冶金材料制备新方法：

4.1 粉末的制取

高质量粉末原料是制造高性能粉末冶金产品的重要基础，而制粉技术的发展也引领着粉末冶金材料的升级换代。例如，粉末高速钢生产工艺的进步主要表现在雾化制粉的改进，能更精确的控制钢水温度和洁净度，第一代雾化粉平均颗粒比较粗大，非金属夹杂含量相当于电弧炉+LF钢包精炼钢的水平，但粉末高速钢的抗弯强度已经比普通熔炼高速钢提高了约1倍;第二代粉末高速钢钢水采用电渣加热与钢包底吹Ar气搅拌，与第一代粉末高速钢相比减夹杂物含量减少90%，成分波动范围也缩小近50%，因此抗弯强度提高20%，达到3.5GPa;第三代雾化高速钢粉的尺寸要细得多，晶粒中碳化物二次枝晶臂距约1 μm，成分波动范围进一步缩小，非金属夹杂物比第二代减少90%，所得到的粉末高速钢抗弯强度可达4.2 GPa以上。因此，制粉技术的改进对粉末高速钢的性能影响巨大，而高速钢粉末一直在向超纯、超细、粉末特性可控的方向发展。

同样，其它高性能粉末冶金材料对原料粉末的要求也越来越苛刻，也推动粉末制造技术的发展。目前，超微粉末和纳米粉末制造与处理技术、快速凝固雾化制粉技术、机械合金化制粉技术等是几个比较活跃的研究方向。金属粉末注射成形、表面热喷涂等技术需要大批量球形度好、分布均匀的微米级甚至是亚微米级粉末，而普通的气雾化只能获得粒度≥20 μm的粉末，通过结合气雾化与离心雾化的特点而开发出来的混合雾化技术，可制备5~15 μm的粉末。改变喷枪设计、增大气体压力雾化，可使粉末的粒度降低到10 μm以下。除了粉末形状和粒度上的控制，雾化制粉的一个重要趋势是快速凝固，尤其对于制备特种合金粉末，雾化液滴以105~106 K/s的速率冷却是一种非平衡的凝固过程，可以有效地减少合金成分的偏析，并可以获得具有非晶、准晶、微晶或过饱和固溶体等非平衡组织的粉末。快速凝固已广泛应用于制备高温高强铝合金、高强耐蚀铜合金、耐磨耐蚀工具钢、磁性材料、电极材料以及电工合金等。在纳米晶粉末的制造技术方面，机械合金化是一种重要的方法，它借助球磨过程中的大动能使粉末反复变形、破碎，且不受物质熔点、蒸气压等物理特性制约，使混合粉原子间相互扩散或固态反应实现合金化。这种技术已广泛用于各种氧化物弥散强化高温材料、能源材料、难熔金属化合物、过饱和固溶体以及纳米材料等新材料的研发[19]。

此外，3D打印金属制品对原料粉末的要求与传统粉末冶金用金属粉末还不完全相同，常规的热喷涂粉末用于3D打印还存在很多不适用性。目前对3D打印金属粉末性能的要求还没有统一的认识，一般认为粉末氧含量低、球形度好、粒度小及其分布窄有利于获得致密度高、强度好、不开裂和不变形的3D打印金属制品。对于合金粉末，还要求成分均匀性好、组织细小，因为组织粗大的粉末熔覆性能较差。目前3D打印粉末的制备方法主要有气雾化法(GA)、等离子旋转电极法(PREP)、等离子熔丝雾化法、等离子球化法等。目前美国和欧洲国家主要采用GA和PREP技术制备的金属粉末，国外巨头Sandvik、Carpenter、Ameteck、Hoganas纷纷推出3D打印专用粉末，产品包括常见金属粉、高温合金粉甚至是难熔金属粉末。我国主要对低熔点金属进行了GA和PREP制备技术研究，还很少涉及高品质钛合金、镍基高温合金和稀有金属粉末。加拿大研究人员开展了等离子球化与等离子熔丝雾化制粉技术研究，在开发难熔金属粉末方面具有优势。我国等离子球化技术制粉研究才刚起步，而等离子熔丝雾化技术暂未涉及。

由此可见，粉末制备技术的发展方向主要在微米级粉末的雾化及还原、粉末的粒度、形貌和纯净化控制的研究等方面。对于高端的粉末冶金材料开发，需推动超微粉末和纳米粉末制造与处理技术、快速凝固以及机械合金化制粉等技术的研究与应用。

4.2 成形技术

现今粉末冶金零部件密度的提高主要依靠粉体的成形技术，高密度且适用于复杂形状零件始终是粉末冶金成形技术的追求。对于铁基粉末冶金零件，当密度达到7.2 g/cm3后，材料的各种力学性能如硬度、抗拉强度、疲劳强度、韧性等都会随密度的提高而更为显著地增大[8]。粉末锻造是一项已经产业化的成熟技术，主要应用在制造发动机连杆，零件密度高达7.83 g/cm3，接近全致密，但存在设备价格较高、能耗较大等问题。复压/复烧工艺制备的铁基粉末冶金零件的密度可达7.5 g/cm3，但是较一次压制/一次烧结的生产成本明显提高。

粉末温压成形是一次压制成形高密度零部件的突破性技术，成形的铁基零部件密度可达7.35 g/cm3，同时具有相对较低的制造成本，已成功制备了各种形状复杂的高密度高强度粉末冶金零件，如汽车传动转矩变换器涡轮轮毂、温压连杆和齿轮类零件。温压成形技术起初需要将粉料和模具分别加热到130 ℃左右，通过润滑剂的不断改进，逐渐发展了中温温压与低温温压，目前通过只加热模具的温模压制即可获得密度7.4 g/cm3 以上的铁基粉末冶金成形生坯。此外，在温压技术的基础上结合金属粉末注射成形工艺的优点又发展了流动温压，这种工艺下粉末具有较高的流动性、充填能力和成形性。我国近十多年来，在国家“863计划”项目资助下，中南大学、北京科技大学、华南理工等单位也在温压技术上取得了突破性进展。

高速压制成形技术因压制速度快、成形密度高而颇受重视，它利用重锤下落的冲击力使粉体成形，可获得7.4 g/cm3以上的铁基零件压坯。高速压制还可以和预混合料技术、模壁润滑、温压以及复压等技术有机结合起来。北欧一个名为Metec粉末冶金公司采用高速复压技术可以制造出密度为7.7 g/cm3的铁基粉末冶金零件制品。国内北京科技大学、华南理工大学也开展了粉末高速压制技术的研究，其中北京科技大学与莱芜新艺粉末冶金制品有限公司目前将粉体塑化改性处理和高速压制技术相结合，已经制备出7.4 g/cm3的零件。华南理工大学提出了一种将高速压制、温压和模壁润滑相结合的温高速压制技术，采用该技术对纯Fe粉、Fe-2.0Cu-0.6C合金粉进行了压制成形，当压制速度相同时，温高速压制制备样品的压坯密度比传统的高速压制高0.10~.14 g/cm3。高速压制成形的压坯密度高且分布均匀，可以成形重量在5 kg以上、最大尺寸可以达到180 mm的零件，如果能够控制好零件尺寸精度和装备成本，高速压制技术的产业化前景值得期盼。

表面致密化能显著提高粉末冶金零件(如齿轮、凸轮与轴承等)的滚动接触疲劳与弯曲疲劳寿命，同时心部仍然保持初始相对密度，利于轻量化。因此，应用表面致密化技术可为粉末冶金高强度制品提供更广的应用范围。近年来，许多研究已经证明表面致密化可减小表面区域的孔隙度，从而保持心部的孔隙度，使得在很有希望改进噪声性能的同时，提供足够高的强度。瑞典Hoganas公司的S. Bengtsson等人考察了表面致密化后的粉末冶金齿轮的致密化效果和性能，由图2可以看出齿轮齿面的致密化深度约为0.5mm，齿根处的致密化深度稍低些。在齿轮的品质方面，表面致密化的齿轮可以达到DIN8以及更高的级别。在齿根疲劳试验中，表面致密化烧结齿轮的耐久性极限为33KN，而常规锻钢参照齿轮为31KN。在批量生产的前提下，如果能够正确选择材料、烧结工艺、滚压工艺以及热处理工艺参数，表面致密化处理的烧结齿轮的生产总成本将比传统方法的生产成本降低30%~40%左右。

4.3 成形-固结一体化

现代粉末冶金工艺越来越倾向于短流程、低能耗、高效率与低成本的制造方式，各种粉末冶金新技术也不断涌现，其中典型的成形-固结一体化技术，如喷射成形与3D打印技术，成为当前研究开发新材料的热点。喷射成形技术基于传统快速凝固和粉末冶金工艺，是融合材料制备和制品成形的先进技术。与铸锭冶金相比，该技术消除了宏观偏析和粗大晶粒，具有粉末冶金的均匀、细小、等轴晶粒的组织特点，材料的韧性、热加工和磨削性能因而得以提升;与粉末冶金相比，它压缩了制粉、成形、烧结等多道工序，甚至有些材料与制品可省去热等静压工序，大幅降低了生产成本。鉴于该技术在高合金化尤其是易偏析的合金材料、粉末冶金复合材料制备与成形方面的突出优势，近年来颇受重视，开发研究和生产的典型材料及制品有高温合金、高速钢、铝硅合金、高锌的铝合金、铜铬合金、高锡的铜合金、金属基复合材料等，其中喷射沉积高速钢是当前的研究热点和技术水平的标志。

3D打印技术顺应了材料一体化设计与智能化控制制造技术的发展潮流，在一些形状结构复杂、批量较小以及难加工金属材料的制造方面有独特优势。它是一种订制化制造技术，无需机械加工与任何模具，省时省材，可较大地缩短产品的研制周期，降低成本[20]，已经在航空航天、生物医疗、汽车及其它领域得到了初步应用。目前3D打印设备基本成熟，但可用于3D打印的材料种类较少，成为制约3D打印技术发展和应用的瓶颈。金属是最大的一类结构材料，但金属材料占3D打印材料的比例小，其应用难点在于一般金属的熔点较高，成形过程存在金属的熔化与凝固致密化，必然涉及到材料的相变、扩散、传热以及残余应力等问题，加上粉末颗粒流动能力、材料构建策略等因素，直接影响到材料的致密度、成形精度、微观组织及力学性能。然而，金属材料的3D打印制造技术无疑是最有潜力的发展方向，已开展了高品质钛合金、钴基高温合金、钛铝合金等材料的制造研究。据报道3D打印的钛合金零件抗疲劳强度比锻件提高32-53%，疲劳裂纹扩散速率降低一个数量级。当前，3D打印正从起步期过渡到发展期，材料、工艺、软件、装备一体化绑定。我国虽然在3D打印成形技术和应用方面与国外没有明显代差，但在原料粉末、核心器件、软件等方面受制于人，需在基础研究、核心技术、工程应用创新等领域不断努力突破。

4.4 场活化烧结

烧结是决定粉末冶金材料性能的重要环节之一。近年来，多场作用下的烧结、场活化烧结等技术也得到不断的发展。放电等离子体烧结(Spark Plasma Sintering, SPS)就是一种先进的场活化烧结技术，它集成等离子体活化、加压与电阻加热对粉体材料进行烧结处理。所谓等离子体活化是指设备电源施加于粉末的脉冲电场使粉体间的空隙产生放电等离子体，一是冲击粉末颗粒使其表层物质蒸发而产生新鲜表面，降低原子的扩散自由能，从而提高粉末的烧结活性;二是放电瞬间产生局部的高温使粉体表面熔化，有利于形成烧结颈。SPS一般在真空环境下进行，粉体在模具中受到轴向加压装置的压力，且升温速率快、加热均匀，能使材料在几分钟内达到接近100%的相对理论密度。相对于普通真空烧结、热压等技术，SPS能在较低的温度以及较短的时间内完成材料的烧结，可得到晶粒组织细小均匀的产品，因而在制备细晶材料方面具有一定优势。国内外在SPS制备高熔点氧化物、氮化物陶瓷方面有较多的研究，如氧化铝、钇铝石榴石、稀土氧化物等精细功能陶瓷;还用SPS技术制备了多种金属与金属基复合材料，如形状记忆合金、Fe基软磁材料;此外，还制备了难熔金属、硬质合金材料及金属间化合物等高温材料。

微波烧结是利用微波电磁场与介质相互耦合形成功率耗散而转化成热量的原理对材料进行烧结处理，也是一种新型的活化烧结技术。由于微波加热是物质吸收了微波能，使其内部偶极分子高频往复运动产生“内摩擦热”，因此材料内部每一个分子和原子都能成为发热源，整个物料可同时均匀升温，有别于传统加热方式中热量从材料表面向内部传导的过程，这有利于减小被烧结材料表面与内部的温度梯度及产生的热应力、提高材料的烧结密度、强度和韧性。微波烧结过程中材料内部的分子或离子在电磁场作用下动能增大，能有效提高扩散系数，降低烧结活化能，因而可以加快材料的烧结速率并降低烧结温度，有利于细晶/超细晶材料的制备。由于不同物质对微波的吸收程度不同，微波烧结对材料具有选择性。较长时期内，金属材料因微波吸收性能差而被认为不适合用微波烧结，但随着微波烧结技术的不断进步，对金属材料进行微波烧结的研究也越来越多。目前有报道的微波烧结金属材料种类有Fe、Cu、Ni等纯金属，还有WC-Co硬质合金、钨基合金以及磁性材料等。此外，微波加热对不同的物相有选择性，还可以用来研究新结构与新材料。

5、展望：

粉末冶金是高合金化、难加工、难熔金属等特种高性能材料产品的主要或唯一制造方法，在现代制造业与国防领域中发挥了重要作用。我国已成为世界粉末冶金生产大国，但在高质量金属粉末、零部件精密成形及服役性能等方面落后于欧美科技强国，新材料、新工艺的研发水平与国外领先水平相比还存在较大差距。因此，我国仍然不是粉末冶金科技强国。从行业发展的角度来看，高纯度、低成本、规模化稳定生产是技术发展趋势。在粉末原料方面，应发展节约资源、环境友好的新型粉末材料，重点在超高纯、超微细、高熔点、非平衡以及各种优异的物理与化学性能粉末的制备;在粉末成形与固结方面，可大力发展高效率、高精度、智能化的近净成形与烧结技术，力争在粉末锻造、注射成形、活化烧结、3D打印等工艺上形成工业化成套技术，不断提高产品的成品率与行业的竞争力。

当前粉末冶金已由一种传统工艺技术发展成为集冶金、材料、机械制造等学科特点的新兴交叉前沿学科领域，我国粉末冶金学科肩负着提升行业发展水平的重要责任，自身也面临着机遇与挑战，需努力加强以下几个方面的研究：

1) 基于集成计算材料工程思想，运用多尺度的材料计算方法，研究粉末冶金材料制备和服役过程中的多层次/多尺度结构演变及其与材料宏观性能的相关性，并对粉末冶金新材料和新工艺的设计与优化提供科学指导。

2) 以高性能粉末冶金材料制备新技术、新原理为目标，主要立足于现有的重大装备和技术条件，发展短流程、近净成形优势突出的高效成形与致密化烧结技术，着重研究材料致密化的物理化学过程、最终组织结构的形成机制与控制方法。

3) 面向粉末冶金材料科学前沿，通过新的成分与结构设计，开发高性能粉末冶金结构材料，解决国民经济和国防建设重大需求;探索新型粉末冶金功能材料，快速提升基础研究水平和国际学术影响力;积极开展产学研合作，引领对传统粉末冶金产业升级改造的推动和支撑作用。

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