粉末冶金法的优缺点十篇

粉末冶金法的优缺点篇1

【关键词】粉末冶金 模具 仿真技术 加工方法

中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）35-111-01

0引言

粉末冶金是通过制取金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作为生产原材料，通过过压制成形、烧结等工艺过程，制造出各种粉末冶金制品的工艺技术。现在，这种工艺已经成为我们在新材料研制领域内的重要工艺技术。在粉末冶金工业中，模具对于在很多工序中都有所应用，并且对于整个生产工艺也具有较大的影响。粉末冶金模具是粉末冶金制品生产的重要工艺装备，粉末冶金模具的质量对粉末冶金制品的质量具有直接的影响。然而，粉末冶金模具的质量主要取决于它的加工过程。因此，对于粉末冶金模具加工方法及仿真技术的研究，对于粉末冶金工业具有重大的意义。

1 粉末冶金模具的加工方法

目前，对于粉末冶金模具的先进加工方法种类很多，其中各种加工方法也是各有特点。现就几种主要的粉末冶金模具加工方法进行介绍，并对各种方法的特点和对粉末冶金模具的影响进行探讨。

1.1 电火花加工方法

电火花加工的方法，是通过在放电瞬间产生剧烈高温。然后，利用这一高温将工件的表面熔化（甚至汽化），从而达到机械加工的目的。这种加工方法在一些难以加工的超硬材料加工中具有明显的优势。

（1）电火花加工方法的特点

电火花加工方法能够有效的填补常规的机械加工方法对于难加工材料的不足，适用于对于强度高、熔点高、硬度高等难加工的材料的加工。另外，由于电火花加工方法直接利用电能与热能进行加工，因此在加工过程中可以实现加工的自动化控制。再者，这种加工方法的精细度很高，对于粉末冶金模具这种加工质量要求较高的产品是一种较为合适的加工方法。不过，这种方法也存在着一定的缺点，那就是利用电火花加工方法加工的粉末冶金模具的表面粗糙度较高，会对粉末冶金工业造成一定的影响。

（2）电火花加工方法在模具加工中的应用

在粉末冶金模具电火花加工中，常是通过使用数控电火花机床来进行加工的。数控电火花机床可以实现粉末冶金模具的精密加工，确保满足粉末冶金模具的质量要求。在粉末冶金模具的尺寸精度、仿形精度和表面质量等方面将发挥重要的作用。

1.2 仿形磨削加工方法

利用仿形磨削加工方法加工粉末冶金模具，即是通过利用专门的平面磨床，通过仿形尺对粉末冶金模具进行仿形磨削。这种粉末冶金模具加工方法的特点是其加工生产的粉末冶金模具的精密度较高，且表面较为光滑、平整，粗糙度较低。这种加工方法的缺点是加工效率较低。

1.3 数控线切割加工方法

数控线切割加工的方法，是通过将金属丝电极安装在一个转动的贮丝筒上，然后分别将被切割工件与金属丝电极接到高频电源的正、负极上，通过计算机技术控制控制电极的移动方向，并通过电火花加工达到自动切割的目的。

数控线切割方法是计算机技术与电火花加工技术的结合，可以发挥电火花加工方法的优点，还可以实现自动切割的目的。其在粉末冶金模具的加工上具有重要的作用。由于这种加工方法对于电极没有特别的要求，并可以对各种硬度和形状的工件进行加工。数控线切割加工的方法，还可以反复的使用电极丝，加工损耗小、精度高等特点，非常适合粉末冶金模具的加工生产。因此，数控线切割加工的方法也是目前在粉末冶金模具加工中最常用的方法之一。

2 粉末冶金模具的数控加工动态仿真

计算机仿真技术在各类科技领域都有广泛的影响，随着计算机仿真技术不断发展成熟，已经可以应用到产品从概念设计到结束使用寿命的整个周期的各个环节中，其中在产品的加工阶段应用更为广泛。在粉末冶金模具的加工过程中，仿真技术的应用将对粉末冶金模具的加工行业，甚至整个粉末冶金工业都具有重要的意义。

在粉末冶金模具的加工过程中，建立一个较为精确的数控加工动态仿真模型，通过模拟整个模具加工过程，从而获得在粉末冶金模具加工过程中所需的几何数据和力学信息，以及加工过程中可能发生的不良影响和可能出现的偏差值。通过数控动态仿真模型，便可以在加工前获得准确的信息，规避可能产生的不良影响，有效的降低了加工失误、偏差等现象发生的可能性。

在粉末冶金模具的加工过程中，利用精确的数控加工动态仿真模型，可以获得准确的数控加工代码，避免加工的错误和偏差；另外，还可以对加工误差值、刀具磨损等进行预测，为保证粉末冶金模具的质量要求和刀具的更换提供重要的参考信息。因此，在粉末冶金模具的制造加工过程中，计算机仿真技术发挥了重要的作用，对于保证模具加工生产的质量和提高模具生产效率都有很大的帮助。

3 结语

粉末冶金模具的加工，对于粉末冶金制品的质量具有很大的影响。目前，对于粉末冶金模具的加工方法仍具有很大的发展空间，计算机仿真技术在粉末冶金模具加工中的应用，也还需要人们不断的进行发展和研究。

参考文献：

粉末冶金法的优缺点篇2

[关键词]Al；Zn；Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料；组织和性能；影响

中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0337-01

20世界40年代，我国对铁基粉末冶金摩擦材料就开始了研究，在50年代，将其应用在了航天领域。铁基材料不仅耐高温，而且承载能力强，价格低廉。但是，铁基粉末冶金摩擦材料与钢铁等金属材料混合使用时，容易发生粘结【1】。为降低铁的塑性，使其强度得到进一步增强，因此添加了其他元素来达到这一目的。在上世纪60年代，我国开始研制铁基粉末冶金制动材料，并且取得了一定成就。随着社会经济和交通运输业的发展，摩擦材料的应用更加广泛，对制动性能的要求更加严格。鉴于此，本文结合新工艺、新技术对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料展开进一步的研究和探讨。

一.粉末冶金摩擦材料新技术

实践表明，当前广泛使用的钟罩炉加压烧结法存在能耗大、原材料利用率低、成本较大等缺点。因此，新工艺、新技术的研究是为了在保证产品性能的前提下，保证生产成本最低，获得较好的经济效益和社会效益。

（一）无压烧结工艺

研究资料表明，传统的烧结工艺最突出的问题就是资源浪费【2】。因此，相对于传统的烧结工艺，无压烧结工艺不需要施加压力就能够实现材料的烧结，因此，这一项新型的工艺得到了广泛应用。现实中，无压烧结工艺主要有轧制法、电镀法以及离子喷涂法等。该项工艺制备的材料具有摩擦系数小、孔隙率较高等特点。

（二）粉末轧制工艺

此种工艺指的是压实被引入旋转轧辊之间的粉末，使之形成粘聚状态的半成品，然后对其进行活化烧结的一种工艺。通过实践表明，粉末轧制工艺所制备的材料，具有较高的使用性能。

（三）表面处理技术

表面处理技术主要包含两个方面，一是通过对材料表面进行渗氮、渗硼及硼铬共渗来达到摩擦材料烧结的目的；另一方面，通过处理材料表面，使其形成氧化膜。而提高产品的质量和改善多层烧结，是通过骨架与粉末层的粘结来实现的【3】。

二.Al、Zn对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料组织和性能的影响

（一）.试验方案

为了进一步了解Al、Zn对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料组织和性能的影响，本文进行了试验分析。本实验用纯度大于99%的Al和Zn及纯度大于99.5%的Fe-18Cu各200目。并结合试验需要，准备了最先进的试验机、混料机、显微镜等设备。本实验中，试样制备的工艺为：原料配料、混合压制加压烧结。为了保障试验的可靠性，对各项工艺参数进行了严格的设置，对各项材料性能也进行了专业的测试。

（二）. Al对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料组织和性能的影响

众所周知，Cu不仅导热性能好，而且抗氧化能力强，因此和铁质对偶件的相溶性比较小，因此铜基摩擦材料耐磨且结合平稳。但是，在高负荷条件下，铜基粉末冶金摩擦材料摩擦系数不稳定。因此，结合铁基与铜基材料的优点，研制新型的摩擦材料有非常重要的意义。

通过试验表明：

（1）Al 元素添加量对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料组织和性能有一定的影响。当添加量低于3%时，材料组织有 AlCu4新相生成，其基体组织也被细化，而且晶粒分布非常均匀。当添加量不断增加时，材料的力学性能也不断提高。试验表明，当Al 元素添加量为 2%时，基体力学性能最好，硬度达到95.5HB，抗压强度达到368Mpa。

（2）试验表明，当Al含量增加时，材料摩擦系数先呈上升趋势，而后又缓慢下降；当Al含量等于2%时，材料表面形成致密的薄氧化膜；当Al含量等于3%时，材料表面生成较厚氧化膜，而且容易剥落；此外，试验表明材料的磨损主要为犁削磨损。

（3）Zn对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料组织和性能的影响

Zn具有强化基体的功能，通过试验表明，Zn对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料组织和性能的影响如下：

（1）当添加0%-2%的Zn元素时，材料在显微镜下显示有FeZn3新相生成，添加Zn的材料组织孔隙率下降，晶粒细化；当Zn含量增加时，材料的抗压强度先呈上升趋势，后逐渐下降；当Zn含量为1%时，该材料硬度和抗压强度最佳，分别达到103HB和383MPa。

（2）当加大Zn元素的添加量时，材料的摩擦系数先下降后上升。在转速500r/min、Zn含量为1%时，摩擦系数为0.268；当转速1500r/min、Zn含量为1.5%时，摩擦系数为0.260；在转速为中速时，加入Zn元素的材料的磨损形式为氧化磨损；当转速为高速时，材料磨损形式主要是疲劳磨损以及磨粒磨损。

三. 结束语

铁基粉末冶金摩擦材料和铁质对偶件有较大的相溶性，所以容易在摩擦时拉伤对偶表面，甚至产生较深的沟槽，导致制动性能降低或不稳定。而铜基摩擦材料，不仅抗氧化性能较好，而且耐磨性好，但是铜基摩擦材料的制备成本较高。因此，要满足使用性能以及考虑经济成本，研发价格经济、性能又好的摩擦材料是当前市场备受关注的问题。本文主要结合新工艺和新技术，对铁铜基粉末冶金摩擦材料进行试验和研究，并且从物理性能以及力学性能等多方面来阐述研究结果，从而揭示Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料的组织结构和性能，为Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料的进一步应用与开发提供科学的资料【4】。

参考文献：

[1] 杨明.Al、Zn对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料组织和性能的影响[D].南京航空航天大学，2011.09（14）：117-118.

[2] 黄建龙，王建吉，党兴武，陈生圣，谢军太.铝含量对铜基粉末冶金材料性能的影响[J].与密封，2013，01（31）：156-160.

粉末冶金法的优缺点篇3

以党的十精神为指导，围绕省委“发展升级、小康提速、绿色崛起、实干兴赣”发展方针和市委“一二三四五”发展思路，以及我县“一三三三六”发展总体思路，突出产业招商、科技支撑、龙头引领、服务保障的招商工作理念，立足重大项目和优势产业带动，优化发展环境、培育新兴产业、吸引产业聚集，加快产业升级，提高企业核心竞争力，促进全县经济持续健康较快发展。

坚持一产抓龙头、二产抓聚集、三产抓提升的工作思路，围绕我县“二五五一”（到2020年，打造烟花鞭炮、粉末冶金等两个500亿元产业，先进机械装备制造、光电、建材、物流、文化旅游等五个100亿元产业）产业振兴工程工作目标，到__年，确保引进项目200个、签约资金150亿元，力争将__打造成全球最大的花炮产业基地、全国最大的粉末冶金产业基地、对接长株潭和赣湘边际经贸开放合作的前沿阵地。

——粉末冶金产业。积极构建“一基地、一展馆、三中心”，引进高等院校、科研机构共建粉末冶金先进制造研发中心、检验检测中心、孵化中心和科技展示馆，重点发展金属粉末制备、粉末压制与注射形成、粉末烧成、粉末冶金设备制造、粉末冶金模具制造、粉末冶金磁性材料和粉末冶金应用产品等，通过孵化培育小微企业、扶持壮大现有企业和引进新办大型企业，逐步形成粉末冶金先进制造特色基地。力争到2020年，粉末冶金产业集群主营业务收入达500亿元。

表略

——先进装备制造产业。抓住国家振兴装备制造业的重大政策机遇，围绕消费升级和能源结构调整带来的市场需求，依托现有装备制造企业，积极发展矿山机械、环保设备、输变电设备、汽车零部件等4大门类共25家企业，大力扶持鑫通机械、明兴环境工程、华鹏实业、赣西变压器、四方汽车等骨干企业做大做强，鼓励企业自主创新，突破企业发展关键技术，增强企业市场竞争力。力争到__年，装备制造产业企业达50家，主营业务收入达100亿元。

表略

——光电产业。依托现有光电产业基础，发挥科研优势，紧紧围绕光电子、软件及信息服务业三大领域，重点打造光显示、激光制作加工、光电装备制造三个产业链，加快引进战略投资者，壮大产业规模，促进信息技术应用，努力把科技优势转化成产业优势，建设省级乃至部级光电产业基地，打造我县新的支柱产业。力争到2020年，光电产业主营业务收入达100亿元。

表略

三、主要措施

（一）明确招商重点

树立宁缺毋滥的招商新理念，变招商引资为招商选资，拒绝带污染的GDP。重点围绕以休闲观光农业、农产品加工企业为主的农业产业项目，以装备制造、粉末冶金、光电产业为主的工业产业项目，以现代物流、宾招、房地产开发、观光旅游为主的三产项目进行招商，着力引进一批投资强度大、产业层次高、市场前景好、产业关联度大的高科技项目和龙头项目。瞄准上市企业、国企央企，用好国家及省、市最新出台的一系列鼓励、扶持政策，做好项目对接，争取资金支持，引进大项目落地。同时充分利用我县花炮产业的巨大影响力和产业优势，跳出传统“圈子”搞招商。对投资额5亿元以上特大型项目，按照一事一议方式，享受特殊的用地、财政税收扶持。尤其针对粉末冶金产业项目，实行工业用地特别优惠政策，对投资5000万元以上带动性强的龙头企业，前三年所交税地方所得部分全额奖励给项目方，支持产业做大做强。

（二）创新招商方法

一是围绕特色园区建设，实施“产业招商”。加大对已确立的主导产业和战略性新兴产业的研究力度，带动一大批上下游企业的发展，形成供需“上下游”的产业链条关系，吸引投资谋求共同发展，达到产业集聚和配套效应；二是围绕园区龙头企业，实施“以商招商”。依托现有的龙头企业，积极引导，认真组织，把更多的企业推向招商引资主战场，借助现有企业信息渠道、人脉资源，善于发挥“活广告”作用，通过他们的亲身感受推介__，牵线搭桥，以最小的成本获取最大的成果；三是通过与高校院所合作，开展“科技招商”。通过与高校院所举办产学研合作交流会等多种形式，进一步加强地方与央企及高校院所的合作，有力地推动县域经济创新发展。

（三）强化招商责任

招商引资工作是检验干部抓项目、促发展的重要标准，各乡镇、各部门要严格按照年度目标任务要求强化责任意识，切实加大工作力度，尽快制定招商引资工作方案，要求“一把手”亲自抓、分管领导具体抓，将任务落实到具体责任人和部门。对涉及多个部门的重点项目，要明确责任主体、细化任务，按照县委县政府的统一部署，落实目标责任制，做到信息项目尽快洽谈、在谈项目尽快签约、签约项目尽快开工、开工项目尽快投产、投产项目尽快见效。同时，严格实行招商引资工作奖惩机制。招商引资工作将作为全县干部年度考核、单位评先评优的一项重要指标。对招商引资工作任务完成较好或作出重大贡献的，县委县政府将予以公开表彰并奖励；对完不成招商引资目标任务的责任单位给予通报

批评，主要领导离岗招商直至完成任务。在年度目标综合考评中，招商引资工作排名未列入前5名的乡镇或前10名的部门取消评选年度考核综合一等奖的资格，该乡镇党委书记或部门一把手，不得评选为优秀党委书记或部门一把手。（各乡镇、各部门__—__年目标任务分解详见附表）（四）优化招商环境

一是简化办事程序，提高办事效率。对招商引资龙头项目审批实行“一站式”服务，落实限时办结制。二是加快推进“一园三基地”建设，完善水、路、电等基础设施建设，改善招商引资的硬环境；三是对引进和联络对接的项目，实行“一个项目、一名领导、一支队伍、一套方案、一抓到底”的工作机制，安排专人跟踪服务，认真解决项目建设过程中存在的困难和问题，积极创造条件促进项目早动工、早投产、早见效，努力形成引进一个、选好一个、带来一批的联动效应。

四、工作要求

粉末冶金法的优缺点篇4

【关键词】 SVM； 图像分类； 粉末冶金零件；多类分类器；

中国分类号：TP-92

0.引言

支持向量机（Support Vector Machine，SVM）是一种新的机器学习技术。该技术已经成为当前国际机器学习界的研究热点，有许多学者已将它引入到图像分类中来，并取得了较好的效果。粉末冶金（PM）也称为钢铁粉末。它和普通的机械零件的最大区别是用模具加工而成的，由于具有节能、省材、环保、经济、高效等诸多优点，所以被称为典型的近净型制造技术。随着我国粉末冶金零件制造技术的飞速发展，尤其是汽车工业的飞速发展，粉末冶金零件的品种越来越繁多，样式各异，因此对粉末冶金零件的自动检测分类也提出了更高的要求。但是由于传统SVM对于多类分类总是将其转化为多个两类分类问题，相应地需要构造多个两类子分类器，这样不但使得分类器结构复杂，而且分类速度很慢，无法满足生产线上实时分类的需求。本文正是针对粉末冶金零件的特点，研究适合该产品的多类分类器，提高产品分类的快速性和准确性。

1. SVM多类分类器

支持向量机最基本的理论是针对二分类问题。但是在实际应用中涉及的一般是多分类问题，就需要将原始的两类SVM转化为多类分类器。近年提出许多多类SVM分类算法，大多数方法的思路是：构建一系列SVM分类器，每个分类器用于识别其中两个类别，并将它们判别结果以某种方法组合起来实现多类分类[1].

常见的方法有一对一和一对多两种[2]。本文要实现3类不同粉末冶金零件的分类，因为类别不多，故采取一对一的方法。设训练集为T，待分类的零件共有3个类别，在其中找出3种类别的两两组和，共有 个，分别用这两个类别样本点组成两类问题训练集 ，然后用求解两类问题的SVM分别求得3个判别函数 。算法如下图所示：

2. SVM分类过程

本文在设计分类器的时候，所采用的软件就是LIBSVM 2.86[3]。LIBSVM属于SVM模式识别以及回归的一个软件包，它的特点是既简单、易于使用又快速有效。该软件不仅提供编译好的可在Windows 系列系统的执行文件，还提供了源代码，方便改进、修改以及在其它操作系统上应用。

目前，LibSVM已经成为国内应用最多的SVM的库，原因是它不但程序小，运用灵活，输入参数少，而且是开源的，易于扩展。

为了得到适合粉末冶金零件的分类器，本文在整个实验过程是按照以下流程进行的。如图2所示。

SVM分类器的输入是图像特征提取的输出文件，也就是图像的边缘方向直方图所包含的数据信息。本文选取3种零件各90幅样本图像进行训练，每幅图像对应一个40维的向量，用它作为分类器的输入。如图3所示：

图中第一列是训练样本的数量，第二列是零件类别的编号，每一行是任何一个训练零件图像的维数。

通过训练得到的SVM模型保存为文件*.model，用记事本打开其内容如图4所示：

下面对模型里面的内容作如下解释：

3.多类分类器的验证

为了更好的判断SVM模型效果，下面我们用以下8幅图片进行测试，如图5所示：

经过对以上8幅图进行测试，每幅图像分别用本文得到的SVM分类器进行分类测试，图像的相似度是由libsvm的置信度统计出来的，其结果如表1所示：

从表格中不难看出，a图和b图属于类型1，c图和d图属于类型2，e图和f图属于类型3，g图和h图看不出来属于哪一类。也就是说只要是粉末冶金零件图的话，它的分类概率就悬殊很大，直接可以分出属于哪一类了；但是如果是非零件图的话，它分类结果相差都不会太大，也就是说，很难分出属于哪一类。

4.结束语

通过测试可以看出明，本文得到的SVM多分类器的准确率是相当高的。经过试验验证，该分类器的识别率可以达到98%以上。所以，将此分类器用在生产线上对粉末冶金零件进行分类识别有一定的实用价值和相当深远的意义。

参考文献：

[1]李雪花； 许姜涤宇； 于安军； 杜宇人；. 基于SVM多类分类器的字符识别 [J].成都：信息技术，2016[1].

[2] WANG Zhe ，MENG Yun，ZHU Yujin.et al McMatMHKS：A direct multi-class matrixized learning machine[J].Knoeledge-Based Systems，2015，88：184-194.

[3] CHANG Chih-Chung，LIN Chih-Jen.LIBSVM： a library for support vector machines [EB/OL].（2008-04-08）[2008-12-22].http：//csie.ntu.edu.tw/～cjlin /libsvm.

[4]孟芸，王. 矩阵型多类代价敏感分器模型[J].华东理工大学学报（自然科学版），2016 （2）：119- 122.

[5]薛宁静. 多类支持向量机分类器对比研究[J]. 计算机工程与设计， 2011， Vol.32， 1792-1795.

[6]⒔啵贺振动，吴彰良，巩晓S.基于机器视觉技术的油封缺陷在线检测系统研究[J].仪表技术与传感器， 2016 （5）： 47-50.

[7]邵刚，屈保平，曹鹏，等.基于Hough变换的摄像机跟踪系统设计[J].测控技术，2013，32（8）：32-35.

[8]吴彰良，孙长库.基于图像处理的油封缺陷自动检测与分类识别方法[J].仪器仪表学报，2013，34（5）：1093-1099.

[9]杨金凤.机器视觉技术在空瓶检验系统中的研究与应用[D]. 硕士学位论文，山东大学，2008.

作者简介：张小洁（1978--），女，副教授，主要研究领域智能化制造与检测。E-mail：，电话：15619569155。

陕西工业职业技术学院科研基金项目，项目编号：ZK16-05。

粉末冶金法的优缺点篇5

不锈钢具有良好的耐腐蚀、综合力学性能等优点，一般采用熔工艺法生产，由于其切削加工困难，故由其制造的零件存在尺寸精度差、表面粗糙、易产生元素偏析、有缩孔和砂眼等不足，因此在不锈钢的加工制造中仍存在许多技术难题［1］。早在20世纪70年代，人们就开始采用雾化法制备不锈钢预合金粉，进而利用粉末冶金工艺制备出高性能的不锈钢［2］。粉末冶金不锈钢具有良好的力学、物理和化学性能，与传统熔炼工艺生产的不锈钢相比，生产的零件接近净成型、尺寸精度高、材料利用率高、组织结构均匀，使其在实际生产中具有较大优势，已广泛应用于机械、化工、船舶、汽车、仪器仪表等行业［3］。由于粉末冶金不锈钢内部会存在孔隙，其力学性能、耐磨性和耐腐蚀性都不及致密不锈钢的，从而较大地限制了其应用［4］。有研究表明，粉末冶金不锈钢几乎所有的性能都随着密度的增大而提高［5］。因此，如何提高粉末冶金不锈钢的密度，减少其孔隙度，从而提高粉末冶金不锈钢的性能，是研究者们一直探究的问题。以此问题为核心，作者综述了近年来国内外利用粉末冶金工艺制备不锈钢的研究进展，包括烧结理论、成形和烧结技术的进展及成分添加剂对其组织和性能的改善，并提出了今后研究应重点关注的方向。

1烧结理论的研究进展

烧结是粉末冶金制备不锈钢最重要的环节之一，它对不锈钢烧结体的显微组织以及材料的最终性能起着决定性作用。不锈钢粉体颗粒的烧结是物理、化学、物理化学和物理冶金等多种因素相互作用的复杂过程，其理论研究主要包括烧结的驱动力（热力学）和烧结机制（动力学）两个最基本的问题［6］。20世纪40年代，Krenkel发表了粘性流动烧结理论，并与Kuczynski创立了烧结模型；50年代Kuc－zynski、Kingery、Coble等提出了粘性及塑性流动、蒸发与凝聚、表面扩散和体积扩散等烧结理论，并提出了烧结动力学方程；在60年代，人们对烧结过程和机制进行了大量研究，如多种烧结机制进行了大量研究综合作用下的烧结动力学［6］。80年代后期，随着人们对烧结过程本质的了解和计算机模拟的发展，开始使用计算机对不锈钢烧结时的晶粒生长进行模拟，并建立了两球单元烧结模型［7］。

传统不锈钢烧结一般采用固相烧结，烧结温度一般为1100～1390℃［8］。其烧结过程如下：当粉体作规则堆积并加热至0．4T熔（T熔为不锈钢的熔点）时，由于原子热振动振幅的增大，颗粒接触处许多原子开始离开初始晶格点阵发生扩散，形成了颗粒间的初始金属结合；当烧结温度升高到0．5T熔时，颗粒凸出处自由表面上的原子开始向邻近颗粒的接触区迁移，形成烧结颈；随着烧结的进行，烧结颈长大，孔隙开始球化并缩小，使烧结体致密度提高、强度增加［6］。

然而，固相烧结时不锈钢内部残留大量孔隙，使其致密度和性能都较低。近年来，人们开始采用超固相线液相烧结（SLPS）使不锈钢预合金粉末在烧结时形成液相，液相通过流动填充孔隙进而提高烧结体的致密度和性能［9］。不同于普通的液相烧结，SLPS是对预合金粉的烧结，且在烧结过程中始终是单一相，烧结温度位于固相线和液相线之间，在该温度下预合金粉颗粒的晶粒内、晶界处及颗粒表面均形成液相，颗粒在液相毛细管力作用下实现重排，其表面曲率变化较大的地方将优先溶解，通过液相流动传质，在大颗粒凹陷处或孔隙处析出，达到快速传递物质的目的，从而使烧结体达到致密［10］。

在SLPS过程中，当孔隙被流动液相填充时，原液相处可能出现二次孔隙，但SLPS的液相是由晶界处的晶粒熔化产生，其形成的液相单元较小，使孔隙也相对较小，故SLPS可达到较高的烧结密度。Balaji等［11］发现在1400℃超固相线液相烧结时，得到316L不锈钢的致密度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性均高于1200℃下固相烧结的。然而，因SLPS烧结温度过高，会使晶粒过度长大，当温度接近熔点时，不锈钢制品发生软化，产生歪曲和变形，造成过烧。此外，从炉子维修、节约能源、经济效益等方面考虑，一般要求烧结温度不宜过高。

2成形和烧结技术的研究进展

2．1成形技术

粉末冶金不锈钢的成形一般采用室温模压成形。由于不锈钢粉体颗粒较硬且压缩性较差，其压制压力较铁基粉体的高，一般为400～800MPa［8］。为了改善压制性能，常在预合金粉中加入剂，其主要作用是减缓压制过程中粉体之间及粉体与模壁之间的摩擦、减小脱模压力和提高压坯密度，常用的剂有硬酯酸、硬酯酸锌、硬酯酸锂和石蜡等［8］。室温模压成形因压制压力过高，对压力机及模具的要求也较高，且烧结后的制品弹性后效严重、密度低，且只能制备形状简单的零件，所以又开发了新的成形技术，如温压成形、金属注射成形、凝胶注模成形等来改善不锈钢粉的压制性并提高压坯密度［4，12－13］。

温压成形是将粉体和特殊的剂混合并加热至一定温度后在加热的模具内压制成形［12］。相比于冷压成形，它可以用较低的压制压力获得较高的压坯密度和强度，此指标可分别提高0．15～0．3g•cm－3和50％～100％，且可降低弹性后效［12］。温压工艺之所以能使生坯密度增加，其一是由于温压降低了粉体的加工硬化速率，从而使粉体的塑性变形增强，进而提高生坯密度；其二是由于剂的作用，当剂熔点较高时，它在温压温度下呈半固态，其液相成分会由颗粒间界流入孔隙，从而增加颗粒的接触，而当剂熔点较低时，它将全部熔化并从压坯中流出，起到模壁的效果，从而降低了脱模压力［14］。曹顺华等［15］研究了420不锈钢粉的温压工艺，在粉体温度为90℃，模具温度为120℃的条件下，当压制压力为784MPa时，相比冷压成形，其压坯密度提高了0．2g•cm－3。然而，由于温压成形的不锈钢零件密度较高，可能导致封闭孔中的聚合物裂解后很难挥发，进而使得其在预烧时产生缺陷，所以预烧时聚合物的脱除是温压成形的关键。

金属注射成形（MIM）是一种接近净成形的粉末冶金成形技术，它是将金属粉体或预合金粉体与有机粘结剂按一定比例并在一定工艺条件下混合成均匀的粘弹性体，经注射机注射成形，然后脱除粘结剂，最后烧结成高性能的粉末冶金制品［4］。它适合生产形状复杂的零件，其尺寸精度可达±（0．3％～0．5％）［16］。同时，它能够克服常规模压成形－烧结制品密度低、力学性能差的缺点，烧结密度可达理论密度的95％～99．5％［17］。Sung等［18］将17－4PH不锈钢粉和粘结剂按质量比60∶40的比例在行星式混料机中热混1h，然后在29．4kN•cm－2的注射压力下注射成形，经热脱脂后于氢气气氛中烧结，当烧结温度从900℃提高至1350℃，其烧结试样的相对密度从61％提高到了99％，抗拉强度也随着烧结体中气孔的球化、缩小和消失而不断提高。然而，由于金属注射成形过程中剂含量较高，需要专门的脱脂工艺，使成本大大提高。

用传统模压成形制备的不锈钢制品，因孔隙率高而使其力学、耐腐蚀和表面等性能均较差，且只限于生产形状简单的零件，而金属注射成形虽能使不锈钢零件达到净成形，但很难实现大尺寸且形状复杂零件的制备。凝胶注模成形技术（GelCasting）是继注射成形之后发展起来的又一种近净尺寸成形技术，它是将高分子化学单体聚合的方法引入到粉体的成形过程中，通过制备低黏度、高固相含量的浓悬浮体，可净成形获得强度高、均匀性好的坯体［13］。张建伟等［19］利用凝胶注模成形技术，分别用天然琼脂和聚丙烯酸作凝胶体和分散剂，在优化工艺条件下，成形出的浆料可烧结制备形状复杂的316L不锈钢制品，其烧结体的屈服强度达138MPa。然而，在制备不锈钢金属粉体时，由于其颗粒直径和密度较大，使其容易在悬浮液中沉淀，进而导致浆料凝聚和胀性流动，难以制得高浓度悬浮料浆。此外，此工艺在浆料凝胶成坯后会产生翘面、变形、装卸转运难等问题。

2．2烧结技术

真空／气氛烧结是制备粉末冶金不锈钢最常用的烧结方法。在烧结过程中，选择真空、还原性或惰性保护气氛是为了避免氧化、脱碳、渗碳等的发生，保护气氛除了可以控制压坯与环境之间的化学反应外，还可以排除剂中的分解产物［8］。姜峰等［20］研究了烧结气氛对316L不锈钢性能的影响，发现由于氮气露点较氢气和氩气的高，导致粉体烧结时水分和氧含量高，其氧化膜的产生阻碍了烧结颈的形成和原子扩散，在液相形成时包围液相颗粒阻碍液相流动，使烧结体的致密度较在氢气和氩气中低，但由于氮的固溶强化作用使其强度和硬度均高于在氢气和氩气中烧结的。目前，基于粉末冶金工艺制备不锈钢的烧结方法还有压力烧结、放电等离子烧结、微波烧结和激光烧结等［21－24］。

压力烧结是在对粉体压坯加热的同时也对其施加压力，其物质的迁移可以通过位错滑移、攀移、扩散、扩散蠕变等多种机制完成［21］。该工艺可获得比常压烧结晶粒更细、更致密的烧结体，人们常用热等静压（HIP）、低压热等静压烧结制备高性能的不锈钢。Kim等［25］在烧结温度为1125℃时，分别用50，100MPa的压力对不锈钢工件进行热等静压烧结，研究证明烧结时的压力加速了液相的流动和颗粒重排，压力越大，其致密化速率越大，经热等静压烧结后的不锈钢产品接近完全致密。然而，经热等静压处理的产品由于体积收缩容易发生畸变，会使其尺寸精度变差。

放电等离子烧结（SPS）是一种新型的烧结技术，它是直接将直流电施加于试样上加热，具有很高的升温和烧结速率，可以保证粉体在短时间内实现快速烧结的同时获得细小、均匀的组织［22］。张鑫［26］利用机械合金化制备了超细晶高氮304不锈钢粉，并采用放电等离子烧结技术对其进行烧结，发现在烧结过程中，颗粒间的放电对初始粉体有净化、活化的作用，从而有利于活化晶界和晶格扩散而抑制表面扩散，进而促进了不锈钢的烧结致密；当烧结温度为900℃、压力为50MPa时，烧结不锈钢试样的硬度和抗拉强度分别达460HV和557MPa，比普通304不锈钢的分别提高了近200HV和250MPa，且耐腐蚀性能也有所提高。故放电等离子烧结虽然成本相对较高，但对于制备超细晶烧结不锈钢仍具有一定的研究价值。

微波烧结是利用微波电磁场中材料的介质损耗使烧结体整体加热至烧结温度而实现致密化的快速烧结技术［23］。在烧结过程中，微波烧结可以快速跳过表面扩散阶段，使晶粒来不及长大就完成致密化并快速冷却，因而它对于控制烧结过程中晶粒的长大是一种比较有效的方法［27］。Panda等［28］经研究发现，在2．45GHz微波炉内以45℃•min－1的速率升温至1400℃对434L不锈钢进行微波烧结，相比于传统烧结法的烧结时间缩短了近90％，且致密度有较大提高。尽管微波烧结能抑制晶粒的过度长大，但由于烧结后残留有一些不规则大孔洞，使其硬度、强度和伸长率都低于传统烧结的。

选择性激光烧结（SLS）是将三维数值模型分解成一系列二维层片结构后由计算机控制激光束移动，在逐层烧结的粉体上建构三维实体的快速成形技术［24］。其作为一种新型粉末冶金成形技术，能够自由成形，无需模压过程，使得产品开发时间大大缩短［29］。张永忠等［30］采用SLS技术制备的316L不锈钢组织致密、成分均匀，具有快速凝固组织特征，其力学性能与铸造及锻造退火态的相当，可直接满足使用要求。但该法需要昂贵的激光烧结设备，生产成本比较高。

3成分添加剂对组织和性能的改善

3．1合金元素的添加

为了降低粉末冶金制备不锈钢的成本，同时提高其致密度和性能，通常在粉体中添加某些低熔点的合金元素，通过其在烧结时形成的液相大大降低其孔隙率，从而使不锈钢满足更高的性能要求，这些合金元素主要有铜、锡、硼、硅等。Uzunsoy［31］在304不锈钢粉中添加2％～8％（质量分数，下同）的铜基合金，由于铜的熔点较低，在960℃时就开始形成液相，到1000℃时全部形成液相，当温度高于铜的熔点时，液相的流动使得表面气孔不断球化和缩小；通过显微分析发现，由于铜对不锈钢基体有较好的润湿性，可均匀分布在不锈钢基体中，使得烧结体的气孔显著减少，显微硬度也明显提高；在添加量为8％时，分别于1250℃和1350℃烧结后的密度分别提高至6．95g•cm－3和7．05g•cm－3。Coovattanachai等［32］在316L不锈钢粉中加入2％～6％的锡粉和锡合金粉，于氢气中在1300℃烧结45min，随着添加量的增加，其液相的形成逐渐增多使致密度逐渐提高，但其晶粒也有一定长大；其力学性能受致密度和晶粒长大两方面制约，在添加量为4％时其强度和硬度最高，但由于其在晶界上形成了固体锡和锡合金相，使伸长率有所下降。zkan［33－34］研究了添加NiB对17－4PH沉淀硬化马氏体不锈钢显微组织、致密度、力学性能和耐磨性的影响，结果发现，由于NiB的加入，在1161～1175℃发生了共晶反应，其液相在铁中的溶解度极低，包围在固相晶粒周围，形成了典型的液相烧结；随着NiB含量的增加，气孔逐渐减少且逐渐球化，当添加NiB的质量分数为1％时，在1280℃时烧结45min后其共晶液相完全包覆在固相晶粒周围，使烧结体几乎达到完全致密，其抗拉强度和硬度分别达到1402MPa和52．3HRC，相比于传统金属注射成形17－4PH不锈钢的分别提高了43％和53％；并且磨损质量损失和磨损速率也有所减小，耐磨性相比传统金属注射成形17－4PH不锈钢的提高了近49％。邱伟刚等［35］在316L奥氏体不锈钢粉中添加40％（质量分数）硅后，相同温度下由固相烧结变为部分液相烧结，其烧结密度较单相奥氏体的提高了近12％，孔隙率明显降低。由于硅为铁素体稳定元素，其组织变为α、γ双相不锈钢，其拉伸断裂形式由单一的穿晶断裂变成了穿晶断裂和解理断裂组合的混合断裂形式，明显改善了力学性能，其抗拉强度达到541MPa，伸长率达23．4％，接近冶炼316L不锈钢的水平。

3．2强化相的添加

通过添加强化相来进一步改进粉末冶金不锈钢的性能，特别是力学性能越来越受到人们的重视，这些增强体相主要有氧化物、碳化物、氮化物和金属间化合物等。Tiwari等［36］在434L不锈钢中添加了5％YAG（钇铝石榴石，化学式为Al5Y3O12或AlYO3，是由Y2O3和Al2O3反应生成的一种复合氧化物），在超固相线液相烧结时YAG均匀分布在不锈钢的晶界处，产生了弥散强化，并且抑制了烧结体晶粒的长大，孔隙也逐渐球化并变得更小，由于YAG和Cr2O3之间的交互作用形成了耐腐蚀性较强的氧化物，使得不锈钢耐腐蚀性在没有明显降低的情况下，强度、硬度和耐磨性都有所提高。Abenojar等［37］在316L不锈钢中分别添加了体积分数为1．5％和3％的SiC增强相，研究发现，由于SiC和不锈钢基体之间的交互作用，形成了低熔点的Fe－SiC相，提高了烧结体的致密度，其硬度和耐磨性也均有所提高，当SiC的添加量为3％（体积分数）时，其耐磨性最好，但耐腐蚀性有所降低。Farid等［38］研究了添加Si3N4对465不锈钢显微组织和力学性能的影响。结果表明，在1300℃烧结60min时，随着Si3N4添加量的增加，烧结体致密度随之增加，当Si3N4的质量分数超过2％时，多余的Si3N4在不锈钢基体中分解为硅和氮，使得基体中的氮含量超过其固溶极限而使过多的氮从基体中析出并留下气孔，从而使烧结体的致密度和抗拉强度降低；当Si3N4的质量分数为2％时烧结体的力学性能最好，其抗拉强度和硬度分别达到1011MPa和21HRC。Balaji等［39］研究了Ni3Al和Fe3Al两种金属间化合物的添加对316L不锈钢性能的影响，由于在高温时不锈钢基体和铝化物界面存在相互扩散，使得在超固相液相烧结时其致密度并没有降低，当这两种铝化物添加5％时，在没有明显降低耐腐蚀性的情况下，改善了强度和耐磨性。

粉末冶金法的优缺点篇6

摘要：阐述了采用激光熔覆进行表面改性的研究进展，主要从激光熔覆提高基体材料的耐磨、耐蚀、抗氧化性等方面进行介绍。并将其与传统的热喷涂表面改性方法进行了对比。同时介绍了激光熔覆技术的应用现状。总体而言，激光熔覆层与基体呈冶金结合，结合强度高；熔覆层的厚度可控制；激光熔覆层气孔少、组织致密。

关键词：激光熔覆；表面改性；耐磨性

激光熔覆是一种涉及物理、冶金、材料学等领域的材料加工与表面改性技术，其技术手段是通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束使熔覆材料及基材表层一起熔凝，形成与基材表面为冶金结合的表面熔覆层[1]，在制备耐磨、耐蚀、抗氧化、热障涂层方面都获得了一些成功的应用[2-4]。激光熔覆是一种非常重要的材料表面改性技术，经济效益较高且发展迅速。它可以使廉价的低性能金属表面具有贵重的高性能合金表面的性能，以降低材料的成本，减少能源消耗，提高金属零件的使用寿命[5-7]。激光熔覆技术始于20世纪70年代，1976年美国的DSGnanamuthu获得了激光熔覆一层金属于另一种金属基体上的熔覆方法专利。1981年，公司利用激光熔覆，在发动机叶轮片上熔覆钴基合金，提高了其耐磨性。经过30余年的发展，激光熔覆已成为材料表面工程领域研究的热门课题，被广泛地用于航空航天、石油、化工、冶金、电力、机械、模具等领域[8]。本文从激光熔覆技术改善基体耐磨、耐蚀、抗氧化性等性能方面进行了阐述，通过与热喷涂技术的对比得到了激光熔覆技术的优势并介绍了激光熔覆技术目前的应用现状和发展趋势。

1激光熔覆改善基体性能研究

不锈钢、钛合金等金属由于在特定条件下耐磨性、耐蚀性差等缺点制约其在工业工程中的应用。利用激光熔覆技术可在这些金属基体上制备出耐磨、耐蚀、抗氧化、热障涂层和具有一些特殊性能的表面熔覆层。

1.1激光熔覆改善基体耐磨性研究

钛及其合金被广泛的应用于航天、航空、化工和生物医学领域，由于其具有优异的综合性能，如高的强度质量比、优异的耐腐蚀性、良好的热导率以及生物相容性。然而，钛合金的摩擦学性能差，尤其是在高温时摩擦系数大，限制了其应用范围[9-10]。因此有很多学者对增强钛合金的耐磨性做了大量研究。石墨、二硫化钼等常见的固体剂具有极易滑动的解理面，受到剪切力时易发生晶间滑移，滑动过程中的摩擦系数较低。杨胶溪等[11]利用激光熔覆技术在TC4基材表面制备TC4/Ni/MoS2复合材料。研究了室温和400℃下激光熔覆层的耐磨性。得出结论：在400℃下，由于MoS2的自性能，复合涂层的摩擦系数达到0.06；涂层的磨损量显著减少，比基体降低了将近10倍。但是这类固体剂在高于450℃时发生氧化，性能会很快失效。而hBN由于具有良好的高温稳定性和性，而且硬度较高，摩擦过程中不易破碎，在温度高于400℃时被广泛应用。

任佳等[12]以Ni60和hBN为原料，采用激光熔覆在钛合金（Ti6Al4V）基体上制备出了以镍基固溶体为增韧相，TiC、TiB2、CrB等为耐磨增强相，hBN为固体剂的自耐磨复合涂层。研究了以Si3N4陶瓷球为对偶件不同载荷下的干滑动摩擦磨损性能。结果表明：涂层硬度提高，由于碳化物硼化物硬质相的存在，降低了涂层与对偶件的粘着倾向，使复合涂层具有较低的磨损率。同时hBN在力的作用下铺展于摩擦表面使摩擦副之间形成了转移膜，保持力学性能的同时降低了涂层的摩擦系数。吴少华等[13]利用激光熔覆在钛合金基体上制备了酌-NiCrAlTi/TiC/CaF2自耐磨复合涂层，研究了钛合金和复合涂层在室温和高温（300、600℃）下的摩擦学性能。结果表明：复合涂层以镍基固溶体为增韧相，碳化物为增强相均匀分布于涂层中，复合涂层硬度大大提高，在室温下具有较低的摩擦系数，高温下表面生成的氧化膜起到了作用。XiaoLongLu等[14]利用激光熔覆技术在Ti6Al4V基体上制备出了Ni60-hBN涂层。研究了在5N载荷下不同温度、hBN含量不同时涂层的摩擦学性能。

结果表明：镍基增韧相在高温时变软，与硬的Si3N4球配副时发生粘着磨损，涂层的摩擦系数较高。在加入hBN后生成的TiB2、TiC相和hBN固体剂共同作用下改善了其摩擦学性能。以上的研究表明，硬质相的生成可提高涂层的硬度。可以外加硬质陶瓷相提高硬度以减少摩擦表面的粘着磨损从而降低摩擦系数，但是在重载作用下陶瓷颗粒可能会脱离基体，相容性较差。因此现在的研究大都通过与熔池中的元素反应原位生成增强相，起到强韧复合涂层的作用。少量六方氮化硼hBN的加入使涂层在高温（>400℃）时具有良好的耐磨性；而金属氟化物在高温下也有优异的摩擦学性能；MoS2的加入使其在中温下有显著地自性能，降低了涂层的摩擦系数。在今后的研究中学者可以同时复配低、中、高温段固体剂，这样在一个很宽的温度范围(25℃～1000℃)内涂层材料的摩擦磨损性能可能会大大提高。此外还有学者对其它金属基体的耐磨性做了大量研究。

ShitangZhang等[15]采用激光熔覆在1Cr18Ni9Ti基体上制备了Ni/hBN涂层，并与Si3N4陶瓷配副。研究了100N载荷下从室温到800℃下的摩擦学特性。研究发现随着温度的升高，摩擦系数呈下降趋势，当温度为800℃时，摩擦系数最低为0.25；600℃时磨损率最小为0.1伊10-7g/Nm。总的来说，激光熔覆镍基合金并添加一定的剂可在提高硬度保证材料力学性能的同时有效降低基体的摩擦系数和磨损率。激光熔覆材料除镍基粉末外还有钴基、铁基、陶瓷粉末。有学者在不锈钢表面激光熔覆Co基、Fe基合金粉末，使基体的硬度和耐磨性提高，同时也改善了其在特定环境中的耐腐蚀性。但是Co基合金成本较高，Fe基合金中Cr元素含量较低，其抗氧化性差。陶瓷粉末由于具有好的耐磨、耐腐蚀、抗氧化、耐高温性也常被用来制作高温耐磨涂层。此外，激光熔覆专用粉末的开发也成为了当下的发展趋势，在保持材料硬度的情况下有效的降低了熔覆层的开裂问题。

1.2激光熔覆改善基体耐蚀性研究

在特定的环境中，比如海洋环境、酸碱溶液中，零件表面的失效形式主要是腐蚀，这就导致了零件报废甚至整个机器的故障。腐蚀给造成的经济损失惨重，故在特定环境中对零部件的保护尤为重要[16]。杨宁等[17]在45钢基体表面制备出了VC-WC-W2C颗粒增强镍基熔覆层，涂层厚度0.8～1.0mm，并采用静态浸泡法研究该熔覆层在10%H2SO4溶液中的腐蚀性。得出结论：不同V2O5垣WO3垣C含量的镍基熔覆层在硫酸溶液中的耐蚀性均较好。杨晓红等[18]利用同步送粉法，在45钢表面激光熔覆Ni35合金粉末。研究了在3.5wt%NaCl溶液中，45钢基体与Ni35熔覆层的电化学性能。结果表明：在NaCl溶液中，Ni35熔覆层的腐蚀电位为-0.896V，基体的腐蚀电位为-1.006V，熔覆层的自腐蚀电流密度为1.096A/m2，基体自腐蚀电流密度为1.685A/m2，耐腐蚀性较基体大大提高且腐蚀速率要低于基体。郭士锐等[19]在不锈钢基体上激光熔覆Co基合金。利用气蚀装置对熔覆后的试样和基体进行分析。经激光熔覆后的试样表面抗气蚀性能较基体提高了2.7倍，气蚀累计质量损失仅为基体的36.8%。综上，激光熔覆耐蚀涂层以Ni基自熔合金或不锈钢及以它们为基的金属陶瓷复合涂层材料为主，具有优良的抗腐蚀性能。此外，由于稀土或稀土氧化物可以细化晶粒、改善基体的抗腐蚀能力，同时还可以提高涂层与基体的结合强度，降低涂层孔隙率。因此，学者可以通过激光熔覆技术制备含稀土氧化物的复合涂层以提高耐腐蚀性能。

1.3激光熔覆改善基体抗氧化性研究

韦子运等[20]采用NiCoCrAlY合金粉末在GH4037合金表面激光熔覆制备了纳米SiC颗粒增强Ni基合金涂层，进行了高温抗氧化性试验。试验发现加入适量纳米SiC颗粒涂层在高温时氧化增重比未加入SiC缓慢，这是因为激光熔覆层致密的氧化膜提高了抗剥落能力。张松等[21]在2Cr13钢表面激光熔覆钴基稀土合金涂层时，将稀土元素钇加到熔覆层中，熔覆层经氧化处理增重是未加钇的1/4。由此得出，加入钇明显地改善了熔覆层的高温抗氧化性能。ZhangXiaowei等[22]在Ti6Al4V基体上激光熔覆Ti/AlN混合粉末生成TiN/Ti3Al复合涂层。研究了Ti、AlN在不同的摩尔比下，600、800℃时涂层的抗氧化性。实验表明当Ti、AlN摩尔比为4:1时，涂层表面更均匀致密；在此摩尔比之下，600℃时涂层的相对抗氧化性为6.83，800℃时为1.94，相比于基体的1.0，其抗氧化性大大提高。总的来说，为了提高高温抗氧化性能，热障涂层是目前的发展趋势，它是以MCrAlY为连接底层，M代表铁、钴、镍三种金属中的一种或两种，以ZrO2为表面隔热层，兼有良好抗热腐蚀性能和隔热性能。为了提高其稳定性，也加有适量的氧化钇、氧化镁或氧化钙。越来越多的学者研究金属/陶瓷梯度涂层作为隔热涂层运用在工业中。这种功能梯度涂层使元素含量逐层改变，减小了熔覆层材料和金属基体之间的膨胀系数、润湿性等方面的差异，降低了裂纹的产生。

2激光熔覆与热喷涂法的比较

热喷涂技术是表面改性技术的重要组成部分之一，它是利用热源将喷涂材料加热熔融或软化，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面，制造一个特殊的工作表面(厚度为十微米至百微米级)，使其具有耐磨减摩、抗氧化、隔热、绝缘、导电等一系列多种功能[23]。冯旭东等[24]在Q235基体上利用火焰喷涂法制备了Ni25合金涂层，再采用激光熔覆重熔涂层，通过SEM观察得到激光熔覆层质量良好，基本无裂纹和气孔，组织致密晶粒细小；而热喷涂层有明显的孔洞，结合界面的质量差。激光熔覆层的硬度明显高于热喷涂层的硬度。马文有等[25]在铜合金表面先等离子喷涂镍基合金粉末，再进行激光重熔，在室温时以45钢为对磨件进行销盘磨损试验。

结果表明：热喷涂层近似呈层状结构，结合不致密，并有少量孔洞及裂纹出现，热喷涂层的耐磨性提高了5倍，经重熔后缺陷消失，与基体呈冶金结合，耐磨性提高了10倍。李刚等[26]在38CrMoAl基体上分别用激光熔覆与氧乙炔火焰喷涂制备NiCrBSi+25%WC合金涂层。通过对比可知激光熔覆涂层致密无气孔、熔覆层对基体的热影响较小且基体上存在弥散相，涂层的耐磨性大大增加；相反热喷涂涂层中有气孔、夹杂缺陷，涂层对基体的热影响较大，容易引起基体工件的变形，硬度也稍低于激光熔覆层。与热喷涂技术相比可知，激光熔覆层与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，涂层强度较高，不易使工件变形，而且目前大力开展的梯度涂层可以设计涂层的成分和结构。除了上述优点外，还有学者研究发现：该技术存在的一些问题，熔覆层的质量不易控制，表面会产生裂纹，所以这就要求熔覆层与基体材料的热膨胀系数要无限接近，虽然可以通过预热及后热的方法减少裂纹，但是该方法不能从根本上改善此问题，因此很多学者研究开发专用的激光熔覆材料。熔覆工艺参数不易控制，很多学者也通过大量实验来寻找使基体达到最好性能时的熔覆功率、扫描速度等，可通过计算机模拟来节省试验时间。同时对激光熔覆成型理论的研究尚须进一步完善，熔池固液界面的温度梯度及冷却速度对材料组织和性能影响较大，因此对熔池尺寸和温度的模拟也成为当下的研究热点。

3激光熔覆技术的应用现状

随着工业技术要求的发展，对发动机叶片、轴类零件、齿轮类零件等的工作温度环境要求也越来越高，零件失效和报废的速度越来越快[27]。如果可对表面损伤的零件进行修复，可以提高零件的利用率、减少经济损失。由于激光熔覆技术具有一系列优良的性能，因此该技术被广泛地用于零部件的修复中。张松等[28]将激光熔覆技术应用于鼓风机叶片表面的强化。即在15MnV钢叶片上激光熔覆镍基WC合金粉末，得到的涂层组织致密均匀，与基体结合良好，耐磨性和耐腐蚀性大大提高。经实际运行试验，原15MnV钢叶片运行总时间为800h，激光熔覆处理的叶片运行总时间不低于3200h，寿命提高了4倍以上。宫新勇[29]对受损TC11钛合金整体叶片盘的断裂叶片实施激光熔覆沉积修复。修复后的叶轮经仿形加工、无损检测、动平衡校验、超转试验后,最终实现了装机应用。罗奎林等[30]对航空发动机大型风扇机闸静子叶片采用单道多层熔覆工艺进行修复。结果表明熔覆区和母材结合良好，界面无冶金缺陷；激光熔覆层显微硬度平均比母材高15%；对修复后的风扇机匣经发动机400h长期试车后进行清洗、分解、故障检查，未发生掉块现象，熔覆质量高。马向东等人[31]采用Fe901铁基合金对Crl2淬火失效模具进行激光熔覆修复，使其具有较高的硬度、耐磨性和抗冲击性能，实际效果良好。

TaberneroI[32]对粉末和激光束的相互作用、熔池的创建等进行了模拟，最终利用激光熔覆技术对GGG70L冲压模具进行修复。刘建永[33]利用机器人激光熔覆技术对覆盖件拉深模进行了局部熔覆强化，取得了较好效果。JXiong等[34]利用激光熔覆对热轧机机壳进行修复，减少了轴承的磨损，提高其使用寿命。刘长生[35]通过激光熔覆镍基合金粉末对压缩机转子轴颈进行修复重建，运行显示各项指标均正常，并用便携式震动检测仪进行了检测。结果表明，修复的转子振动小于双振幅，转子与轴承的接触良好，运转平稳磨损正常。陈曦[36]对采煤机大齿轮采用单道激光熔覆Ni合金粉末进行修复再制造，并利用显微硬度仪、摩擦磨损试验仪及扫描电镜等检测装置对熔覆层表面进行组织检测。经修复，齿轮表面硬度满足要求；磨损率优于原材料。检测结果基本满足目标需求。目前，有学者利用激光熔覆在钛合金基材上制备具有生物活性陶瓷的羟基磷灰石，并将此植入人体引导诱发骨细胞的生长，其在生物医学领域的应用意义非凡。随着野中国制造2025冶发展规划的不断推进，激光熔覆技术将广泛应用于航空航天、电力行业、石油勘探、煤炭开采以及梯度功能零件的修复再制造中，并产生巨大的经济效益。

4结语

本文从激光熔覆改善基体材料性能、与热喷涂对比的优势以及其在零件修复中的应用三个方面对激光熔覆技术进行表面改性的研究进展加以综合阐述，得出结论：激光熔覆层与基体呈冶金结合；能进行选区熔覆，材料消耗少；绿色环保等特点被广泛用于金属的表面改性中。因此在未来的发展中，对激光熔覆的技术要求也会越来越高，学者可从以下几个方面进行深入研究：（1）熔覆工艺的优化。针对熔覆层表面开裂的问题，设计复合涂层和梯度功能涂层是未来的发展方向。研究熔池的温度场分布，熔覆层内发生组织变化的过程，来进一步完善熔覆工艺。（2）开发大功率的激光器。目前大部分激光器的功率较小，导致只能熔覆较小面积的工件，今后学者可以开发大功率的激光器，使熔覆面积扩大。（3）计算机模拟的应用。利用计算机模拟熔覆工艺过程可获得最佳的工艺参数，这样节省了通过大量试验寻求最优性能的时间。

参考文献：

粉末冶金法的优缺点篇7

[关键词] 数控机床 刀具 材料 创新设计 效益

数控刀具是指与先进高效的数控机床相配套使用的各种刀具的总称,是数控机床不可缺少的关键配套产品。数控加工刀具以其高效、高速、耐磨、长寿命和良好的综合切削性能取代了传统的刀具,已逐步标准化和系列化。近年来,快速发展的数控加工促进了数控刀具的发展。每当一种新型数控刀具产品问世,都会使数控加工技术跃上一个新台阶,产生巨大的经济和社会效益。世界各国都十分重视数控刀具的研究开发。

一、数控刀具材料的新发展

进入21世纪以来,随着制造技术的全球化趋势,制造业的竞争更加激烈,对制造技术必然带来巨大的挑战,首当其冲的是切削刀具的变化,为了适应高精化、高速化、自动化、多功能化、高生产率化,缩短交货期等要求,要求切削刀具材料的强度和韧性要高,具有寿命长、高可靠、耐高温、耐破损、抗氧化和抗冲击等特点。特别为了适应当前对环境保护的要求,提出了条件苛刻的干式切削。切削刀具的设计和制造等方面日新月异,不断推陈出新。数控刀具材料的发展主要体现在刀具的切削性能大幅度提高以适应各项切削技术要求。数控刀具的分类有多种方法,按刀具材料分类有金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬质合金刀具、涂层刀具。超细晶粒硬质合金、粉末冶金高速钢刀具等。

1.超硬刀具

超硬材料是指人造金刚石和立方氮化硼(简称CBN),以及用这些粉末与结合剂烧结而成的聚晶金刚石(简称PCD)和聚晶立方氮化硼(简称PCBN)等。超硬材料的出现,不仅在高速切削上起到了突破性的作用,更重要的是能够适应了较难加工材料的切削需要。

(1)聚晶金刚石(PCD)刀具

聚晶金刚石(PCD)刀具是通过金属结合剂等金刚石微粉末聚合而成的多晶体材料,在烧结过程中由于结合剂的加入,使PCD晶体间形成以Co、Mo、W、WC和Ni等为主要成分的结合桥,其作用是牢固的把持金刚石,并且使PCD硬度和韧性大幅度提高,增加耐性、提高切削效率。由于天然金刚石价格昂贵、在很多场合下天然金刚石刀具已经被人造聚晶金刚石刀具所代替。PCD刀具是精密加工有色金属及其合金、陶瓷、玻璃材料、石墨等非金属材料的最佳刀具。目前铝合金等产品零件已经无法离开这类刀具。

(2)CVD金刚石渡膜涂层刀具

CVD金刚石是指用化学气相沉积法在异质基体上合成金刚石膜,基体材料可以是硬质合金或陶瓷等。CVD金刚石具有与天然金刚石完全相同的结构和特性。具有超硬耐磨性和良好的韧性。目前,CVD金刚石渡膜涂层数控刀具多用于航空、航天、汽车及电子信息技术行业。对于高强度铝合金、纤维金属层板、镁合金、石墨、陶瓷等零部件进行加工,达到了高速、高寿命、干式加工技术要求。

(3)立方氮化硼(CBN)刀具与聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具

立方氮化硼(CBN)是自然界中不存在的物质,有单晶体和多晶体之分,既CBN单晶和聚晶立方氮化硼(PCBN)。CBN是氮化硼(BN)的同素异构体之一,由于CBN与金刚石在晶体结构上的相似性,决定了它与金刚石相近的硬度,又具有高于金刚石的热稳定性和对铁元素的高化学稳定性。PCBN是在高温下将微细的CBN材料通过TiC、TiN、AL、Ti等结合相烧结在一起的多晶体材料,是目前利用人工合成的硬度仅次于金刚石刀具材料,它与金刚石统称为超硬刀具材料。不同CBN含量的PCBN数控刀具,可用于车、镗、铣、铰、复合孔等加工过程以及某些较难加工材料,被加工材料的硬度越高越能体现PCBN刀具的优越性。

2.新型陶瓷刀具材料

陶瓷刀具是最具有发展潜力的数控刀具之一。

(1)梯度功能陶瓷刀具。

梯度功能陶瓷刀具是指组分、结构和物理力学性能呈合理梯度变化的陶瓷刀具,其主要目的是缓解陶瓷刀具在切削过程中刀具内的机械应力、热应力,提高抗震性和可靠性。梯度功能陶瓷刀具的物理力学性能和可靠性比普通均质陶瓷刀具有大幅度的提高,而且速度越高提高越显著。山东大学采用湿法工艺分散混料、粉末叠层填充、轴向热压烧结工艺,研究开发成功两种梯度功能陶瓷刀具材料FG-1和FG-2。切削试验结果表明:FG-1抗磨损和破损能力比组分相同的均质陶瓷刀具提高30%～50%。FG-2在切削淬硬工具钢T10A时刀具寿命比组分相同的均匀陶瓷刀具提高50%～100%。

(2)陶瓷―硬质合金复合刀片

陶瓷―硬质合金复合刀片是指将陶瓷和硬质合金通过烧结的方法结合在一起而得到的新型刀具材料,复合刀片的表层为陶瓷材料,下层或中层为硬质合金。它将陶瓷和硬质合金的优良性能结合起来,陶瓷―硬质合金复合刀片能承受更大的弯曲载荷。利用底层硬质合金与刀杆焊接,可以解决陶瓷刀具难焊接的问题。研究表明:复合刀片接口结合类型为化合物型和扩散型的混合,界面附近硬质合金中Co和W向陶瓷材料中扩散,陶瓷中的Ti向硬质合金中扩散,界面附近形成了Co3W3C、Al18B4O3和TiC几种新相,提高了界面结合强度。陶瓷―硬质合金复合刀片的抗弯强度可达800～1000Mpa,其抗破损能力比普通陶瓷刀具提高30%以上。

(3)粉末表面涂层陶瓷刀具

粉末表面涂层陶瓷刀具是指在硬质合金粉末表面涂层陶瓷制成复合粉末,然后将复合粉末热压制备成新型刀具。粉末表面涂层陶瓷刀具突破在刀具表面进行涂层的传统方法,变宏观涂层为微观涂层,解决了宏观涂层存在的易剥落崩碎等缺陷。这种涂层刀具既发挥了传统涂层刀具的优点又克服了其缺点,成为“新生代”涂层陶瓷刀具,其切削可靠性大大优于陶瓷刀具和刀片表面涂层刀具。

3.涂层刀具

涂层技术是将传统刀具涂覆一层或多层薄模,使刀具性能发生很大改变。涂层材料主要有:TiC、TiN、TiAlN、AlTiN、Al2O3、CrN、CrC、MoS2、WS2等。目前常用的刀具涂层方法有化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子体化学气相沉积(PCVD)、等离子喷涂及化学涂覆法等。涂层方式有:单涂层、多涂层、梯度涂层、软/硬复合涂层、纳米涂层、超硬薄膜涂层等。其中CVD和PVD被工业界广泛应用。刀具表面涂层技术极大地改善了数控刀具的切削性能,提高了切削效率,具有成本低见效快的特点。根据涂层刀具基本材料的不同,涂层刀具分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具以及在陶瓷和超硬材料(金刚石和立方氮化硼)上的涂层刀具等。

目前各厂商在不断提高涂层工艺技术,各种新的涂层方法和涂层材料在不断出现,如纳米级超薄、超多层涂层等涂层材料,目的在于不断提高涂层结合牢度、耐磨性、耐热性和抗冲击韧性等。涂层将成为改善刀具性能的重要途径。

4.硬质合金刀具

硬质合金刀具是由硬度和熔点很高的碳化物:WC、TiC、TaC或NbC等和金属结构剂(Co、Mo、Ni等)经粉末冶金方法而制成的,其硬度远高于高速钢。金属结合剂含量越高,则抗弯强度越高。其中TiC(N)基硬质合金,其硬度接近陶瓷刀具的硬度水平,硬度一般达91-94HRA,抗弯强度比陶瓷刀具材料高得多,故将其称为金属陶瓷。硬质合金是脆性材料,常温下其冲击韧性仅为高速钢的1/30～1/8。晶粒细化后,细和超细硬质合金刀具,不但可以提高其硬度、耐磨性、抗弯强度和抗崩刃性,其高温硬度也将提高。我国一些硬质合金企业对超细硬质合金已实现了批量生产,可以大幅度提高切削速度,用于难加工材料的加工。

5.高速钢刀具

高速钢是一种加入了较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢。其刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能,在复杂刀具,尤其是制造孔加工刀具、铣刀,螺纹刀具等一些刃形复杂刀具,高速钢仍占据主要地位。由于高速钢刀具中W、Co等主要元素资源紧缺,在世界范围内日益枯竭,所以在所有刀具材料中的比重逐渐下降。那么高速钢刀具的发展方向是:发展各种少W的通用型高速钢,扩大使用各种元素无Co、少Co的高性能高速钢。扩大使用各种粉末冶金高速钢和涂层高速钢刀具。

尽管高速钢刀具在全世界的销售量以每年约5%的数量在减少,但是高性能高速钢和粉末冶金高速钢的使用在不断增加。由于表面涂层技术的发展,在高速钢刀具表面PVD涂层TiN、TiCN、TiAIN后,切削速度可以进一步提高。随着人们对切削加工效率的追求和观念的转变,涂层高速钢刀具大量应用于轿车、摩托车、航空发动机、汽轮机等制造行业。在复杂数控刀具领域将会进一步发展而占有重要地位。

二、数控刀具材料的发展前景

随着科学技术的发展,对工程材料提出了越来越高的要求,各种新型航空航天材料、核能材料、复合材料、生物材料、功能材料、纳米材料、稀土材料、先进金属或非金属材料的应用日益广泛,工件材料的品种成倍增长。如此种类繁多,工件材料和刀具材料双方交替进展,相互促进。

涂层刀具材料在数控加工领域有着巨大的潜力,预计今后涂层刀具的应用将会进一步扩大。当前涂层发展的另一个特点是,各厂商都根据产品功能的需要,综合各种涂层的特点开发专用涂层牌号,涂层已成为刀具新产品开发的重要内容;从资源、价格和性能等方面看,陶瓷刀具具有很大优势,尤其是其资源优势。陶瓷刀具材料的主要成分在自然界是用之不竭的,因此,新型陶瓷刀具材料将会得到更大的发展;PCD刀具将继续在有色金属及其合金、非金属材料加工中占有主要地位;PCBN刀具将在黑色金属及其合金加工中占有主要地位,其应用会越来越广泛;超细晶粒的硬质合金和粉末高速钢在小尺寸整体复杂加工领域还将占主导地位;超强、超硬纳米刀具材料是最诱人的数控加工刀具材料、加速研究发展,很快有可能成为现实。同时针对工件材料品种成倍增长的趋势开发通用性好、适应性强,能够在多种条件下均能正常工作的刀具也是刀具业的发展方向。

环境污染已成为全世界共同关注的焦点,保护环境节约资源是人类发展的必然趋势。欧美等工业发达国家已清醒地认识到切削液对环境的危害,相继制定出严格的工业排放标准,进一步限制了切削液的使用。因此,开发具有高温自功能的刀具材料进行高速干切削是一种环境效益和经济效益俱全的工艺选择。研发适应硬切削、干式切削和高速切削的高性能刀具材料是当前研究的热点。

三、结语

1.具有高速、高精度和高可靠性“三高”刀具的研究开发将是今后数控刀具材料研究开发的重点。

2.纳米复合材料与涂层、梯度功能和多种增韧补强机制协同作用的刀具材料的设计与开发是数控刀具材料的研究发展的方向

3.加快新型数控刀具关键技术的开发应用,对推动制造业的快速发展具有相当重要的作用。开发通用性好、适应性强、能够在多种条件下均能正常工作的刀具是刀具业的一个发展方向。

参考文献:

[1]艾 兴 萧 虹:陶瓷刀具切削加工.北京:机械工业出版社,1988

[2]邓建新 赵 军:数控刀具材料选用手册.北京:机械工业出版社, 2005

粉末冶金法的优缺点篇8

激光修复技术是集高功率激光、计算机、数控机床、CAD/CAM、先进材料、数控技术等多学科的应用技术。修复系统主要由硬件设备和制造过程软件组成。硬件设备包括激光器、数控系统及工作台、送粉装置、光路系统、水冷装置、保护气系统和在线控制所涉及的数据采集装置。软件系统包括制造零件成型软件擞据通讯和在线控制软件。激光修复过程如图2所示。CO2激光器发出的激光经CNC数控机床Z轴(垂直工作台)反射镜后，进入三维光束成形聚焦组合镜，再进入同轴送粉工作头，组合镜和工作头都固定在机床Z轴上，由数控系统统一控制。载气式送粉器将粉末均匀输送到分粉器的同轴送粉工作头。

模具位于CNC数控工作台X-Y平面上，根据CNC指令，工作台、组合镜和送粉头按给定的CAD程序运动。同时加入激光和粉末，逐层熔敷。在温度检测和控制系统作用下，使模具恢复原始尺寸。为保证熔覆材料(金属粉末)和基体(模具)材料实现冶金结合，以及模具的尺寸精度、表面光洁度和材料性能，需将φ50mm圆形多模1kW-5kW高功率激光束变换成强度均匀分布的圆形光束，光斑尺寸可调(光路系统)，并配有水冷系统和光束头气体保护系统，同时需重点考虑同轴送粉装置和现场控制系统的设计。

1.1同轴送粉装置

稳定可靠的粉末输送系统是金属零件修复质量的重要保证。粉末输送的波动将影响修复的质量。激光修复对送粉的基本要求是连续、稳定、均匀和可控地把粉末送入激光熔池。送粉装置由送粉器和同轴送粉嘴组成。在送粉器的粉斗下部，由于平衡气压的作用形成气固两相流化，并从导管开孔，随载气输送粉末。送粉量由输送气体的压力调节，拓宽了送粉范围，实现从5g/min-150g/min均匀连续可调送粉，送粉精度高达±5。设计的载气同轴粉嘴，消除了气体压力波动引起的4路送粉不均匀，并使工作距离加大，且连续可调。

1.2模具修复过程的控制

在理论上，熔池温度场决定修复过程的宏观与微观质量，因此在激光熔覆层质量控制过程中，表征熔覆层熔池温度场的实时检测非常重要。采用红外测温技术来检测激光加工区域的温度场，结合温度场标定结果推导出实际的温度场信息，来控制激光器功率输出值以及CNC机床的运动速度，以保持熔池温度稳定，避免零件由于过热或温度不均产生裂纹气孔等缺陷。虚线范围内所示的是比色测温仪，光路系统选用单台相机，切换不同滤色片的单通道图像记录方式。滤光片及其控制保证两个滤光片(804.5nm和894.6nm)交替置于数字相机图像记录光路中，移动响应时间<10ms，由计算机控制的高精度步进电机实现准确定位。软件包括三部分：①控制滤光片转入记录光路机械控制部分;②进行实时的同步图像采集、处理以及温度场标定和计算;③用测量温度变化量所得到的过程参数，调节激光功率和机床运动速度。

1.3激光修复模具工艺参数

激光修复伴随着传热、辐射、固化、分子取相及结晶等物理和化学变化，是个多参数过程。激光功率P、扫描速度、送粉量、熔池温度等都会对其产生影响。因此必须把参数合理地组合，以确保修复工作是在涂覆特性可知的情况下进行。在激光熔敷过程中，如果不采用特殊的工艺过程对基材的热输入量进行控制，将会使熔敷层与基体结合程度不理想，或在熔层表面和熔敷层与基材的过渡区产生裂纹。因此，合理地选择工艺参数是激光熔覆技术用于模具维修的关键因素。

根据物理冶金原理，熔敷材料和基体材料必须加热到足够高的温度才能满足实现冶金反应所无原则的条件，最终形成几何外形规则的熔敷层，见图1，根据经验，应尽可能使熔敷材料加热到较低的温度，这样可以减小熔敷裂纹、畸变倾向，也可避免熔敷材料的烧损和蒸发，需控制熔化材料的熔点(取基体、粉末材料两者最高熔点)Tm+(50-100)℃。参考温度场计逄，理论上P取值为1KW-2KW、为2mm/s-4mm/s可满足上述要求，至于熔覆层表面不平度，可通过调节送粉量实现其最小化。

2.2试验方法

试验用横流连续波5kW-CO2激光器，光束模式为多模，光斑直径为4mm，基体材料(模具)为5CrMnMo钢，试样尺寸80mm×60mm×10mm，由于Ni合金粉流动性好，与基材相结合后表面光洁，价格适中，故选用了Ni60镍基合金粉末材料。试验选定激光功率P为1.5kW。

3试验结果分析

3.1工艺参数对模具修复性能的影响

从熔覆层组织可以看出，激光与粉末材料相互作用充分，稀释率适中，在熔覆层内各层间组织与层内组织稍有差别，层内组织均匀细小致密，层间组织较粗大。由此可知，激光修复可以在相当宽的范围内获得组织均匀、细小致密和性能优异的修复层。测量1~3层硬度变化为85HV0.2。

试验结果表明，粉末在与激光相互作用时，如果激光功率P>5kW且扫描速度<1mm/s，基体因加热温度过高而被烧损，表面出现折皱以及气孔等质量问题。究其原因熔覆过程熔池内搅拌加剧，基体元素与金属粉末元素相互扩散严重，熔覆层开裂、变形敏感性明显上升。当激光功率P=1kW~2kW、扫描速度=2mm/s~4mm/s范围内均可得到较理想的激光熔覆层。此外，若加热温度过低无法充分熔化，难于达到修复模具的目的。扫描速度过大时出现熔覆层不连续现象，其结合强度不够。稀释率随扫描速度的增加，呈减小的趋势，而随送粉量的增大使稀释率有增加的趋势。

3.2工艺参数对模具修复宏观形貌的影响

试验表明，在P和变化不大时，激光熔覆表面宏观形貌与送粉量关系密切，在其它条件相同的情况下，随的增大，熔覆层宽度有所变化(有变小的趋势)，而熔覆层厚度明显增加，接触角加大。完全可以利用调节的方法改善熔覆层表面不平度。

4结论

粉末冶金法的优缺点篇9

关键词：氩弧熔覆；TiC-TiB2；陶瓷涂层；硬度

1 引言

金属的磨损与失效是零部件损坏的主要原因，其一般的损坏部分多集中在零件表面，因此对于金属表面的防护及修复成为提高产品使用效率、降低能源材料消耗的关键问题。据不完全统计，我国每年因材料更换所引起的费用高达数千亿美元，其中以大中型零部件为主。采用表面熔覆涂层不仅对金属表面进行了有效的防护，更增强了复合材料的硬度以及耐磨性，是一种经济环保、性能可靠的防o技术[5]。

目前，针对零部件表面的耐磨改性主要采用喷涂，等离子熔覆或激光熔覆等，它们都能在很大程度上对金属基体进行有效防护，但成本过高，不适合于工业生产[6]。而采用氩弧熔覆技术的方法，应用的设备简单，操作方便，易于控制，在普通的金属基表面熔覆一层或多层稳定的复合涂层，不仅增强了金属表面的性能，更有效降低了成本。熔覆过程中，陶瓷相的加入一般有两种途径，一是陶瓷相的直接加入，二是在金属基体上原位合成陶瓷相。采用第二种原位合成的方法避免了直接加入而引起的裂纹、脱落等缺陷，得到的复合材料界面洁净、力学性能稳定，与金属基体结合良好。本文研究的目的在于通过氩弧熔覆技术将涂覆于金属基体表面的合金粉末熔化，在基体表面原位合成Fe基TiC-TiB2复合陶瓷相涂层，进而探讨复合涂层的力学性能。

2 制备TiC-TiB2复合涂层工艺探究

2.1原位自生合成技术

原位自生合成技术应用于氩弧熔覆焊接之前，它是近年来发展起来的一种方法，一经应用便广受关注。通过金属表面颗粒的影响进而增强复合材料的方法主要有两种：一种是通过外加颗粒，另一种即为原位自生合成。通过外加的方法虽然使增强体与基体之间的自由度增大，但由于外加增强体在理化性质上存在一定的不相容性，使得工艺变得复杂，成本也相应增加。而原位反应合成因其第二相与金属基体能够有理想的原位匹配，且界面无杂质对复合材料污染，所以能显著提高材料的热力学稳定性，改善材料界面的结合状态。同时原位合成相对非原位合成能够有效简化工艺，降低操作难度，进而使得工艺成本显著下降[7]。

本文采取原位自生合成的方法，将所需的两种固态粉末与粉末状基体按照一定比例进行混合，操作过程中需将混合粉末进行充分压实，干燥去气，为生成增强体颗粒，需将干燥去气后的压坯块置于温度高于基体熔点的环境下快速加热，使得在熔体介质中的两种混合粉末发生放热反应，然后通过二次成型即挤压成型得到待焊接试样。

原位合成具有一系列能使复合材料具有良好性能的优点，它能避免第二相不均匀分散的问题，同时能够解决外加颗粒方法中未能避免的界面结合不牢、理化性质不相容等问题[8-9]。

2.2 氩弧熔覆技术

2.2.1氩弧熔覆技术的基本原理

氩弧熔覆是利用电弧电离加热所产生的热量将涂覆于金属表面的合金粉末熔化，以使得合金粉末涂层与金属基体呈牢固的冶金结合的技术。氩弧熔覆技术所用电极为铈―钨极，其原理与采用金属钨做电极的原理相同，采用纯度为99.99%的工业氩气作为保护气，有效地保护了电极、熔覆区域以及金属基体，减少了有益成份的烧损以及在很大程度上避免了空气对熔覆过程中金属的有害影响[10]。其原理示意图如图1所示。

2.2.2钨极氩弧焊工艺

钨极氩弧焊（又称TIG焊），是在利用氩气作为保护气的条件下，以钨或其合金作电极对母材及复合材料进行电弧加热，以使其熔化焊接的技术，其间充填材可选择添加或不添加[11]。

焊接过程需要在一定热量下进行，钨极氩弧焊利用气体介质电离所产生的电弧热对材料进行熔化，此过程中阴极压降低，其在放电过程中，电流密度较大，因此加热速度较其他方法快，同时在局部发生融化后又以一定的速度冷却[11]。电弧可分为三个区域，即电弧各自与电源正负两极相连所对应的阳极区、阴极区以及阴阳两极间的弧柱区。热量的传递过程则包含辐射，对流以及热传递三种，热源与焊件之间的传递为辐射与对流，而母材受热后的热量传播则为热传递。

焊接时熔化的母材与焊接金属组成的具有一定形状的液体金属称之为熔池，它的形状，尺寸等参数对于熔池中的合金相以及冶金反应等有着重要的影响，同时熔覆过程中的缺陷均与熔池的形成有着不可分割的联系。熔池产生主要有过渡期、准稳定期及之后的稳定阶段。熔池形成初期称为过渡期，之后进入准稳定期，这期间熔池的形状、尺寸等均不再变化[12]。其准稳定期形状如图2所示。

2.2.3 氩弧熔覆制备工艺的特点

氩弧熔覆技术是一种性能优良，可有效保护熔覆过程的耐磨涂层制备工艺，其由于良好的应用性，在工业中的得到了很大程度的推广。其优点主要有：在整个熔覆过程采用氩气进行保护，有效降低了烧损和氧化现象的发生；利用氩弧进行加热能有效利用热能，其热量集中，能加热大部分材料，虽温度不及激光束，但性能足以满足工业需求；成本较低，设备廉价且易于操作，工程中应用较广；熔覆过程可采用手工焊接，操作灵活，可在复杂环境条件下进行野外作业[13]。

在实际操作过程中，氩弧熔覆也存在如下不足：采用手工焊接过程中，如在野外进行操作，其受作业环境影响较大，氩弧熔覆易受气流影响，因此对于易蒸发或低熔点的金属焊接难度较大。采用钨极作为保护电极时，其可负载的电流能力有限，致使焊接的速度以及焊缝的深度受到功率的影响，其结果是焊接速度较低且焊缝的熔深较浅。但正是由于这一特点，此工艺适宜制备陶瓷耐磨涂层。

2.3研究内容与实验方法

2.3.1研究内容

（1）熔覆涂层的工艺设计及成分配比

1）以钛铁粉、B4C粉为原料，通过计算设计出初步配比方案，对试验原料的配比进行分组，并分别进行均匀混合。

2）试验过程中，采用正交实验法以确定最佳的焊接参数，如氩气流量、焊接速度以及熔覆电流等，进而制备出符合实验要求的耐磨涂层。

（2）熔覆涂层的性能测定与对比分析

1）用布氏硬度计和洛氏硬度计分别对金属基体及耐磨涂层进行硬度测定，对比分析熔覆工艺对金属硬度的改善以及实验因素、参数对硬度的影响。

2）通过上述试验测定进而研究硬度等因素对复合材料耐磨性能的影响。

2.3.2实验方法

首先，利用电子天平对原始粉末进行称量，其精度为0.001 g，配比粉末的总质量为10 g，然后将粉末置于研钵中进行混合，研磨均匀。取适量合金粉末于培养皿中，用胶头滴管滴取少量水玻璃作粘结剂，并用玻璃棒搅拌均匀，搅拌过程中应特别注意粉末的干湿性，因为预敷在基体上的粉末材料过干则会使其不易涂刷，导致结合不牢固而在干燥过程中脱落，粉末材料过湿会使材料中存在间隙，进而在熔覆过程中产生气孔缺陷。获得干湿性良好的粉末后，直接将其敷在基体表面上，两侧用洁净的钢锯条控制预敷材料的厚度为0.8 mm或1.2 mm，厚度不宜过厚或过薄，否则将影响焊接效果，然后用经酒精擦洗的玻璃板压实去气，使预敷材料表面平整洁净。钢板两端要留出1 mm以上的空隙，以方便引弧操作。⒅票负玫氖匝放在通风无水的环境中自然干燥12 h，然后放置在干燥箱中100℃烘干2 h，使预敷材料获得较高的强度，以抵抗熔覆时氩气流的冲击。

然后采用手持型钨极氩弧焊机作为氩弧熔覆设备，并选用直径为2.5 mm的钨极，适用于手弧焊接。操作过程中注意对电流，氩气流速的调节以实现手动开关控制，同时及时对高频高压进行控制，以保证起弧的顺利完成。

3 熔覆涂层力学性能的探究

3.1 熔覆涂层硬度测试

硬度是反映材料强度、韧性等性能的主要标准，是检测综合性能的重要指标之一。基体采用布氏硬度计测试，试验力14710 F/N，平均直径4.15，硬度测试结果如表1所示。

熔覆涂层表面采用洛氏硬度计进行测试，结果如表2所示。

试样断面熔合线采用洛氏硬度计进行测试，结果如表3所示。

合金粉末中加入5%的Cr、Ni粉末，熔覆涂层表面洛氏硬度及断面熔合线硬度分别如表4、5所示。

试验过程中，通过检测显示，采用熔覆电流为140 A，氩气流速为6 L/min所得到的试件硬度最佳，其显著高于基体的硬度。

3.2 熔覆涂层耐磨性

试验中所用基体材料主要由铁素体及少量珠光体组成，其在磨粒磨损试验中失重较大，以此证明基体材料内并不含有硬质相以抵抗磨粒磨损。熔覆电流对复合材料的耐磨性也有着重要影响，当电流为120～160 A时，其耐磨层性能较好，电流为140 A时，耐磨性能最佳[14]。

4 结论

采用工业上常见的钛铁粉以及B4C粉末为主要原料进行预敷，以钨极氩弧焊产生的热量作熔覆热源，在Q235钢基体上原位自生TiC-TiB2复合陶瓷涂层，利用布氏硬度仪、洛氏硬度仪以及耐磨试验机等对涂层的力学性能进行了分析，得到的结论如下：

（1）采用以钨极为电极的氩弧熔覆技术对Q235钢基体和其表面的预敷材料进行加热，所供给的热量足以满足热源要求，实验成功制备出与Q235基体呈现出良好冶金结合的TiC-TiB2复合陶瓷涂层[15-16]；试验过程中的电弧电流和焊接速度对预敷材料的熔化有较大影响。氩弧熔覆的最佳工艺参数为：金属基体上预置的粉末涂层厚度为0.8～1.2 mm，熔覆电流145A～155 A，氩气流量选择为5.5～6 L/min，焊接速度为120 mm/min，电压则控制在20～22 V。

（2）预敷钛铁粉及B4C混合粉末时，测得的熔覆涂层表面及熔合线硬度明显高于基体，加入Cr、Ni等合金粉末，将提高复合材料熔覆涂层表面及熔合线附近区域的硬度[17]；合适的电流大小及熔覆速度有益于得到硬度较高的复合材料，当熔覆电流为160 A时，随着电流的降低以及熔覆速度的提高，熔覆层的硬度逐渐增大，电流140 A时最佳。

（3）Q235钢基体内并不含有硬质相以抵抗磨粒磨损，氩弧熔覆技术制备的陶瓷涂层能显著提高材料的耐磨性[18]。

参考文献

[1] 王振廷，孟君晟，赵国刚. 氩弧熔覆原位自生TiC/Ni60A复合涂层的滑动磨损特性[J].粉末冶金技术，2008，26（3）：183-186.

[2] X.H.Wang， S.L.Song， S.Y.Qu，et al. Characterization of in situ synthesized TiC particle reinforced Fe-based composite coatings produced by multi-pass overlapping GTAW melting process [J]. Surface&Coatings Technology，2007（201）：5899C5905.

[3] L.Contreras， X.Turrillas， G.B.M.Vaughan，et al. Time-resovled XRD study of TiC-TiB2 composites obtained by SHS [J]. Acta Materialia， 2004（52）：4783-4790.

[4] 张虎，高文理，张二林，等. Ti-54Al-xB合金中TiB2的形貌演变及生长机理[J]. 金属学报，2002，38（7）：699-702.

[5] 李建林，曹广义，周勇. 高能球磨制备TiB2/TiC纳米复合粉体 [J]. 无机材料学报，2001，16（4）：700.

[6] 秦琳晶. Ni-Al系金属粉末材料与钢燃烧合成焊接的基础研究[D].吉林大学，2009.

[7] 王晓溪，李萍，薛克敏，等. 等径角挤扭变形过程中纯铝粉末材料的显微组织与力学性能[J]. 航空材料学报，2013，02：13-18.

[8] 郑玉惠，余欢，徐志锋，等. 激光选区烧结陶瓷粉末材料的研究进展[J]. 铸造技术，2009，02：260-264.

[9] 郭彪. 铁基材料粉末锻造及致密化成形技术研究[D].西南交通大学，2012.

[10] 任建军. TiB粉末材料抗氧化性能及杂质提纯研究[D].吉林大学，2014.

[11] 张幸红，，韩杰才，等. 超高温陶瓷复合材料的研究进展[J]. 科学通报，2015，03：257-266.

[12] 王文权. 等离子喷涂纳米陶瓷热障涂层组织与性能研究[D].吉林，吉林大学，2005.

[13] 邹东利，路学成. 陶瓷材料增韧技术及其韧化机理[J]. 陶瓷，2007，06：5-11.

[14] 黄勇，向军辉，谢志鹏，等. 陶瓷材料流延成型研究现状[J]. 硅酸盐通报，2001，05：22-27.

[15] 黄赞军，胡敦芫，杨滨，等. 原位Al2O3颗粒增强铝基复合材料的研究[J]. 金属学报，2002，38（6）：568-547.

[16] 张志强. Fe-Ti-B4C体系SHS反应制备TiC-TiB2局部增强低Cr钢基复合材料 [D].吉林，吉林大学，2006.

粉末冶金法的优缺点篇10

【关键词】铬铁合金；生产；发展

文章编号：ISSN1006―656X（2014）05-0332-01

一、引言

铬是一种非常重要的合金元素。在我国，铬矿资源非常缺乏，大多数的铬矿都是从国外进口的。铬被广泛的应用在工业生产中，其中有75%都应用在冶金行业中，它在钢铁生产中起着不可替代的重要作用。在钢铁生产过程中或加入铬合金元素，但会根据不同的实际需要选择不同的铬铁合金。铬铁合金根据含碳量可将其分为高、中、低、微四种碳铬铁。铬铁合金是铁合金三大品种之一，仅次于锰硅合金。随着社会经济的快速发展和生产技术的不断进步，铬铁合金生产在我国得到了快速的发展，其产品逐渐的应用到了各个领域当中，发挥的作用也越来越明显。

二、铬铁合金发展的概况

解放前，我国对于铬铁合金的生产可以说为零。新中国成立以后，随着国民经济的发展需求，在1957年由吉林一个铁合金厂生产出了高碳铬铁，次年，又生产出了硅铬合金，并通过利用电硅热法生产出了微碳铬铁。在1960年，该厂建立了两台微碳铬铁电炉。随后，我国各地的铁合金厂纷纷建立起来微碳铬铁电炉并投入到生产当中，这也就标志着我国结束了对微碳铬铁进口的历史。改革开放后，随着社会经济的快速发展，铬铁合金生产进入了一个新的发展阶段。

这四十多年来，我国的铬铁合金生产工艺和技术得到的极大的发展和进步。60年代研究和使用了“真空固态脱碳”的新工艺，特别是90年代使用的波伦法工艺，生产出了品种多样的铬铁合金，使我国的铬铁合金的技术指标达到了国际先进水平。同时，不过铬铁合金的产量也在不断地提高。

三、各类铬铁合金生产的发展

（一）高碳铬铁

1957年，吉林的一个铁合金厂通过对铬矿进行工业规模的试验，生产出了1424t的高碳铬铁，在冶炼过程中平均耗电5710kWh/t。1964年，在9MVA矿热炉上进行封闭式高碳铬铁的冶炼试验使用一种耐热的混凝土作为炉盖，由于在试验过程中，烟道发生严重性的堵塞，导致料管被烧坏而停止了试验。1968年，在12.5MVA的矿热炉上完成了封闭式的冶炼，并且进一步对煤气净化系统进行了加强和改进。1970年，把回收的煤气投入到蒸汽锅炉的使用中，进行了70多天的实验，运行状态处于基本稳定。1974年，再一次对煤气洗涤、污水处理进行了试验同时走了大量的除氰试验和污水闭路循环试验，从中得到了大量的重要数据，为工业更好的进行试验提供了必要的资料。

由于我国铬矿的缺乏，所以在进行高碳铬铁的冶炼过程中，所使用的铬矿石大多数都是从不同的国家进口的，使用的铬矿石品种多种多样。就因为使用各种的铬矿品种，造成冶炼难度增加。但经过不断的实验，也逐渐了解和掌握了各国铬矿的冶炼特性，从中研究出了单一矿及矿种搭配使用的丰富经验。

为了实现精料进炉的目标，各个铬铁厂家在铬粉矿处理方面进行了深入的研究，如在70年代末到80年代初，吉林厂就不断对铬粉矿球团预还原和冷压球进行了试验研究，使球团预还原度达到了40%以上。在以后，虽然也有很多的厂家进行了相关的试验，但是该实验的投资过大，最后这项工作没有持续下去。

随着科技的不断进步，现代化大型设备也得到了快速的发展。1987年，吉林厂建立了一台25MVA的全封闭矿热炉，实现了煤气的回收，大量的生产高碳铬铁，运行状态稳定。如今大多数的高碳铬铁电炉都在使用的电子计算机来进行控制。

（二）硅铬合金

我国主要使用的是“二步法”进行硅铬合金的生产，虽然也对一步法进行过试验，但受各种条件的限制没有继续下去。在60年代，仅仅只有吉林厂在进行硅铬合金的生产，在70年代后，上海、湖南等铁合金厂才逐渐投入到生产当中。70年代末，上海场引入了“脱硫摇包”将其用于硅铬合金的降碳当中，并取得了试验成功，脱碳率高达96%以上，一级品从以往的18～70%提高至90%以上.这样极大的减少了单位耗量和铬含硅量，使日产量得到了有效的增加。这种工艺是硅铬合金生产的一大进步，为微碳铬铁的工艺出现提供了良好的条件。

1987年，上海厂再次对“一步法”生产硅铬合金进行研究，并取得了成功，继而，横山厂、重庆厂也先后在“一步法”生产硅铬合金中取得了成功。如今西方国家大多数采用的都是“一步法”，通过利用大容量的矿热炉进行硅铬合金的生产。而我国主要使用的都是小容量电炉，也没有良好的原料条件，因此不适合用“一步法”进行生产。

（三）精炼铬铁（中、低、微碳）

1957年，吉林厂首先在1MVA矿热炉上，对越南和南斯拉夫的铬矿进行搭配，生产出了中、低碳铬铁，在生产过程中，平均耗费电能2823kMh/t，后又在3.5MVA矿热炉上进行试验，将硅铬和硅铁作为还原剂，最后炼出了一些VCr10铬铁。1962年，使用一种“回渣引弧”的新工艺，使一级品率得到了较大的提升。而后，横山厂、上海厂也先后的投入近精炼电炉的生产当中，开始生产微碳铬铁他们引进外国先进设备，学习吉林厂的丰富经验，不断吸收和研究，提高了投产后的一级品率。三家厂对微碳铬铁的生产在一定程度上满足和社会的发展需求。1963年～1968年，我国对精炼铬铁操作技术进行了不断改进并取得了较大的发展，主要表现为：低温强化冶炼、使用真空进行脱气；不需要烘炉直接投入生产；使用“硅铁堆底法”新工艺等。改革开放后，引入了一种“波伦法”工艺，对铬、硅的回收率都相对较高。

（四）采用真空固态脱碳法生产微碳铬铁

1963年，吉林厂开始进行试验，在60年代末建立了6MVA真空电阻炉，它的年产量达到3000t。该工艺具有工艺简单、易机械化、冶炼强度低、冶炼产品质量好等优点，可以将含碳量控制在0.01%以下，生产成本低，并可以使铬铁获得较高的回收率。上海城/首钢厂也先后建立了小容量的真空电阻炉，通过利用真空法生产微碳铬铁铁和氮化铬铁产品。

四、总结

通过这几十年的快速发展，我国也已经成为一个铬铁生产大国，铬铁的生产技术和工艺都得到了非常大的改进，铬铁合金质量也达到了世界先进水平。但同时，我国铬铁合金的生产和技术也存在一些问题，如对环境造成污染、精料入炉、普遍采用小型电炉、大型化电炉缺乏、消耗高等问题，因此，这就需要铁合金厂对存在的问题进行不断的改善，加强管理，促进企业的快速发展。

参考文献：

[1]陈津，王社斌，林万明，张猛，赵晶. 21世纪中国铬业资源现状与发展[J]. 铁合金，2005，02：39-41+38.

[2]仉宏亮. 铬铁精矿球团烧结―电炉冶炼高碳铬铁合金工艺及机理研究[D].中南大学，2010.

[3]李磊. 我国铁合金行业发展现状及未来需求展望[J]. 冶金管理，2013，05：15-24.