粉末冶金的优缺点十篇

粉末冶金的优缺点篇1

[关键词]粉末冶金 热等静压

中图分类号：TF124.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）47-0054-02

1、概述

粉末冶金（Powder Metallurgy）是采用金属、金属间化合物、金属-非金属粉末通过成形-烧结制造工程材料、功能材料及其异型制件的工艺技术，粉末冶金能制造出传统熔铸和其它加工方法所不能制备的具有独特性能的材料和制件。而采用传统粉末冶金工艺生产的制件中存在大量的孔隙和缺陷，密度低，制件的强度比相同材料的铸件或锻件要低约20%-30%，极大限制了大规模推广和使用。热等静压是在高温高压下同时实现粉末的成型和烧结，一次制备成品。用热等静压制得的制件晶粒细小均匀，密度接近理论密度，并且组织分布均匀，且具有优异的机械性能和物理性能；克服了传统粉末冶金制件由于致密性低而导致使用上的技术障碍，使粉末冶金技术得以更加广泛的推广和应用。

2、热等静压技术及烧结致密化机理

热等静压技术是将封装包套放置到密闭的高压容器中，向包套施加各向均等静压力的同时施以高温，在高温高压作用下，使得包套软化并收缩，挤压内部粉末使其经历粒子靠近及重排、塑性变形、扩散蠕变三个阶段后，实现粉末体的烧结致密。

（1）粒子靠近及重排阶段

处理前，包套中粉末随机堆叠，存在大量孔隙，密度低。在处理时，包套在高温高压下软化收缩，粉末粒子受压力作用下发生平移或转动而相互靠近，同时某些粉末粒子被挤进临近空隙之中，而且一些较大的搭桥孔洞出现坍塌；这样一来，粒子的临近配位数明显增大，从而使得粉末体的空隙大大减少，相对密度迅速提高。

（2）塑性变形阶段

当第一阶段结束后，在高温高压继续作用下，粉末粒子接触面上的压应力增加、塑性流动的临界切应力降低，当粉末体承受的压应力超过其屈服切应力时，将以滑移方式产生塑性变形；粉末粒子发生大量塑性流动后，粉末体的相对密度迅速接近理论密度值，粉末粒子基本上连成一片整体，残留的气孔已经不再连通，而是弥散分布在粉末基体之中。

（3）扩散蠕变阶段

当塑性变形的机制不再起主要作用时，残存不规则的狭长气孔在高温高压继续作用下，将其球化成圆形，所占体积分数也将不断减小，直至消除；同时弥合界面存在着浓度梯度、温度梯度、高压所产生的压力梯度，致使在弥合界面处会进行扩散蠕变，粉末体最终得以烧结致密。

3、热等静压技术在粉末冶金领域中的应用及研究

热等静压工艺在粉末冶金成形工艺中占有十分重要的地位，在现代工业生产中得到广泛的应用。可以对难加工材料（如钛合金、高温合金、粉末钢、硬质合金、金属陶瓷等材料）成形和致密化；同时能生产基本不需要机加工的近终形部件，可提高原材料的使用率和机加工效率，常用于整体成形许多常规方法难以成形的零件，特别适合于航空航天、船舶、武器设备、核设施、发电设备等关系国计民生的重大应用领域。

3.1在粉末冶金钛及钛合金方面的应用研究

钛合金因具有高强度、高韧性、抗氧化及耐腐蚀的特性，广泛应用于航天航空、舰船和化工等领域。用热等静压技术制备的粉末钛合金，不仅简化了熔炼工艺和切削工序，而且合金组织更趋均匀，性能明显改善。钛合金的热等静压粉末冶金技术有如下优点： （1）与传统的锻材加工技术相比，二者材料性能接近，但粉末冶金技术易于制备形状复杂的部件，且所制备的部件基本为近净形，可节省大量原材料，减少机械加工，降低成本；视形状复杂程度，与传统方法相比，成本可降低20%-50%[1-3]。（2）与钛合金的铸造技术相比，二者都是近净形工艺，但粉末钛合金具有更优良的性能，热等静压固结的粉末钛合金可100 %致密，具有良好的微观结构，晶粒细小，组织均匀，无织构、偏析现象，性能可达到不低于锻件的水平[1，2]。（3）用钛合金粉末冶金技术可制备高性能钛基复合材料[3]。

航天材料及工艺研究所王亮等人研究了热等静压技术制备Ti-6Al-4V 粉末钛合金材料；温度为900℃，氩气压力大于110MPa，保持时间为1h的工艺，制备的粉末钛合金性能已全面超过TC4锻棒的性能标准。抗拉强度最大为1040MPa，屈服强度最大为981MPa，延伸率最大为15.4%，断面收缩率最大为39.6%[4]。航天材料及工艺研究所郎泽保等人研究了热等静压技术制备Ti-Al系金属间化合物材料；温度为900-1000℃，氩气压力大于100MPa，保持时间为3-5h，制备的Ti3Al基合金（ Ti-23Al-17Nb）具有良好的综合性能，其抗拉强度达到815MPa，并且在900℃具备了良好的力学性能和出色的高温抗氧化性能[5]。北京航空材料研究院刘娜等人研究了热等静压技术制备粉末冶金TiAl合金的热变形行为；制备的粉末冶金TiAl合金的最终氧含量为720ppm，致密度为99.6%，具有良好的热加工性，在温度≥1050℃和应变速率≤0.1s-1 的范围下加工可以保证变形不开裂[6]。中国科学院金属研究所徐磊等人研究了热等静压技术制备粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn合金；温度为940℃，氩气压力为150MPa，保持时间为30min，合金性能已接近锻造合金的水平，粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn合金晶粒细小均匀，无孔隙缺陷[7]。中国科学院金属研究所王刚等人采用热等静压技术Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2W-0.15B 合金板材；温度为1260℃，氩气压力为150MPa，保持时间为4h，获得显微组织细小均匀、无宏观偏析和热加工性能得到改善的轧制坯，细小均匀的组织有利于降低韧性-脆性转变温度，从而降低板材的轧制温度；简化了采用铸态TiAl 基合金所需要的均匀化和锻造等加工步骤，节约成本和能源[8]。

3.2 在粉末高温合金方面的应用研究

作为高性能航空发动机的涡、压气机盘、鼓筒轴和环形件等热端转动部件的材料及其制造技术始终受到国内外航空工程界的特别关注。随着合金化程度的提高，合金的宏观组织偏析愈加严重，工艺性能恶化，传统工艺制造的高温合金在高推比发动机上的应用受到制约；一般说来，当合金中A1+Ti≥9%时是很难进行锻造的，用锻造方法生产强度更高的高温合金已不现实。粉末高温合金具有组织均匀、晶粒细小、屈服强度高、疲劳性能好等优点，已得到广泛应用。热等静压是粉末高温合金成形不可缺少的工序，是航空发动机用粉末涡研制中的一道关键工艺，对盘件最后的组织、性能具有重要的影响。

北京航空材料研究院王旭青等人研究了采用热等静压制备FGH96粉末高温合金时，热等静压温度对对其显微组织的影响；采用了四种温度分别为1150℃、1170℃、1190℃、1210℃，氩气压力为130MPa，保持时间为3h的工艺，经过实验，提高热等静压温度可以促进FGH96合金消除残余枝晶，促进再结晶及再结晶晶粒长大。到1190℃时，枝晶完全消除，再结晶组织较为均匀；可以促进一次γ′相溶解和二次γ′相形核和长大，获得良好的综合性能[9]。北京航空材料研究院何峰等人研究了热等静压技术制备粉末Udimet720合金；温度为1130℃，氩气压力为103MPa，保持时间为4h，合金的性能与变形（挤压加锻造）合金的相当，可用于发动机涡[10]。航天材料及工艺研究所常健等人研究了热等静压技术制备粉末镍基高温合FGH4586；温度为1200℃，氩气压力为140MPa，保持时间为3h，合金完全致密，密度达到8.38g/cm3，能够使碳化物在合金晶内和晶界均匀析出，获得均匀的组织和较佳综合力学性能[11]。钢铁研究总院国为民等人研究了热等静压技术制备FGH95合金；温度为1130℃，氩气压力为103MPa，保持时间为4h的工艺，合金具有良好的综合力学性能，其中拉伸、蠕变、持久和疲劳等主要力学性能指标都达到或超过了A 级技术标准的要求。抗拉强度最大为1673MPa，蠕变最小为0.037%，持久最长为140h，疲劳大于5000次[12]。

3.3 在粉末钢方面的应用研究

热等静压制备粉末冶金钢在国外已经非常广泛，已经有大量专业制备粉末钢的国际知名的企业，如奥地利的Bohler、美国的Carpenter、法国Erasteel以及瑞典的Uddeholm等，产品涉及到工具钢、模具钢、双相不锈钢等多种牌号，每年有2万吨左右的产量。而国内发展较慢，只有少数专业机构在对其进行研究和小批量的生产。

钢铁研究总院况春江等人研究了热等静压技术制备粉末高氮无镍不锈钢；温度为1150℃，氩气压力为130MPa，保持时间为3h的工艺，所得制件抗拉强度高于850 MPa，屈服强度在500到580 MPa之间，延伸率为40%-50%，显示出优异的耐蚀性能，性能远高于304和316L不锈钢[13]。安泰科技股份有限公司卢广锋等人研究了热等静压技术制备粉末高速钢T15合金材料；温度为1100-1150℃，压力为110MPa，保持时间为3h的工艺，制得无疏松、孔洞等缺陷，碳化物均匀细小，致密度达到100%的坯料；通过有效工艺控制，获得了氧含量小于150×10-6，晶粒度大于1l级，碳化物尺寸2-4μm，硬度67 HRC，抗弯强度4400 MPa的性能[14]。安泰科技股份有限公司李小明等人通过气雾化制粉-热等静压工艺成功制备了含钒9.75%冷作模具钢；温度大于1100℃，压力大于110MPa，保持时间为3h的工艺，制备的样品相对密度达到100%[15]。上海日硝保温瓶胆有限公司王恩权等人研究热等静压技术制备AISI304不锈钢；温度为1100℃，压力为196MPa，保持时间为1h的工艺，制备的样品具备良好塑性，伸长率达到了75%-85%[16]。

3.4 在WC-Co硬质合金的应用研究

硬质合金是以高硬度、耐高温、耐磨的碳化钨为主要成分，用抗机械冲击和热冲击好的金属作粘结剂，经粉末冶金方法烧结而成的一种多相复合材料。传统的制备工艺是低压烧结方法，但碳化物颗粒易长大，且内部存在孔隙和缺陷。近年来热等静压应用于WC-Co硬质合金的制备中，可有效降低烧结温度，致使碳化物颗粒细小，同时对大尺寸硬质合金制件的制备中大大降低了制件内部缺陷和孔隙，近年来研究也非常活跃。

辽宁科技大学齐志宇等人采用高压热等静压法对超细 WC-10Co复合粉烧结体进行烧结实验研究。实验结果表明 ，在1360℃的温度，压力140MPa，其抗弯强度较真空烧结的提高19.95 %，致密度最高达到了97.92% ，同时细化了碳化物晶粒，提高了合金的机械性能[17]。钢铁研究总院陈飞雄等人研究了热等静压法制取大尺寸复合硬质合金轧辊，温度为1200℃， 压力为100 MPa， 保持时间为2h的工艺，所制备的复合辊中硬质合金层致密度达到100%，无明显孔洞和缺陷，且硬质合金外层与铁基复合材料内层获得良好的冶金结合，结合强度达900MPa[18]。安泰科技股份有限公司贾佐诚等人研究了热等静压技术制备WC-15Co、WC-22Co 硬质合金；温度1350℃，保温30 min ，氩气气氛，压力5MPa ，保压60min的工艺，所得制品几乎没有孔隙，相对密度接近100%，抗弯强度分别为3200 MPa、3300 MPa，比传统工艺分别提高了7%、30%[19]。

3.5 在其它粉末冶金材料方面的应用研究

除了上述方面的应用，热等静压技术还在粉末冶金工艺制备的难熔金属、金属铍、高性能陶瓷和金属陶瓷复合材料等方面也得到广泛应用。

北京航空航天大学机械工程及自动化学院郎利辉等人研究了热等静压技术制备高比重合金（93W-4.45Ni-2.2Fe-0.35Co-0.05Mn ）合金；温度为1300℃，压力为140MPa，保持时间为4h的工艺，所得的材料力学性能最优， 屈服强度提高16.5%， 抗拉强度提高16.1%， 断裂应力提高85.3%，同时，延伸率和断面收缩率分别提高了46.7%和43.7%[20]。热等静压成形法是近年刚新起的一种制备钒及钒合金的粉末冶金方法，制备的产品具有组织成分均匀、性能稳定、近净成形等优点，是制备钒的理想工艺之一，中国工程物理研究院鲜晓斌等人研究了热等静压技术制备纯钒材料；温度为1100-1350℃，压力为150±10MPa，保持时间为2h的工艺，结果表明：热等静压温度在1250℃以上可以实现全致密，采用1250℃温度处理的材料综合性能最佳，抗拉、屈服强度为701MPa、634MPa，延伸率为22.4%[21]。H.V.A tkinson利用直接热等静压工艺成功制备出15vol%SiC增强A357铝合金复合材料，通过热等静压可以显著减少该类制品的气孔率，同时其弯曲强度也得到提高[22]。热等静压技术用于陶瓷材料的生产，改善了成型和烧结条件，使材料的孔隙度明显降低，从而提高了材料的性能，并为制造陶瓷材料提供了有效方法。如SeanE.Landwehr等人研究热等静压制备的ZrC-Mo金属陶瓷复合材料的显微结构和机械性能，在1800℃，200MPa和1h的条件下，密度可以达98%以上，具有较高的硬度、弹性模量、抗弯强度、断裂韧性[23]。

4 结语及展望

随着近年来热等静压技术的飞速发展，热等静压技术成为高性能粉末冶金材料制备的一项新技术。但在将来还亟待对以下问题进行研究和探索：（1）加强对不同粉末材料热等静压数据的积累，建立热等静压粉末冶金材料数据库。（2）从理论上确定粉体材料性能在热等静压条件下与成分、组织结构的新关系。这些新关系的确立具有重大理论价值与实际应用价值。（3）加快热等静压近终成形技术的研究，将计算机模拟引入到热等静压粉末冶金材料尺寸的精确控制，真正实现复杂材料的热等静压近终成形。（4）将喷射成型、注射成型等其他粉末冶金技术与热等静压技术相结合，开发更多高性能、低成本粉末冶金材料及制品。

参考文献：

[1] Eylon D，Froes F H ，Parsons L D. Titanium PM components for advanced aerospace applications. Met. Powder Rep.1983，38（10）：567-571.

[2] Froes F H. Prealloyed titanium powder metallurgy2barriers to use. Int. J . Powder Metall. 1987，23（4）：267-269.

[3] Froes F H ，Hebeisen J . Emerging and furture applications for HIP of titanium based materials. In ：Li Chenggong ，Chen Hongxi-a ，Ma Fukang eds. Hot isostatic pressing conference proceedings ，HIP’99 ，Beijing ： International academic publishers ，1999：1-24.

[4] 王亮.高性能钛合金粉末冶金技术研究.宇航材料工艺，2003年第3期：42-44.

[5] 郎泽保.粉末冶金Ti-Al系金属间化合物的研究. 宇航材料工艺，2012年第1期：67-72.

[6] 刘娜.粉末冶金TiAl合金的热变形行为研究.航空材料学报，2013年10月：1-5.

[7] 徐磊.粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn合金的致密化行为及性能. 钛锆铪分会2011年年会集：242-248.

[8] 王刚.Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2W-0.15B合金板材的制备及其拉伸性能.中国有色金属学报，2010年10月：274-279.

[9] 王旭青.热等静压温度对FGH96粉末高温合金显微组织的影响. 航空材料学报，2006年6月：293-294.

[10] 何峰.直接热等静压粉末Udimet720合金的组织与性能.粉末冶金工业，2001年8月：7-11.

[11] 常健.粉末镍基高温合金FGH4586组织和性能的研究.制造技术研究，2014年2月：34-37.

[12] 国为民.直接HIP成形FGH95合金组织和性能的研究.材料科学与工艺，2000年3月：68-73.

[13] 况春江.粉末冶金高氮不锈钢的研究.2009全国粉末冶金学术会议：76-82.

[14] 卢广峰.粉末冶金高速钢T15工业制备技术.粉末冶金工业，2008年10月：1-4.

[15] 李小明.热等静压9.75%钒成分冷作模具钢组织与力学性能的研究.粉末冶金技术，2011年10月：323-327.

[16] 王恩权.固化条件对AISI304不锈钢粉末固化材的显微组织和力学性能的影响.机械工程材料.2002年2月：1-3.

[17] 齐志宇等.高压热等静压工艺烧结超细WC-10Co复合粉烧结体.鞍山科技大学学报.2007 年 4 月：124-127.

[18] 陈飞雄.热等静压法制取复合硬质合金轧辊.稀有金属材料与工程，1998年6月：177-181.

[19] 贾佐诚. 热等静压工艺对硬质合金性能的影响.粉末冶金工业，2005年8月：17-20.

[20] 郎利辉. 钨合金粉末和烧结材料的热等静压工艺技术.塑性工程学报，2014年8月：1-6.

[21] 鲜晓斌. 纯钒的热等静压制备及其性能研究.材料科学与工程：1632-1637.

粉末冶金的优缺点篇2

【关键词】 热等静压 粉末冶金 扩散连接

热等静压（hot isostatic pressing，简称HIP）是粉末冶金领域等静压技术的一个分支，现已成为一种重要的现代材料成型技术。该技术将制品放置到密闭的容器中，以密闭容器中的惰性气体或氮气为传压介质，向制品施加各向同等压力的同时施以高温（加热温度通常为1000～2000℃，工作压力可达200MPa。），使得制品在高温、高压的作用下得以烧结和致密化。

随着热等静压设备性能的不断改进完善，HIP技术现已在硬质合金烧结、钨铝钛等难熔金属及合金的致密化、产品的缺陷修复，大型及异形构件的近净成形，复合材料及异种材料扩散连接等方面得到了广泛应用，已经发展成为一种极其重要的材料现代成型技术。

1 热等静压设备的结构

热等静压设备主要由高压容器、加热炉、压缩机、真空泵、冷却系统和计算机控制系统组成。图1为典型热等静压系统的示意图。

高压容器是由无螺纹、底部封闭钢丝缠绕的预应力筒体和钢丝缠绕及预应力框架组成。加热炉提供热等静压所必需的热量，通常为电阻式加热炉，可视不同温度档的要求，采用不同的电阻材料，如最高工作温度为1450℃条件时可用钼丝加热炉，为2000℃条件时可用石墨加热炉。HIP设备通常采用非注入式电动液压压缩机可给热等静压提供高达200MPa的高压气体。真空泵采用旋转叶轮，在产品烧结中用于真空抽吸，同时抽除容器内的氧、水汽和其它杂质。冷却系统采用内外循环回路设计；内循环通过管道内冷却水的流动与压力容器外壳间进行热交换，为了保护冷却系统，冷却水的质量很重要，需采用去离子水，管路也需进行防锈处理；外循环则通过换热器将内循环的热量带出。计算机控制系统实现温度、压力、真空的程序控制，并显示所有工作状态，可编制控制器提供安全可靠的联锁。

2 热等静压技术的应用领域

2.1 粉末冶金领域

粉末冶金是用粉末作为原材料，经过成形、烧结和后处理将粉末固结成产品的工艺，能生产特殊性能的多孔制件、复合材料、复杂结构件，其产品具有组织成分均匀、力学性能优越的特点。采用热等静压（HIP）进行粉末固结是将粉末采用金属、陶瓷包套（低碳钢、Ni、Mo、玻璃等）或不采用包套置于热等静压设备中，以高压氮气、氩气作传压介质对粉末施加各向均等静压力，在高温高压作用下热等静压炉内的包套软化并收缩，挤压内部粉末使其经历粒子靠近及重排阶段、塑性变形阶段扩散蠕变阶段三个阶段实现制品的致密化。

图2为粉末热等静压固结工艺。粉末填充一般在真空或惰性气体氛围中进行。为了提高填充粉末的密度，包套要不停的振动。为了得到统一的收缩，则需要填充粉末的密度应不低于理论密度的68%，填充后包套要抽真空并密封，这是因为热等静压过程是通过压差来固结被成型粉末和材料的，一旦包套密封不严，气体介质进入包套，将影响粉末的烧结成型。另外，真空密封可以去除空气和水，防止氧化反应和阻碍烧结过程。

热等静压是在高温下对工件施加各向均等静压力，与传统粉末冶金工艺相比有如下优点；

（1）制件密度高。通过金属粉末HIP致密化成形的制件密度分布均匀，可以消除材料内部的孔隙，制造出理论密度的致密体零件。

（2）晶粒细小。包套受到等静压力的作用，可抑制粉末的晶粒快速增长，得到良好晶粒尺寸的制件。

（3）力学性能好。由于通过金属粉末HIP致密化成形的制件晶粒各向同性且均匀细小，能闭合材料内部孔隙和疏松等缺陷，提高材料的性能可提高制件宏观力学性能的均匀性，有助于提高制件的疲劳寿命，增强延展性、抗冲击强度及蠕变性能。

（4）实用范围广。可以对难加工材料（如钛合金、高温合金、钨合金、金属陶瓷等材料）以粉末HIP的方式成形和致密化。

（5）材料利用率高。包套与粉末在HIP过程中均匀变性，可以实现复杂零部件的近净成形，减少昂贵材料的浪费，达到节约成本的目的。

HIP成形能得到全致密的粉末冶金制品，其抗拉强度、延伸率、疲劳强度等力学性能优于烧结制品，因而HIP成形工艺在粉末冶金成形工艺中占有十分重要的地位，在现代工业生产中得到广泛的应用。

高速钢是一种化学成分复杂的高合金钢。在采用传统的熔炼-锻造法生产高速钢时，由于铸锭尺寸大，冷却缓慢、不可避免的产生碳化物偏析。这种偏析组织不仅给锻、轧等热加工造成困难，损害了产品的各种性能，而且限制了合金含量的进一步增加，阻碍了高速钢的发展。HIP技术的问世，使许多高速钢可以采取粉末冶金工艺来制造，从而克服了熔铸钢中碳化物偏析这类缺陷，把粉末冶金技术成功引入了致密钢材和合金钢的生产领域。

硬质合金是粉末冶金产品的代表作，通常采用氢气烧结或者真空烧结进行合金化；相比之下引入HIP技术制备硬质合金具备以下优点；1）残余孔隙几乎完全消除，相对密度达到99.999%；2）制造大型或长径比大的制品时，废品率低，表面缺陷大幅降低，抛光后可得到光洁度极高的表面；3）制品性能大幅度提高。

钛合金因具有高强度、高韧性、抗氧化及耐腐蚀的特性，广泛应用于航天、航空、航母和化工等领域。钛制品的传统制造工艺复杂，二次加工材料损失大。用HIP技术制备的粉末钛合金，不仅简化了熔炼工艺和切削工序，而且合金组织更趋均匀，性能明显改善。

陶瓷材料的特点是熔点高、弹性模量大、硬度高、密度低、热膨胀小及耐磨、耐腐蚀等。通常采用粉末压制成型和烧结或热压，通常制品孔隙度较大，性能较差。HIP工艺提供了生产高性能、高均匀程度、高致密度陶瓷或陶瓷金属复合材料的手段。在加工过程中，由于原料粉末直接进入包套，不再添加传统工艺所需的有机成型剂，所以原材料在整个工艺过程中不受污染，这样生产的材料是一种纯洁的匀质材料，具有均匀的细晶粒和接近100%的密度。而且，等静压技术将高压惰性气体和高温同时作用于产品，能够有效地去除内部空隙，并在整个材料中形成强的冶金结合，极大地解决了陶瓷或陶瓷金属复合材料制备的困难，特别在制备大尺寸、复杂形状的陶瓷材料方面有较大的优势。

另外，HIP工艺能生产基本不需要机加工的近终形部件。一个热等静压的近终形部件，由于可做成最终尺寸或接近最终的制品尺寸，因此用料少。据统计，采用HIP近终成形工艺制得的产品，其材料的利用率一般可达到80%～90%，其价格比常规工艺制得的产品低20%以上，同时显著减少了机加工的时间和成本。HIP近终成形技术中使用的模具已经可以用钢板焊接而成，其形状可以任意变化，部件的设计自由度较大。由于可制作各种异型体及整体部件，减少了焊接的数目，也提高了制品整体的可靠性。HIP近终成形技术可提高原材料的使用率和机加工效率，常用于整体成形许多常规方法难以成形的零件，特别适合于航空航天、船舶、武器设备、核设施、发电设备等关系国计民生的重大应用领域。

CFM国际公司生产的CFM56发动机中有2个挡板通过粉末HIP近净成形，截止2007年12月31日，有17532台CFM56发动机在役，已装备7150架飞机。俄罗斯使用EI1698P镍基高温合金粉末HIP近净成形，为地面涡轮装置生产大尺寸盘型零件，其强度和塑形比铸、锻件提高了10%～15%，近净成形的盘类零件直径可达1100mm（图3）。Bjurstrom等利用HIP近净成形方法成功制造了高压泵体，并将泵的支撑、关口、凸缘等部位与泵体一起整体成形，不仅显著缩短了部件的制造周期，且明显提高了制件的力学性能。瑞典Stephen等将板材焊接拼合成复杂包套的外壳与内部模芯，对APM2218粉末HIP近净成形，成功制造了复杂的蒸汽管路系统。他们还以超级双相不锈钢粉末为原料，采用HIP近净成形技术制备出深海下使用的高压阀体，完全克服了传统铸、锻件的缺陷，综合性能明显提高。法国Baccino等采用HIP近净成形技术制备出镍基高温合金、钛合金、不锈钢类非常复杂的零件，如直升飞机发动机的涡轮轴、叶轮等制件，还制造出尺寸达1m的大型不锈钢件。

我国在粉末HIP近净成形领域的研究工作开展较少，目前主要由北京航空材料研究院、航天材料及工艺研究所、中南大学、北京科技大学、西北有色金属研究院等单位开展了相关研究工作，尚处于研究初期，与国外先进水平相比，还有很大差距。

2.2 扩散连接

扩散连接是一种新型的焊接工艺，对于难于焊接的金属以及异种材料之间进行固态连接具有很大的应用价值。热等静压扩散连接是将两种材料表面磨平和抛光后，用某种液体或气体介质在各个方向加力将两种材料紧密地压在一起，然后加热到熔点以下的某个温度，并保温保压一段时间，使材料通过原子间相互扩散实现连接。热等静压扩散连接涉及到的材料可以是金属-金属、金属-非金属、非金属-非金属，在核工业、航天等多个领域方面值得应用推广的一项较好技术。

从上世纪70年代以来，国内外采用热等静压扩散连接的方法对铍/钢，铍/铜合金，铜合金/钢，铜合金/铜合金，铜合金/Al合金连接进行了大量的研究，实现了铍/ HR-1不锈钢、Al-Si合金/HR-2不锈钢、Be/CuCrZr合金W/Cu、V-4Cr-4Ti/HR2钢的热等静压扩散连接。

王锡胜等采用热等静压（HIP）技术实现了进行扩散连接，研究表明中间过渡层及连接工艺参数对接头性能存在明显影响。在580℃，140MPa下Be与CuCrZr直接扩散连接以及采用Ti（Be上PVD镀层）/Cu（CuCrZr上PVD镀层）作过渡层的间接扩散连接均达到了较好的连接效果。表面采用Ti镀层的间接扩散连接，可有效阻止Be与Cu形成脆性相。另外，中间层或扩散阻碍层材料对连接成功与否或质量高低有着重要的影响，其选择原则是在设定的温度下，尽可能阻止Be的扩散，减少脆性金属间化合物的生成，同时又能缓和接头的内应力。国内外研究了多种材料作为Be/Cu连接的中间层或阻碍层，如Ag、Ti、Cu、Al、BeCu合金以及复合层Ti/Ni、Ti/Cu、Cr/Cu、Al/Ni/Cu等。

在核聚变反应装置中，偏滤器面对等离子一面的材料要求有很好的耐高温性能和良好的热传导性能。现有的单一材料不能同时满足两种需要，因而设计了W-Cu复合材料。钨具有很高的熔点，可作为面对等离子一侧的耐高温材料，铜具有很好的导热性能，作为基体材料能满足导热和冷却的要求。吴继红等采用热等静压实现了核聚变反应装置中偏滤器面对等离子一面的铜和钨进行连接，焊接性能满足了偏滤器工作需要。

钒合金作为聚变堆结构材料的候选材料，在作为结构材料应用时，须与不锈钢等金属进行连接。冷邦义等以AuNi合金作为过渡层材料，采用热等静压（HIP）方法进行V-4Cr-4Ti/HR2钢扩散连接。

3 结语

热等静压设备和工艺日益改善，应用领域不断扩大，目前热等静压技术已广泛应用于航空、航天、能源、运输、电工、电子、化工和冶金等行业。热等静压技术能使粉末冶金件在高温高压的作用下实现全致密化，晶粒细小，大幅度提高制品的宏观力学性能的均匀性，有助于提高制件的疲劳寿命，增强延展性、抗冲击强度及蠕变性能，而且能够实现近净成型，是制备新型材料的重要手段。

对于难以焊接或材料性能相差较大的异种材料，热等静压方法能够通过异种材料间的原子扩散形成性能较为满意的连接接头。因此，热等静压扩散连接是一种可在多个领域推广的技术方法。

参考文献；

[1]谌启明，杨靖，单先裕，等.热等静压技术的发展及应用[J].稀有金属及硬质合金，2003，31（2）：33.

[2]关明鑫.热等静压在粉末冶金中的应用[J].天津冶金，2001（5）：40.

[3]詹志洪.热等静压技术和设备的应用与发展[J].中国钨业，2005，20（1）：44.

[4]张义文.热等静压技术新进展[J].粉末冶金工业，2009，19（4）：32.

[5]陈飞雄，强劲熙，贾佐诚，等.热等静压法制取复合硬质合金轧辊[J].稀有金属材料与工程，1998，27（3）：177.

[6]尚文静.热等静压（HIP）技术和设备的发展及应用[J].有色冶金设计与研究，2010，31（1）：18.

[7]张善勇，隋玉俭.铸造高温合金的热等静压致密化机理[J].钢铁研究学报，1985，5（S1）：77.

[8]徐建庭，庄景云，许静君.热等静压（HlP）―消除铸件缺陷的有效方法[J].钢铁研究学报，1982，2（1）：29.

[9]呼和.镍基铸造高温合金的热等静压处理[J].金属学报，2002，38（11）：1199.

[10]马富康.等静压技术[M].北京：冶金工业出版社，1991：302.

[11]张鹏程，邹觉生，铍/HR-2不锈钢热压连接界面扩散区成分分布模拟[J].核动力工程，2003，11（1）：1.

[12]张鹏程，白彬，杨江荣，邹觉生，压力对被/HR-1不锈钢扩散焊的影响[J].稀有金属，2003，27（1）：1.

[13]张贵锋，张建勋，包亚峰.日本关于固相扩散焊界面空洞收缩机理的研究[J].焊接，2001（10）：14-18.

粉末冶金的优缺点篇3

二、工作目标

——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。

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。

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。

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。

（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”。

（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。

（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。

四、工作要求

粉末冶金的优缺点篇4

关键词： 高强高导；TiB2Cu基复合材料；研究现状；展望

中图分类号： TB331文献标识码： A

Research Situation and Prospects for High Strength and High

Electrical Conductivity TiB2Cu Matrix Composites

HE Daihua， LIU Ping， LIU Xinkuan， MA Fengcang， LI Wei，

CHEN Xiaohong， GUO Kuixuan， LIU Ting

（School of Materials Science and Engineering， University of Shanghai for

Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： The TiB2Cu matrix composites with excellent performances of high strength and high electric conductivity have extensive application prospects.In the paper，we focus on the fabrication techniques of TiB2Cu matrix composites.The prospects for the composites are also presented.

Key words： high strength and high electric conductivity；TiB2Cu matrix composites；research situation；prospect

0前言

高强度导电材料在航空、航天、电工及电子等行业有着极为广泛的用途，如电车及电力火车架空导线、大容量触头开关、电阻焊电极、电触头、集成电路引线框架等，都需要既具有高导电导热性又具有高强度的耐热稳定性材料[1].铜基复合材料具有高耐热稳定性和高强高导的特点，克服了传统铜合金的某些不足，大大提高了使用温度范围，能较好地满足以上需求，因此，铜基复合材料近年来得到了较大的发展.

利用弥散耐热稳定性好的陶瓷粒子强化铜基体是一种很好的方法.其中TiB2陶瓷颗粒具有高熔点、高硬度、高弹性模量，耐磨性好，热膨胀系数较低和高导电导热等特性，同其他陶瓷增强材料相比，它使金属的导电率、热导率下降量较小，使得TiB2Cu基复合材料具有较高的导电率和高的软化温度，因而TiB2作为铜基增强相的研究，已成为复合材料研究领域的一大热点[23].TiB2Cu基复合材料既具有优良的导电性，又具有高的强度和优越的高温性能，被认为是极有发展潜力和应用前景的新型功能材料，已逐渐受到各国的高度重视[45].

TiB2增强铜基复合材料的力学性能，主要取决于铜基体、增强体的性能以及增强体与铜基体之间界面的特性.用于制备TiB2Cu基复合材料的传统方法，主要是非原位复合方式，即直接添加陶瓷强化粒子到熔融或粉末基体中，强化相与陶瓷金属基复合材料的合成不是同步完成.但外加的增强颗粒往往比较粗大，增强体与基体润湿性差，颗粒/基体界面反应始终是影响传统搅拌铸造和粉末冶金的技术难题[6].本文主要介绍了目前较有发展前途的、能使第二相弥散分布于基体中、甚至具有纳米级颗粒增强铜基复合材料的原位复合制备方法.

上海有色金属第34卷

第1期何代华，等：高强高导TiB2Cu基复合材料的研究现状及展望

1纳米级颗粒增强铜基复合材料的制备方法1.1机械合金化法

机械合金化法（MA）是Benjamin[7]等于20世纪60年代为解决TiB2Cu基复合材料中的浸润性问题而最先提出的，其原理是利用固态粉末直接形成合金的一种方法，后来为广大学者接受并广泛使用.

Biselli[7]等在1994年利用机械合金化法球磨Cu、Ti和B粉，经适当的热处理制取出TiB2Cu复合材料.X射线衍射和EDS分析表明，球磨粉只有加热到600℃附近才反应生成TiB2，到800℃附近反应完成.TEM观察发现，Cu5%（体积百分比）TiB2合金700℃挤压后在晶粒内部和晶界上分布有5～15 nm的TiB2粒子.球磨粉在退火初期，硬度不断增加，到600℃附近达峰值，这是由于Ti和B粉发生反应生成稳定的硼化物所致，更高温度时硬度稍有降低，但降幅很小.西安交通大学董仕节[89]等研究了烧结工艺和TiB2含量对TiB2增强铜基复合材料性能的影响.提出TiB2/Cu复合材料导电率定量计算公式如下[10]：σ=σ01-11+0.87/c（1）σ为铜基复合材料导电率，σ0为基体铜的导电率，c为TiB2体积含量.

李京徽[11]采用机械合金化方法，先球磨制备CuTiB2复合粉末，然后通过压制烧结方法制备CuTiB2复合材料.提出了机械合金化法制备CuTiB2复合材料的合理工艺是：球磨时间60 h，压制压力400 MPa，烧结温度900℃，保温时间2.5 h.

机械合金化法是在固态下实现合金化，不经过气相、液相，不受物质的蒸汽压、熔点等物理特性因素的制约，使过去用传统熔炼工艺难以实现的某些物质的合金化、远离热力学平衡的准稳态、非平衡态及新物质合成等成为可能；增强相与基体具有很好的结合性；增强相颗粒分布均匀，尺寸细小.唯一的缺点是制备过程中可能带入杂质，纯度不够高.

1.2自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法（SHS）是1967年由前苏联学者Merzhannov等发明的，是利用放热反应使混合体系的反应自发地持续进行，生成金属陶瓷或金属间化合物的一种方法.刘利[12]等采用自蔓延高温燃烧合成技术研究了材料体系对合成过程中产物特性（温度、燃烧速度及产物等）的影响.研究结果表明，在体系中添加一定的金属钼或铁，明显改善了体系的润湿性；钼或铁的加入使产物中金属分布更加均匀，大大降低了产物孔隙率.同时钼的加入还明显降低了晶粒尺寸.

SHS法制备金属基复合材料有生产过程简单、反应迅速、反应温度高以及易获得复杂相或亚稳定相和应用范围广等特点.但缺点是反应难以控制，产品空隙率高，难以获得高密度的产品，不能严格控制反应过程和产品的性能，所用原料往往可燃、易爆或有毒，需要采取特殊的安全措施.

1.3粉末冶金法

粉末冶金法是生产铜及铜基复合材料结构件、摩擦材料和高导电材料的重要方法[13].制备TiB2Cu一般采用直接混合法和包覆混合法制取[14].主要工艺过程包括：（1）制取复合粉末；（2）复合粉末成型；（3）复合粉末烧结.吴波[1516]等以Cu、Ti、B4C合金粉末为原料，制备了TiB2Cu复合材料，得出最佳工艺参数为：以TiB2理论生成量为5%（质量分数）配料，在800 MPa压力下对球磨后的合金粉末进行模压，在1 273℃经4.5 h保温烧结，经原位反应可获得TiB100弥散增强的铜基复合材料.试样的导电率为：20.2%IACS，硬度（HV）为161.张剑平[6]等采用粉末冶金法制备了TiB2Cu复合材料，研究了真空加热烧结和微波烧结两种不同烧结方式对该复合材料组织和性能的影响.

粉末冶金法是最早用来制造金属基复合材料的方法，虽然有很多优点，如可实现多种类型的复合，充分发挥各组分材料的特性，是一种低成本生产高性能复合材料的工艺技术.但由于基体和增强相在尺寸、形状和物理化学性能上有很多差别，提高TiB2增强相与铜基体的润湿性，提高基体与增强相之间的界面结合强度，从而提高复合材料的综合性能，将依然是TiB2Cu基复合材料的研究方向.

1.4喷射沉积法

喷射沉积法制备TiB2Cu基复合材料，主要包括传统喷射沉积法和反应喷射沉积法.传统喷射沉积法是熔炼好含反应元素的合金后再进行喷射沉积[17].此方法是在铜合金熔体内反应元素间发生化学反应生成弥散粒子，然后利用喷射沉积法使强化粒子均匀分布在铜基体内.反应喷射沉积法是利用液滴与反应气体、注入的粒子或不同合金的液滴间发生原位化学反应合成弥散强化铜合金[1819].在反应喷射沉积过程中，由于液滴的比表面积大和处在高温状态，能使反应元素间在液滴飞行过程中或在沉积后，能在铜基体内部原位合成细小的弥散强化相.喷射沉积法的优点主要是：晶粒细小，无宏观偏析、颗粒均匀分布于基体中；一次性快速复合成坯料，生产工艺简单，效率高.

2高强高导TiB2Cu基复合材料的研究展望随着复合材料技术的发展，原位复合法得到了迅速发展，该材料以其独特的优点，在高强高导电性TiB2Cu基复合材料的制备方面显示出巨大的应用潜力和良好的发展前景.高强度导电TiB2Cu基复合材料是综合性能优良的新兴材料，这类材料在现代国防和民用工业领域有着很大的应用潜力.自20世纪70年代以来，高强度导电铜基材料的开发研究一直非常活跃，除了开发出多种高强度导电铜基复合材料外，还派生和创造出许多新的制备技术，对此类材料的基础理论也开展了广泛的研究.现有的高强度导电TiB2Cu基材料的开发及制备技术还存在诸多难题，我国在这方面的研制与发达国家相比还存在较大差距.因此，借鉴国外经验，今后的研发工作主要着眼于以下几个方面：

（1） 对现有制备工艺的研究和改进.如在传统的粉末冶金法中引入由微波加热与基座辐射加热相结合的新型工艺；原位合成技术与粉末冶金技术的综合运用等，由单一的制备方法向几种工艺相复合的方向发展.

（2） TiB2增强相向超细化、纳米化方向发展.纳米增强相尺寸较小，容易聚集，所以可使纳米增强相的表面改性；TiB2纳米粒子与基体的界面相互作用机制，可优化界面结构，充分发挥界面的增强效应；纳米TiB2增强相在铜基体中更加均匀弥散地分布等是研究的热点.

（3） 增强相也由单一的TiB2颗粒向复合陶瓷颗粒方面发展.如增加TiB2和Al2O3两相颗粒进行复合增强.

（4） 充分发挥材料的设计自由性，探索高性能、低成本和容易大规模生产的TiB2Cu铜基复合材料的制备工艺，推进高强度导电材料的产业化应用，将成为今后研究的重要课题.

3结束语

基于TiB2Cu基复合材料优良的导电性、高强度和耐高温等一系列优异性能，今后围绕其导电性和强度展开研究仍是一个热点，进而简化工艺流程、降低生产成本，逐渐工业化也是今后的研究方向.特别是随着我国高铁系统的发展，TiB2Cu基复合材料的需求缺口很大，所带来的市场经济效益相当可观.

参考文献：

[1]Hysmans P.An initiation into copper master alloys[J].Metall，2000，54（4）：184185.

[2]Wu Y，Lavernia E J.Interaction mechanisms between ceramic particles and atomized metallic droplets[J].Metall Trans，1992，23A：29232937.

[3]Ye J，Ulrich S，Sell K，et al.Correlation between plasma particle fluxes，microstructure and propertied of titanium diboride thin films[J].Surface and Coatings Technology，2003，174/175：959963.

[4]雷静果，刘平，井晓天，等.高速铁路接触线用时效强化铜合金的发展[J].金属热处理，2005，30（3）：15.

[5]李周，郭明星，程建奕，等.原位复合法制备高强高导CuTiB2复合材料[J].金属热处理，2006，25（3）：5964.

[6]张剑平，艾云龙，左红艳，等.烧结方式对TiB2/Cu 复合材料组织和性能的影响[J].特种铸造及有色合金，2012，32（5）：469472.

[7]Biselli C，Morris D G，Randall N.Mechanical alloying of high strength copper aIloys containing TiB2 and A1203 dispersoid particles[J].Scr Metal Mater，1994，30（10）：13271332.

[8]董仕节，史耀武，雷永平.烧结工艺对TiB2增强铜基复合材料性能的影响[J].西安交通大学学报，2000，34（7）：7377.

[9]董仕节，史耀武，雷永平，等.TiB2含量对TiB2/Cu复合材料性能的影响[J].热加工工艺，2002，31（3）：4749.

[10]董仕节.点焊电极用TiB2增强铜基复合材料的研究[D].西安：西安交通大学，1999.

[11]李京徽.机械合金化制备CuTiB2复合材料的工艺及性能研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.

[12]刘利，张金咏，傅正义.TiB2Cu体系的自蔓延高温合成及致密化[J].复合材料学报，2005，22（2）：98102.

[13]Kima C K，Lee S，Shin S Y，et al.Microstructure and mechanical properties of Cubase amorphous alloy matrix composites consolidated by spark plasma sintering[J].Materials Science and Engineering，2007，A44945l：924928.

[14]Yih P，Chung D D L.Titantum diboride coppermatrix composites[J].J Mater Sci，1997（32）：17031709.

[15]吴波.TiB2颗粒增强高强高导铜基复合材料研制[D].南昌：南昌大学，2008.

[16]吴波，张萌，张剑平，等.粉末冶金法与电弧熔炼法制备TiB2/Cu复合材料[J].热加工工艺，2008，37（22）：15.

[17]Lee J，Kim N J，Jung J Y，et al.The influence of reinforced particle fracture on strengthening of spray formed CuTiB2 composites[J].Scr Metal Mater，1998，39（8）：10631069.

粉末冶金的优缺点篇5

关键词：K系列；冷作工磨具钢；粉末冶金；特性

从整体上来看，我国的冷作工磨具钢已经形成了多个系列，其中所涉及到的钢材种类有十多种，在一定程度上满足了社会的需求，但从另一个方面来讲，我国经济虽然发展速度非常快，但是由于起步比较晚，这就导致当前的冷作工磨具钢并不能够与社会技术发展同步，并不能够满足社会高端产品的需求。另外，我国还有很多都是采用落后的炼钢技术来生产产品，导致产品出现各种缺陷，并不能够促进钢材质量的发展。总而言之，我们必须要结合国外的成功经验来对冷作工磨具钢进行深入研究，只有这样才能够在生产过程中采用合适的钢材，从而降低经济成本，在国际市场中取得竞争优势。本文首先分析了K系列冷作工磨具钢的种类与化学成分，然后根据这一类参数阐述了这一系列的冷作工磨具钢的用途与国内的发展。

一、K系列冷作工磨具钢的种类

在K系列的冷作工磨具钢当中，根据其含钢合金的多少可以将其分为三种：首先是低合金冷作工磨具钢，这一种钢材当中含有的钢合金元素在5%以下；其次是中合金冷作工磨具钢，这一种钢材中所含有的钢合金元素一般在5～10%之间；再次是高合金冷作工磨具钢，这一种钢材中所含有的钢合金元素都超过10%，其中还可以将这一类钢材分为含有8%Cr钢与12%Cr钢。（1）8%Cr钢。目前，在国际上已开发了几种新的钢种，这些也就称之为8%Cr钢，这些钢具有加强的抗压强度，稳定性极高，可以将其运用在磨损较为强烈的不锈钢当中。在钢材当中，正因为其中的铬元素只有8%，因此其中的碳元素也就不多，在很大程度上增加了8%Cr钢的韧性。（2）12%Cr钢。国际上有一部分开发出来的钢种我国并没有记载，通过分析，这些钢材当中存在少量的钨元素，这些钨元素的主要功能是为了增加钢材的韧性以及抗磨能力。最后是粉末冶金冷作工磨具钢。一般来说，这一种钢材的制作方法也就是先将其炼制成钢水，然后再将其采用一定的设备熔制成钢锭，最后再将其打造成我们需要的材料。正因为是将钢水直接倒入电渣炉当中，电渣炉可以将钢水当中的杂质去除，从而有效的保证了型钢的质量。采用这种方法炼制出来的型钢，虽然其中含有的碳元素以及钢合金元素都相对较高，但是它的性能也比普通型钢的性能要高很多。

二、K系列冷作工磨具钢的主要用途

不同种类的冷作工磨具钢有不同的用途，以下对几种常用型钢的用途进行分析：1）K100。这一类钢材可以当做冲切工具、木工工具、剪刀刀片等，另外，还可以当做测量工具、塑料模具或者应用在制药工业当中的冲压工具。2）K105。这一类钢的韧性极强，我们可以将其当做高性能切削工具使用，也可以当做冲压工具应用在制药工业与陶瓷工业当中；3）K110。这一类钢的用途与K105大致相似。4）K329。此类钢一般会当做高复合机加工刀具应用在纸张制作工业当中，或者是当做圆环形剪刀刀片应用在15mm以上的厚板材当中。5）K340。这类钢可以当做木工工具或者冷成型工具应用在工业当中，也可以当做造币工具。6）K360。当做压花工具制作艺术品，还可以当做剪刀刀片应用于纸张切割当中。7）K390。这一种钢的用途特别广泛，可以当做冲却工具应用在各种工业当中；可以当做排距应用在纸张工业或者其他相关工业当中；还可以将其应用在塑料加工工业当中。

三、国内外在冷作工模具钢方面的差距

1、基础研究

根据K系列各钢号间的性能，可对材料进行合理的选用，有效地发挥所选材料的效能，从而降低生产成本。该表是基础研究的一个方面，是钢种间的横向比较，属于工作量较庞大的基础研究，说明国外在冷作工具钢方面比国内做了更多的研究工作。我国还需要在基础研究方面下大力气，不能仅停留于单个钢号性能的研究，需做些比较性的研究，以便使用户更容易选用理想的钢材。

2、炼钢方法

常规的炼钢方法是电炉熔炼法，至今国内绝大部分钢材仍采用此法冶炼。而国外在几十年前就开始逐渐减少普通的电炉炼钢，不断增加炉外精炼、电渣重熔、真空电渣重熔和粉末冶金等先进炼钢法，目的是为了适应汽车制造业、微电子业和IT业的发展。因为随着汽车工业的发展，汽车的表面质量越来越重要。而汽车模具都是大型模具，任何钢材内部的缺陷如气孔、夹渣、偏析和裂纹等都可能引起产品表面的缺陷。采用普通电炉炼钢则内部缺陷过多，已无法满足高质量模具的需要，因此促进了炉外精炼、电渣重熔、真空电渣重熔和粉末冶金等先进炼钢法的应用。微电子业和IT业的迅猛发展更促进了电渣重熔、真空电渣重熔和粉末冶金等三种炼钢法的应用。K系列冷作工模具钢主要采用真空炉外精炼、电渣重熔、真空电渣重熔和粉末冶金等四种炼钢法。

3、型材尺寸和利用率

国外高级优质冷作工模具钢的型材厚度或直径可达500mm左右，其碳化物偏析轻微，夹杂物、疏松孔隙和气体含量很少，这是由于应用了电渣重熔炼钢法所致。国内由于大部分钢厂仍沿用传统的电炉炼钢法，少量使用炉外精炼，这两种方法制造的钢材尺寸（厚度或直径）一旦超过150mm，碳化物偏析将极为严重，同时心部将伴随大量夹杂物、疏松孔隙和气体，采用锻造方法也很难改善。因此，我国必须扩大电渣重熔炼钢法的应用，提高电渣重熔炼钢水平，以满足超大型材的制造要求。

在型材的利用率上，国外高级优质冷作工模具钢的利用率明显高于国内。因为国外高级优质钢在钢锭成型后首先将冒口充分去除，锻造和退火软化后将表面进行大余量的加工，以充分去除表面缺陷和脱碳层。经过这样处理后的供货型材整体质量差异极小，基本上可做到100%的可利用。而国内的许多型材由于冒口和表面缺陷未能充分去除，常常导致大量钢材无法利用，利用率远低于国外的，最终用户的材料使用成本反而高于国外的。

四、结束语

国内的冷作工模具钢分为退火状态和压力加工状态两种供货形式。退火状态保证珠光体级别和碳化物偏析在合格范围内，也就是所供应的钢已经过充分锻打加软化退火，以确保碳化物偏析达到合格级别，该种钢可被称作保证质量钢。国外的K系列冷作工模具钢则不同，只有退火软化状态供货，锻造改性工序由钢厂完成，用户只要直接加工使用，确保质量和使用寿命，因此可以将国外高级优质冷作工模具钢称作保证质量钢。当前及今后，国内必须借鉴发达国家的模式，改为退货软化状态一种供货模式，锻造改性由钢厂完成，为用户提供保证质量钢，以避免用户选错材料及造成浪费和对国内钢材的误解。

参考文献

粉末冶金的优缺点篇6

Abstract： One important direction of current materials research work is how to apply microwave sintering technology to the preparation of metal materials. The history， basic theories， characteristics， current situation of microwave sintering in the preparation of metal materials were simply introduced in this paper. Problems that may arise during microwave sintering metal materials were analyzed. And the trend of microwave sintering in the preparation of metal materials was estimated.

关键词： 微波烧结；技术原理；金属材料；应用前景

Key words： microwave sintering；basic theories；metal materials；trend

中图分类号：TB331 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）36-0015-03

0 引言

20世纪60年代中期，Tinga.W.R[1]最早提出微波烧结技术。早期微波烧结技术主要应用于陶瓷材料的制备及处理的各个过程。20世纪70年代中期，法国的Badot和 Berteand开始对烧结技术进行系统研究[2]。20世纪80年代，微波烧结技术逐渐受到重视并引入到材料科学领域[3]，开始用于烧结制备各种高性能的陶瓷。进入九十年代，微波烧结材料的种类不断扩展，逐渐被引入到硬质合金、纳米材料、复合材料等材料的烧结制备过程中。但是微波烧结技术一直没有涉及到金属材料，这是由于人们普遍认为金属材料是良导体，对微波是反射的，不能吸收微波。1999年，美国宾夕法尼亚大学材料研究实验室的科学家突破传统的观点[4，5]，成功利用微波烧结金属粉末制备了金属材料，接着便掀起了研究微波烧结制备金属材料的高潮。美国、中国、日本、印度、西班牙、德国、新加坡等国先后对微波烧结技术应用于金属材料进行了研究，并且都在实验基础上制备了高性能，高质量的合金产品，预示了微波烧结技术应用于金属材料的制备有着广阔的应用前景。

1 微波烧结制备金属粉末的原理

微波烧结技术基于的原理是材料内部的基本细微结构与特殊波段的微波耦合，通过材料的介质损耗转化为热量，使材料整体加热而实现烧结致密化。但是微波在金属煤质中行进时，穿透深度有限，引入穿透深度

δ=■（1）

表示微波场量的值衰减至表面处值的1/e=0.368的深度。经计算得出一些常见金属的穿透深度，见表1。

可见，金属表面只有极薄的一层对微波具有吸收作用，其内部与微波的作用很小。

同时块体金属材料在电磁场中具有趋肤效应，内部的自由电荷在电磁场的作用下，会迅速向导体表面聚集。自由电荷响应电磁场的速度非常快，弛豫时间远小于电磁振荡的周期。因此，在电磁振荡每周期开始的时候，自由电荷已经聚齐于块体金属导体表面，其内部的自由电荷密度ρ=0，不存在自由电荷，不具备能量吸收和转化的媒介，无法通过微波与块体金属材料进行耦合作用。因而微波烧结技术不能应用于块体金属材料。

但是，金属粉末的几何尺寸为微米级甚至纳米级，与微波对金属的穿透深度相当，所以与电磁波的相互作用行为发生了显著变化[7]。微波所及体积占了金属合金粉末体积的极高比例，该部分体积所吸收转化的微波能量足以使金属粉末的温度发生显著变化。并且金属粉末压坯颗粒表面积大，活性高的表面原子比例大，表面存在大量的孔隙、空位等缺陷，表面化学性质活性，微波具有更大的穿透深度，与块体金属相比，压坯的反射率降低，吸收的能量增加。因此，金属粉末具有较强的吸波能力[4]，能被加热到很高的温度，能够利用微波进行烧结。

2 微波烧结制备金属粉末的研究进展

微波烧结技术具有整体加热、选择性加热、升温速度快、烧结时间短、易于控制、环境友好等特点，易得到均匀致密的细晶结构，提高了产品的物理、力学性能。因而自1999年美国宾夕法尼亚大学的科学家发现微波也能用于烧结制备金属材料以来，这项新的研究领域激起了国内外很多研究者的广泛关注。十几年来微波烧结制备金属材料得到了一定的发展和应用。

2.1 微波烧结制备铁基合金

铁基合金主要有Fe-Ni合金和Fe-Cu合金，具有广泛的用途，可用来制作齿轮、转子、衬套等结构零件。1999年，Roy教授等率先利用微波烧结制备了Fe-Ni和Fe-Cu合金[4]。随后长沙隆泰科技有限公司的黄加伍等[8]、中南大学的罗春峰等[9]、中南大学的彭元东等[10]先后研究了微波高温烧结粉末冶金铁基材料的工艺特点及性能。结果表明，在不同烧结温度和保温时间下，微波烧结样品的显微结构、强度、硬度、抗拉强度、抗弯强度、致密度等参数与常规烧结相比，均表现出明显的性能提高。同时微波烧结温度低、烧结速度快、烧结周期短，降低了生产成本和能源浪费，减少了环境污染。中南大学的陈丽芳等[11]通过微波烧结制备了Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C合金钢，和常规烧结相比，合金钢不仅缩短了烧结时间，而且提高了力学性能。

2.2 微波烧结制备高密度合金

高密度合金广泛应用于石油钻井、机械制造、航空航天、钟表摆锤制造等领域。传统烧结很难制备出组织均匀、致密度高以及性能优异的高密度合金。由于微波烧结可以有效抑制晶粒长大，细化合金组织，减少孔隙分布，均匀显微组织，提高钨基高密度合金的密度和组织均匀性，因此微波烧结技术被广泛的用于钨基高密度合金的烧结。从2007年开始，中南大学的易健宏等[12]就开始对微波烧结W-Ni-Fe高密度合金就行研究。分别探讨了压制压力、烧结温度、烧结时间，W粉粒度、升温速度对微波烧结W-Ni-Fe高密度合金性能的影响。同时中南大学的马运柱等[13]研究了真空热处理对微波烧结93W-Ni-Fe合金显微组织及力学性能的影响。中南大学周承商[14]又在微波烧结制备W-Ni-Fe高密度合金中添加Mo元素对微波烧结W-Mo-Ni-Fe合金进行了研究。2011年印度国家热电有限责任公司Avijit Mondal[15]等研究了加热模式和烧结温度对90W-7Ni-3Fe合金的影响。刘瑞英等[16]通过控制烧结温度、烧结时间等主要影响W-Ni-Cu致密化因素，利用微波烧结制备了95W-3Ni-2Cu。并通过研究发现，在保证烧结温度和烧结时间的情况下，升温速度对产品微观组织的致密化影响不大。

2.3 微波烧结制备钨铜合金

钨铜合金由于金属铜和钨熔点差别大，不互溶，因此不能采用熔铸法进行生产。中南大学易健宏等[17]通过微波烧结制备了W-Cu合金。与常规烧结相比，促进了W-Cu合金的致密化和组织的均匀化。1250℃，保温10分钟的情况下，W-25Cu合金可以实现接近理论密度。当加入Fe元素作为烧结助剂的时候，W-Cu材料的致密化行为得到显著改善。同时易健宏[18]等还研究了微波熔渗法制备W-Cu合金。并与钼丝管式炉中烧结进行对比，发现两种方法制得的W-Cu合金电导率相似，但是微波法制备的产品硬度更好。

2.4 微波烧结各种金属单质粉末

微波对于金属粉末的烧结机理不同于块体金属，微波对金属块体的趋肤深度大约在微米级，远小于块体金属的尺寸，粉末态松散结构生坯的初始趋肤深度与块体金属的初始趋肤深度存在很大差异。中南大学的朱凤霞等[19]研究了微波烧结金属纯铜压坯时发现，生坯趋肤深度约为0.05m；与样品尺寸处于同一数量级，更远远大于单个粉末颗粒尺寸，最终样品得以升至1000℃高温保温，并实现良好致密化。印度科学家K·Rajkumar等[20]研究了铜-石墨粉末的烧结。发现微波能够成功地烧结没有任何裂痕的铜-石墨复合材料并且具有更加细小的显微结构，产品的孔隙是小的、圆形的。这些都加强了产品的机械性能。印度的G·Prabhu[21]等通过微波烧结钨粉。与常规烧结对比发现，微波烧结高温球磨后的钨粉能达到相对致密度93%高于一般钨粉的85%，维氏硬度达到303高于普通钨粉的265，且高温球磨后的钨粉微波烧结后的显微组织更加均匀致密。日本科学家K·Saitou[22]利用微波烧结制备钴粉、镍粉和不锈钢粉，并且将微波烧结与传统烧结钴粉、镍粉和不锈钢粉就行了对比。通过对比发现微波烧结能促进压坯更大的收缩，从而获得高致密度的产品，具有优良的物理和机械性能。

2.5 微波烧结其它金属粉末

微波烧结还运用于铝粉、Al/Ti合金、Cu-12Sn合金、储氢合金、形状记忆合金、功能梯度材料、金属间化合物Mg2Si等多种金属及其合金的制备，且都取得了较好的致密度和机械性能。

3 微波烧结金属合金粉末存在的问题及前景展望

微波烧结金属粉末从1999年发展至今才刚刚过去十几个年头，虽然科学家们在这方面的研究有所进展，但目前还处于微波烧结金属粉末的起步阶段，存在许多急需解决的问题：

首先，烧结机制的问题。微波烧结金属粉末的机制还不是很清楚，这样限制了微波烧结金属粉末制备金属材料的种类，减少了其应用范围。

其次，微波加热过程中的温度通常采用红外测温仪，红外测温仪是通过测定表面的红外线和特定的表面发射率ε来确定表面温度，在实验中所烧结的材料在特定温度下，其发射率将有显著变化，因而烧结温度无法进行准确测量。

再者，微波烧结的设备一直是限制微波烧结金属粉末的重要问题。目前微波烧结设备的最高温度只能达1700℃，同时国家规定的微波功率限制在2.4GHz、915MHz，随着微波烧结金属粉末种类的不断扩大，微波烧结设备的模块化设计也应该引起人们的重视。

此外，获取一个较大区域的均匀微波烧结场区也是一个需要解决的问题。

微波烧结金属合金粉末还处于一个起步阶段，虽然目前距离工业化还有一段距离，但是由于微波烧结表现出无可比拟的优越性以及金属材料无比重要的用途，将来必将引发一场微波烧结制备金属材料的高潮。

参考文献：

[1]范景莲，黄伯云，刘军，吴恩熙.微波烧结原理与研究现状[J].粉末冶金工业，2004，14（1）：29-33.

[2]Berteaud A J， Badot J C. High temperature microwave heating in refractory materials[J]. Microwave Power，1976，11（4）：116-121.

[3]HU Xiao-li， CHEN Kai， YIN Hong. Microwave sintering-new technology for ceramic sintering[J]. China Ceramics，1995，31（1）：29-32（Ch）.

[4]Rustun Roy， Dinesh Agrawal， Jiping Cheng， et al. Full sintering of powdered-metal bodies in a microwave field [J]. Nature， 1999，399（17）：668-670.

[5]Shalva G， Dinesh A， Rustum R. Microwave combustion synthesis and sintering of intermetalics and alloys[J]. Mat Sci Let， 1999，18：665-668.

[6]易建宏，罗述东，唐新文，李丽娅，彭元东，杜鹃.金属基粉末冶金零件的微波烧结机理[J].粉末冶金材料科学与工程，

2002，7（3）：180-184.

[7]Tang X， Tian Q， Zhao B el a1. Mater Sci Eng[J]. 2007，445-446：135.

[8]黄加伍，彭虎.粉末冶金Fe-Cu-C合金的微波烧结研究[J].矿冶工程，2005，25（5）：77-79.

[9]罗春峰，李溪滨，刘如铁，熊拥军，夏广斌.微波烧结对粉末冶金铁基材料性能的影响[J].湖南冶金，2006，34（2）：7-10.

[10]彭元东，易健宏，郭颖利，李丽娅，罗述东，朱凤霞.微波烧结Fe-2Cu-0.6C的性能与组织研究[J].粉末冶金技术，2008，26

（4）：269-272.

[11]陈丽芳.微波烧结Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C合金钢性能研究[D].长沙：中南大学材料学，2009.

[12]周承商，易健宏，罗述东，彭元东，陈刚.W-Ni-Fe高密度合金的微波烧结[J].中国有色金属学报，2009，19（9）：1601-1607.

[13]马运柱，张佳佳，刘文胜，贺柳青，蔡青山.真空热处理对微波烧结93W-Ni-Fe合金显微组织及力学性能的影响[J].稀有金属材料与工程，2012，41（9）：1680-1683.

[14]周承商，易健宏，张浩泽.W-Mo-Ni-Fe合金的微波烧结[J].中国有色金属学报，2012，22（10）：2818-2824.

[15]Avijit Mondal， Anish Upadhyaya， Dinesh Agrawal. Effect of heating mode and sintering temperature on the consolidation of 90W-7Ni-3Fe alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds， 2011，509： 301-310.

[16]刘瑞英，周琦，尚福军，刘铁，刘勇，黄伟，史文璐.W-N-Cu钨合金微波烧结试验研究[J].兵器材料科学与工程，2012，35（4）：40-42.

[17]Shu-dong Luo， Jian-hong Yia， Ying-Li Guoa， Yuan-dong Peng， Li-ya Li， Jun-ming Ran. Microwave sintering W-Cu composites： Analyses of densification and microstructural homogenization[J]. Journal of Alloys and Compounds，2009，473：5-9.

[18]郭颖利，易健宏，罗述东，周承商.微波熔渗法制备W-Cu合金[A].2009全国粉末冶金学术会议[C].2009.

[19]朱凤霞，易健宏，彭元东.微波烧结金属纯铜压坯[J].中南大学学报（自然科学版），2009，40（1）：106-111.

[20]K·Rajkumar. Microwave sintering of copper-graphite composites[J]. Journal of Materials Processing Technology，2009， 209：5601-5605.

粉末冶金的优缺点篇7

关键词：激光熔覆技术，石化机械，维修，应用实例。

中图分类号： F407.4 文献标识码： A文章编号：

一、激光熔覆技术概述

1.1 激光熔覆技术的定义

激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、 抗氧化及电器特性等的工艺方法。激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法[.如对60#钢进行碳钨激光熔覆后，硬度最高达2200HV以上，耐磨损性能为基体60#钢的20倍左右。在Q235钢表面激光熔覆CoCrSiB合金后，将其耐磨性与火焰喷涂的耐蚀性进行了对比，发现前者的耐蚀性明显高于后者。

激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节约贵重稀有金属材料，因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。

1.2 激光熔覆的技术特点

激光熔覆技术的基本特点是覆层平整、稀释率低、与基材的冶金结合强度高。低稀释率有利于保证熔覆层的成分和性能，而覆层的表面均匀性将使后续加工量大大降低，也因此降低了后续加工成本。熔覆过程中工件肌体温度小、变形量小，对工件肌体原有性能影响小，因而能大大满足工件现场修复的需要，实现在较短的时间内恢复工件使用功能的要求，满足了石化生产中因设备故障而“应急”恢复功能的需求。

二、激光修理技术的开发与应用

激光熔覆是一种先进的涂层技术，利用高能激光束在金属材料表面获得极好的表面耐磨、耐蚀、耐冲刷、耐疲劳、抗高温氧化、减磨等多种高性能涂层，其综合性能明显优于热喷涂、等离子喷涂、喷焊、堆焊等现有涂层技术。激光熔覆具有熔覆热量小、工件基本无变形的特点，在零部件的修复方面优势明显。

随着大功率工业化激光加工机制造技术的不断完善，大功率激光工业化应用技术也越来越被国内外各研究机构所重视，不断取得新成果。

目前，虽然已有大量关于激光熔覆的工业化应用的研究，如激光熔覆的特性，不同材料与基体组合的熔覆工艺、参数、熔覆层的微观组织结构和相分析、熔覆层的性能、熔覆层的缺陷，激光熔覆基础理论和模型建立，激光熔覆的应用，激光熔覆专用材料和装备等，但均处于未完全成熟阶段。激光熔覆涂层技术需进一步解决的问题有：大面积激光熔覆过程中的裂纹问题，激光熔覆专用材料体系，激光熔覆过程的检测与实施自动控制。

2.1 激光熔覆修理

主要是对原磨损机件进行表面堆焊，将因过度磨损、腐蚀、冲刷、氧化、刮伤、变形等原因而导致失效的零部件进行激光表面熔覆修复。它不仅能使损坏的零件恢复原有尺寸，而且可以提高或改善其性能，节约设备维护费用。虽然激光修理有熔覆层与零件母材冶金结合、堆焊热影响区小、零件变形量小等显著优点，但激光熔覆伴有传热、辐射、固化、分子取相及可能的结晶等物理变化，仍存在一定程度的零件变形。笔者认为，这些变形过程的控制取决于熔池的深度和温度区分布，并直接影响到熔池的形状和熔覆层的组织性能，因此，熔池的温度区分布控制与激光熔覆层质量（组织、性能、表面粗造度等）有关。经大量试验分析与模拟计算，可以确定，在给定条件下（激光功率、激光扫描速度、光斑直径、环境条件等）送粉率和熔覆层厚度是控制温度区变化的重要因素。

2.2 激光熔覆加工表面温度的影响和控制

激光注入热量的不均衡和加工时激光熔池温度区分布不稳定等因素，导致修复部位应力分布过于集中、稀释率太高，常常引起裂纹或强度不够。应控制好激光再制造工艺参数，保证激光熔覆的质量。这些参数包括激光功率、加工速度、送粉量、焦深、工件及粉末材料的倒热率等。

2.3 激光熔覆粉末的开发

由于激光熔覆工艺本身的特点，热喷涂粉末不能完全满足激光熔覆技术的要求，尤其是高硬度粉末，用于激光熔覆时涂层的开裂倾向很大，根本无法满足熔覆要求。相对于铁基和钴基，镍基材料的开裂敏感性较低，成本适中，能满足耐磨、抗热疲劳、耐腐蚀等性能需求，应用广泛，镍基材料的应用是激光熔覆粉末的开发研究方向。激光熔覆对粉末、工艺性能的要求主要有：

①粉末的熔点低，自熔性、浸润性好，涂层的成型美观、无缺陷。②粉末有良好的流动性，颗粒成型为球状，大小均匀。③粉末有较高的抗开裂能力和较小的收缩线性。④激光熔覆一般多用于零件的磨损修理，所以还要求熔覆层有较高的硬度和耐磨性。此外，在粉末的选用上，还要考虑石化设备的修理、熔覆层对工艺介质的耐腐蚀性要求等因素。

经过对大量自熔性合金粉末的试验和筛选，我们改进了镍基自熔性合金粉末的成分，收效良好。镍基自熔性合金粉末中的元素“B”（硼）和“Si”（硅）的含量对熔覆层的成型质量影响显著，用于激光熔覆的粉末应严格控制“B”和“Si”的合理比例。

三、激光熔覆工业化应用实例

例1：对热电厂吸风机转子的修复。该转子长4 930mm、直径420 mm，材质40Cr。以前采用刷镀、低温镀铁等工艺进行修复，使用寿命和效果不佳，更换新件费用高、浪费大。该转子修复前的情况是：支撑轴承部位大面积磨损，比标准尺寸小0.03~0.05 mm，并有多处宽1~2 mm、深0.3~0.5mm的环状沟痕。经分析，决定采用硬度HRC30 左右的镍基粉末对其磨损表面进行激光熔覆，根据熔覆部位直径，设定加工机的主轴S 轴的转速、送粉量应保证熔覆层厚度为0.4 mm 左右。激光熔覆后，该转子熔覆表面成型均匀，表面硬度检测为HRC25，复型后投入使用至今，效果良好。

例2：对炼油厂火炬气螺杆压缩机壳体及阴阳转子的修复。该压缩机采用双螺杆压缩模式，工作介质为硫化氢，设备修复前冲刷及硫化氢腐蚀严重，已无法使用，压缩机解体后发现其壳体、端盖及阴阳转子都因物料中含有大量的腐蚀性气体而出现不同程度的腐蚀。壳体、端盖都已冲刷减薄3 mm 以上，阴阳转子的直径减小了1mm 左右，壳体、端盖的材质为铸铁，转子材质为铸钢，材料可焊性极差，修复工艺难度较高。由于当时炼油厂无备台或备件可换，生产急需恢复该设备的功能。该设备的了修复采用了激光熔覆技术的多层熔覆工艺，熔覆层数达到了5 层，最厚熔覆层总厚度达到4 mm，大面积熔覆取得成功（壳体、端盖的熔覆采用了复合工艺）。由于螺杆的螺旋线沟巢狭小，无法进行自动送粉，熔覆过程采用了手工涂粉，粉末量保证熔覆层厚度在0.35~0.4 mm之间，激光光斑进行直线往复运动，最初设定加工机功率、线速度、运动横向进给，工作参数比较保守。熔覆后发现覆层表面存在大量的气孔的缺陷，经分析认为是由转子原表面凹坑中的氧化物及污垢未去除干净所致。将氧化物及污垢清理干净后再进行熔覆，将功率增加，其它参数不变，则熔覆层成形质量明显提高，只有少量气孔。在熔覆第二层时，保持功率等参数不变，将线速度提高，熔覆层质量基本与熔覆普通碳钢零件表面相同。照此方法对阳转子螺杆部份的外表面熔覆了两层，然后在自制的专用胎具上让其与阴转子互研，采用手工打磨的方法去除高点后，再进行熔覆，如此反复进行，直至阴阳转子啮合完好，间隙满足要求。修复后试运转表明，设备功能恢复良好，压缩量基本满足生产工艺要求。

四、结语

在利用激光熔覆技术进行石化机械修复过程中需要注意的几个问题。第一，必须确认被修复基体的材质，以便选择修复涂层的材料。第二，由于修复层只与基体表面发生冶金结合，故修复尺寸需要谨慎控制，否则会影响基体的机械强度。第三，被修复工件进行机加工时，必须结合工件的工作原理和工作特点进行基准选择，要做到基准正确可靠，否则形位公差难以控制，工件无法正常工作，带来修复负影响。第四，对大型重要设备的关键零件修复后，除宏观上考察熔覆层形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率外，微观上还应检测是否形成良好的组织，能否提供所要求的性能，必要时要进行质量寿命检测。

随着激光熔覆技术基础理论研究的不断深入和发展、熔覆材料及相关设备的不断开发和研制、自动化程度的不断提高，该技术的技术经济效益将日益突出，是发展再生经济的重要途径。

参考文献：

粉末冶金的优缺点篇8

好在才让是个小有名气的人，好在我深知基础数据在网上都会有，好在安泰科技是个上市公司，企业有定期的报告，股票市场有横着杀出来的一些“市场分析师”；好在我在中关村也算混了快十年。

那么半个小时，对我来说也是够了。此前的各种各样的大会议小论坛里，见过才让；也在一些杂志的封面上、网页上，见过他的照片，有时候更折服于他偶然脱口而出的企业理念。我只需要问他一些表面上不着边际的问题，似乎就可以完成我的采访。

安泰科技脱胎于北京钢铁研究院，而安泰现在的产品，却是越来越精细、越来越高端；安泰科技原本是非流通股占大头的国有企业，而去年底的一场变革，让企业越来越开放，给了小股东更多说话的理由；安泰科技本来对员工的福利照顾得不周到，现在，越来越多的精力放在“惠泽员工”上。这一切都在说明，安泰科技，正越经营越高雅，上市时间越长越高贵，企业精神也越来越“高档”。

产品应越做越精细

2006年1月初，在钢铁研究总院粉末冶金研究室922老厂房会议室举办的座谈会上，才让邀请曹勇家、李献璐、王恩珂等粉末冶金领域的老专家，以及中国钢协粉末冶金分会、《粉末冶金工业》与相关单位的领导共聚一堂，探讨如何利用总院和安泰科技的技术与产业基础进一步强化发展粉末冶金事业，同时也正式宣告安泰科技股份有限公司旗下的“粉末冶金与环境技术事业部”正式更名为“粉末冶金事业部”。

安泰科技是由钢铁研究总院投资控股的高科技上市公司，下设11个实体分公司和事业部、11个参控股子公司，现拥有4个产业基地，在国内新材料行业中占有重要的地位。公司目前已形成了以超硬、难熔材料，非晶、微晶合金带材及元器件，稀土永磁、软磁材料和生物医学材料等为代表的六大系列主导产品。这些浓缩了大量科研成果的新材料，不仅用在航空、航天、国防等尖端领域，还被广泛用于日常的生产和生活，有着极广阔的市场前景。

“粉末冶金与环境技术事业部”是公司于2001年由粉末冶金材料分公司和石化用材事业部合并成立的。主营业务包括粉末冶金、环保与石化特种合金材料等领域。随着事业部产业的迅速发展，特别是公司投资1.5亿元在永丰基地建立雾化制粉、注射成形和过滤元器件三个产业项目后，事业部已经形成了制粉、成形和元件生产的完整产业链。其中，注射成形产品90%进入了国际市场，雾化合金粉末和金属多孔材料元件等产品也占据着国内主流市场，三条生产线的装备水平和量产规模均处于国内领先地位。另外，随着市场竞争和新材料技术发展的需要，粉末冶金工艺技术将在其中显现出越来越重要的地位。因此，此次的事业部的更名不仅展示出公司在粉末冶金领域的长期产业发展战略，而且突出了主营业务优势，更加有利于整合与利用钢铁研究总院、安泰科技和北京市地方的相关资源。粉末冶金事业部更名后，将在粉末冶金材料技术、工艺装备和测试分析技术等方面集中优势资源，不断强化和扩大其产品与产业发展领域。

才让说，“粉末冶金事业部”名称的启用更加凸现了安秦科技的战略意图，对公司和事业部的资源整合、技术创新、产品和产业结构的发展规划有着重大的意义。粉末冶金事业部也将基于此加快产业发展的步伐，迅速在国内外构建起品牌，为安泰科技参与国际化竞争以及参与推动我国粉末冶金技术的产业化发展奠定坚实的基础。

才让一坐下，就和记者说起安泰公司的一个主营业务“生物材料”，安泰科技公司正用研制出的一种合金，生产一种供心脏病人用的“带药支架”。这种支架上附着了一些药物，既可以减少病人的排异，也放缓了支架本身与身体结构的冲突，降低了支架本身的损坏对身体的影响。“现在，市场要求越来越精细了，不带药的支架已经很难卖出去了。”

“我们做的本质上是新材料领域，这个领域可能范围都不大，但附加值很高，我们主营的几大领域，表面上似乎都很狭窄，很微细，可都需要极高的技术和极精细的制作能力。过去我们钢铁研究院有技术，可是缺乏向市场靠拢的精神，于是国家就想办法通过改变院所体制，让我们以事业单位上市，强迫我们在二三年内，自生或者组配上各种市场经济能力，这样，我们的研究就更加的有目的了，企业就变得更生动了。企业就一定要有市场来呼应的，我们要生产什么？我们的优势产品是什么？显然，我们的优势产品是精细化的产品，过去的实验室无法生产，我们就建立小型的生产车间，让高端的技术与精细的生产线配合起来，既转化了我们的技术，又提升了我们精细生产的才能；我们的产品几乎全部出口，这样能带来巨大的利润。”

大量出口也一度带来了其他国家同行的嫉妒。前不久，美国商务部就收到了来自下属一些企业的申诉，要求对中国、台湾、韩国相关企业进行“反倾销调查”，要求对安泰科技的产品加收168%以上的惩罚性关税。美国商务部为此派了好多次调查组亲自到安泰科技现场调研，看有没有接受国家的“非市场经济”支援，看技术是不是很真实，看生产线是不是很到位，检查的结果对安泰科技非常有利，商务部裁定安泰科技要多交0.1%的关税。“这等于承认了我们的技术非常好，等于承认我们没有接受来自国家的任何补贴，等于承认了我们的企业是完全市场经济型企业。这个结果还对早于我们进入美国市场的韩国企业台湾企业是个坏消息，因为他们被要求加收比我们高得多的关税。当然，我们为此也花了不少学费，因为官司在美国打，得请美国律师。但这正是一个企业走向国际化必须之路，这学费交得值。”

上市公司要有开放精神

1997年底，当时还有冶金部工作的刘淇（现北京市委书记），“把最后一个上市名额给了我们。以前上市指标都是给企业，给事业单位这是第一次。这个机会给钢铁研究院转型带来了很好的机会。2000年，公司完成各种上市考试之后正式上市。”

上市了，就要遵守上市的游戏规则。中国证监会于2005年5月9日开始进行资本市场上市公司的股权分置改革。2005年10月24日，安泰科技的股改方案一公布，就遭遇了股改以来的首起散户股东有组织、大规模的自发联合事件。非流通股股东对安泰科技10股送2.6股的对价方案表示不能接受，天津一位资深股市投资者发起散户联盟，他本人握有安泰科技200万股，又通过网络征集了共645万股，成为安泰科技第一大流通股股东代表，在10月29日来到北京与安泰科技公司进行了当面沟通交流。

面对投资者反响热烈的局面，为了更广泛的听取投资者的意见，公司开辟了多种渠道与股东沟通：设立了股改热线、股改邮箱、网络专栏；举行了网上路演；既做到“走出去”，组织股改工作小组赴各地沟通；也能够“请进来”，邀请流通股股东到公司交流，用诚挚的沟通获得了投资者的理解和支持。10月29日，安泰科技副总裁、董事会秘书钱学军向股东代表们介绍了公司的发展现状和未来前景。才让总裁、钢院总院副院长李波亲自与部分流通股股东作了面对面的交流。随后公司组织部分流通股股东参观了公司产业基地。10月31日，安泰科技又举行了股权分置改革网上交流会。路演结束后，董事长干勇院士表示：通过这次交流，公司更进一步地了解了流通股股东和广大投资者对公司股改的要求和期望。

才让对记者坦言：“要给安泰科技一个逐步改善的时间。我们也是在实践中摸索经验。如果我不是一个科技工作者，我就理解不了安泰科技，无法在这里管理和驾驭；如果我不拿职业经理人来要求自己，我就无法面对市场的挑战，我们必须要竞争，必须要盈利，必须要发展。但是，这两者的基础是：我是国有控股公司的管理者，如果我忘了这一点，我就没有立身之地；我的饭碗是投资者给的，我也是小股东投资者的委托管理人，忘了这一点，同样就没有发展空间。我要对小股东负责，也要对大股东负责。客观要求我必须要用多重标准来适应角色。安泰科技是慢慢地转型的，它既要满足上市公司的商业化要求，满足流通股股东和投资机构的要求，又要满足监管机构的要求，满足《证券法》和《公司法》的要求，要高速发展，回馈股东。但是，它的控股人是国务院国资委，它还要满足国家对央企的要求和对国有资产的管理。我们要走两根钢丝。”

通过与散户联盟“盟主”等和一些代表流通股股东的沟通，根据全体非流通股股东提议，安泰科技将股权分置改革方案的部分内容进行了调整。11月2日，安泰科技公告，将10股送2.6股改为10股送3.2股，按送出率计算，目前在央企中处于较高水平，并把售股价格底限从6元提高到10元。

“盟主”回去之后，于11月2日晚写了《我的自白书》，发在了安泰科技的股东论坛上。他这样写道：“安泰科技背靠钢院，技术和创造力一流，行业壁垒高，景气周期长，像一个体能储备十足的长跑健将；行事低调，只做不说，像性情内敛的智者……今天安泰股改方案修改稿已公布，10送3.2股，减持价10元，虽然较《征求意见稿》有较大的提高但没有达到或接近联盟的要求，我感到非常对不住大家，辜负了各位的信任和期望。安泰科技是我非常看好的公司，本着关心安泰爱护安泰的原则，实不忍尽全力否决它，尽管否决我们只会有短期的损失，对今后的股改和行情的发展会有极大的促进，但对安泰则伤害至深，也是我们最不想见到的结果，最后是一个两败俱伤的局面。可以这么讲，如果非要否决一个方案，也不应该是安泰。”

同一天的《证券日报》分析文章认为：“新方案体现了流通股股东和非流通股股东利益平衡点，是各方利益博弈的结果。” “新方案保证了流通股股东的利益，力争流通股股东和非流通股股东得到双赢的结果。新的股改方案对原方案有3处重要改动。”“一是大幅提高对价水平”，“提高幅度在已经公布的方案中名列前茅。新方案已超过市场对价的平均水平，在央企中更是处于较高水平”；二是“在提高对价的同时，控股股东钢铁研究总院还修改承诺为：“自改革方案实施之日起，其持有的原非流通股股份在二十四个月内不上市交易或者转让；承诺期满后，通过证券交易所挂牌交易出售原非流通股股份，出售数量占公司股份总数的比例在十二个月内不超过百分之十，且出售价格不低于每股人民币10.00元。”减持价格在原基础上提高了80％，体现了大股东对公司未来的发展充满信心。三是“取消增持股份计划。因为，原定的增持条款投资者反映意义不大。”

才让笑着说：“上市是把一家封闭型公司走向开放化的过程，是由国有控股走向全面考虑小股东利益的过程，过去我们对大股东利益考虑得太少，今后，会像公司的产品一样，我们会对小股东的利益考虑得越来越精细、周到。因为市场经济的原则，第一是公平和公正。”

给员工更多的“惠泽”

安泰科技专注的新材料行业，被认为是新技术进步的基础，新材料领域的每一项技术突破，都会带来全社会的重大技术变革。同时，中国拥有的丰富新材料资源，也成为安泰科技的一大优势。比如安泰科技涉及的稀土钕铁硼材料，全球产量有一半在中国。“安泰科技将逐步实现在有优势的新材料行业合并和扩张，以整合产业群，占据各个新材料行业的国内甚至国际领先地位。”才让说，由于国外同类企业尚未大规模进入，而在国内还无等量匹敌的对手企业，才让对这样的未来信心勃勃。

“但是有时候，我们会对一些重要的方面照顾不周，尤其对人才价值的体现方式上。我们考虑得可能太简单了。”过去的钢铁研究院，有许多优秀的人才，有良好的工作作风。“即使我们不上市，不作经营，大家也会像往常一样工作。所以，在这方面，我们对员工非常放心，以前我以为，只需要给他们创建一个良好的宽松的工作环境，他们就能做出让人满意的成果。”

记者问：那么什么样的环境是合适的工作生态环境呢？如果压迫得太紧，显然对员工未必有好处，如果放得太宽，可能又有纵马驰骋、漫无收束之嫌。

才让说：“这需要两个方面的精细化制度设计。工作目标上要明确，要量化，该什么时候出成果就要什么时候出成果；二是你的科研方向要与公司的方向一致，我们是搞材料的，你去搞太不沾边的东西，可能就不行，要么你就转到适合你意愿的方向，要么就要和公司的方向保持大体一致。在这个前提下，我们再讨论其他方面的宽松。因为知识分子有他的特点，他最需要考虑的，是自己有没有业务前途，能不能在单位和社会上显现他的价值。”

才让说到这里，话锋又一转。“过去，我们以为，知识分子的价值主要体现在事业上，在收入上只要能够解决温饱，满足其基本体面生活的需求，就可以了，现在看来，我们对其价值考虑得还不够。所以我们现在在设计股权激励方案，以前我们想过一些奖励办法什么的，今后，我们还要有更多的激励方案出台，目前正在设计之中，上报批准之后，预计就能马上实施。因为虽然我们说‘劳动者创造价值’，但在现实中，更多的时候，是‘资本创造价值’，劳动者的利益往往被大小股东剥削了，他们的付出与报酬不能成为正比，这是不公平的，必须改变，必须让更多愿意与安泰科技一起奋斗的人，必须让更多的为安泰科技贡献青春和才华的人，得到更多价值体现，这种体现既是在事业上，也要在收益上。看我们公司口号的转变你就会知道，以前我们的口号叫‘稳健成长、高速成长、造福社会、回报股东’，当时觉得已经很全了，后来慢慢发现，好像少了些什么，最后我们看出来了，对员工的福利考虑得不够细致，于是我们加上了‘惠泽员工’这一句，这样就比较全面立体地体现了我们企业的精神。”

到今年，安泰科技已连续7次获得海淀园二十强企业称号，显然，今后这个次数会继续增加。2006年初，安泰科技连续入选上海、深圳等地的三大证券指数。根据各指数的编制规则来看，安泰科技入选深证100和沪深300指数，表明公司的流通市值、成交活跃度达到了一定的规模，同时也是对公司一直以来业绩稳定增长、坚持分红回报股东、规范运作等方面的良好市场形象也得到了证券市场广大投资者的认同；而入选新的深证创新指数，更显示了公司作为金属新材料行业的领先企业所具有的强大研发创新实力，而这正是国家鼓励自主创新的政策环境和证券市场投资者所鼓励和认同的。

才让（次仁），在藏语中的意思是“长寿”。这也是才让对安泰事业的追求目标。他说，安泰科技有“3年”、“5年”和“10年”的不同阶段目标。“3年”目标是在金属新材料中国上市公司中做到“第一集团”；“5年”目标是在中国高新技术企业同类企业中做到“第一集团”；“10年”目标是进入全球该行业的“第一集团”。但这些都有个前提，就是做“百年老店”，追求长期发展，而非短期辉煌，因为持续增长比超常规增长更有价值。“可也有人说过，中国的上市公司有一个三年门坎，头年募得很多资金，第二年到处投资，第三年就倒闭了。又有一个说法是中关村的上市公司有一个五年门坎，上市之后，到第五年往往就会出问题。安泰科技似乎都在一关关地渡过。因为，只要我们在产品上给社会造福利，在权益上给股东良好的回报，在企业内部给员工美好的未来，那么，安泰科技一定能够实现可持续发展、长远发展的远大理想。争取用10年左右的时间，将公司发展成为以高新技术材料及其纵深制品为主业，进军信息、环保、生物工程等领域，成为跨行业、跨地区、乃至跨国性生产与控股经营相结合的大型高科技企业。”

链接：

粉末冶金的优缺点篇9

激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术,它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本,节约贵重稀有金属材料，因此,世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视[1-2、5-7]。

1激光熔覆技术的设备及工艺特点

目前应用于激光熔覆的激光器主要有输出功率为1~10kW的CO2激光器和500W左右的YAG激光器。对于连续CO2激光熔覆,国内外学者已做了大量研究[1]。近年来高功率YAG激光器的研制发展迅速,主要用于有色合金表面改性。据文献报道,采用CO2激光进行铝合金激光熔覆,铝合金基体在CO2激光辐照条件下容易变形,甚至塌陷[1]。YAG激光器输出波长为1.06μm,较CO2激光波长小1个数量级,因而更适合此类金属的激光熔覆。

同步注粉式激光表面熔覆处理示意图[8]

激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类:粉末预置法和同步送粉法。两种方法效果相似,同步送粉法具有易实现自动化控制,激光能量吸收率高,无内部气孔,尤其熔覆金属陶瓷,可以显著提高熔覆层的抗开裂性能,使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点。

激光熔覆具有以下特点[2、9]：

(1)冷却速度快(高达106K/s),属于快速凝固过程,容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相,如非稳相、非晶态等。

(2)涂层稀释率低(一般小于5%),与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整,可以获得低稀释率的良好涂层,并且涂层成分和稀释度可控;

(3)热输入和畸变较小,尤其是采用高功率密度快速熔覆时,变形可降低到零件的装配公差内。

(4)粉末选择几乎没有任何限制,特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金;

(5)熔覆层的厚度范围大,单道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm,

(6)能进行选区熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能价格比;

(7)光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷;

(8)工艺过程易于实现自动化。

很适合油田常见易损件的磨损修复。

2激光熔覆技术的发展现状

激光熔覆技术是—种涉及光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术。它由上个世纪60年代提出,并于1976年诞生了第一项论述高能激光熔覆的专利。进入80年代,激光熔覆技术得到了迅速的发展,近年来结合CAD技术兴起的快速原型加工技术,为激光熔覆技术又添了新的活力。

目前已成功开展了在不锈钢、模具钢、可锻铸铁、灰口铸铁、铜合金、钛合金、铝合金及特殊合金表面钴基、镍基、铁基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆铁基合金粉末适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件。镍基合金粉末适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。钴基合金粉末适用于要求耐磨、耐蚀及抗热疲劳的零件。陶瓷涂层在高温下有较高的强度,热稳定性好,化学稳定性高,适用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下,纯的镍基、钴基和铁基合金粉末已经满足不了使用工况的要求,因此在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学者研究的热点,目前已经进行了钢、钛合金及铝合金表面激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究[1、10]。

3激光熔覆存在的问题

评价激光熔覆层质量的优劣,主要从两个方面来考虑。一是宏观上,考察熔覆道形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等;二是微观上,考察是否形成良好的组织,能否提供所要求的性能。此外,还应测定表面熔覆层化学元素的种类和分布,注意分析过渡层的情况是否为冶金结合,必要时要进行质量寿命检测。

目前研究工作的重点是熔覆设备的研制与开发、熔池动力学、合金成分的设计、裂纹的形成、扩展和控制方法、以及熔覆层与基体之间的结合力等。

目前激光熔敷技术进一步应用面临的主要问题是:

①激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性。激光熔覆过程中,加热和冷却的速度极快,最高速度可达1012℃/s。由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异,可能在熔覆层中产生多种缺陷,主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度[1]。

②光熔敷过程的检测和实施自动化控制。

③激光熔覆层的开裂敏感性，仍然是困扰国内外研究者的一个难题，也是工程应用及产业化的障碍[1、11]。目前，虽然已经对裂纹的形成扩进行了研究[1]，但控制方法方面还不成熟。

4激光熔覆技术的应用和发展前景展望

进入20世纪80年代以来,激光熔敷技术得到了迅速的发展,目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。激光熔敷技术具有很大的技术经济效益,广泛应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海[12]与航天和石油化工等领域。

目前激光熔覆技术已经取得一定的成果,正处于逐步走向工业化应用的起步阶段。今后的发展前景主要有以下几个方面:

(1)激光熔覆的基础理论研究。

(2)熔覆材料的设计与开发。

(3)激光熔覆设备的改进与研制。

(4)理论模型的建立。

粉末冶金的优缺点篇10

关键词：微波烧结 原理 进展

中图分类号：TK11文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）14-0053-03

The Principle and Development of Microwave Sintering Technology

Fang Ke；Fang Li

（School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073，China）

Abstract: Microwave sintering is a new type of technology，it has great development prospect in the fields of ceramic materials and powder metallurgy etc., and it is greatly possibile to become the main method of material preparation in the new century. The technology of microwave sintering has many great advantages such as much higher speed, lower energy consuming, more safety, no pollution, and so on, so it has significant effect on the development economic and societyin our country. The origin and evolvement, the principle，unique character，equipment, research advance of the technology are reviewed in this paper.

Key words: microwave sintering；principle；development

0引言

微波烧结是指采用微波辐射来代替传统的外加热源，材料通过自身对电磁场能量的吸收（介质损耗）达到烧结温度而实现致密化的过程。二十世纪50年代美国的VonHippel在材料介质特性方面的开创性研究为将微波加热应用于材料烧结奠定了基础[1]；从60年代至90年代，各国研究人员对微波烧结原理、特点和应用等各方面开展了广泛、深入和系统的研究，积累了大量数据和经验，逐渐认识和掌握了这项新型技术，其环保、节能、高效等诸多优点激起众多材料研究人员的兴趣和研究热情，得到各国政府高度重视；90年代后期，微波烧结进入产业化阶段，美国、加拿大、德国等发达国家开始小批量生产陶瓷产品[2-4]。

1微波烧结原理

微波烧结技术是基于物质与电磁场相互作用中产生热效应的原理。当材料的基本细微结构与特定频率的电磁场耦合时，内部微观粒子响应电磁振荡，热运动加剧，材料发生介质损耗，吸收微波能转化为热能。将微波加热原理应用于传统烧结工艺，就是微波烧结。在微波烧结中，因存在电磁场作用，材料介电性能、磁性能以及导电性能等特性对烧结效果具有重要影响[5，6]。

1.1 介质材料在外加电磁场作用下，介质材料中的极性分子会受到电场力作用，从原来的随机分布状态转变为依照电场方向取向排列。高频电磁场每秒交替变换几亿次，分子排列取向周期往复改变，发生剧烈运动，电磁能不断被损耗，转化为粒子剧烈运动的动能，材料温度升高。介质材料在电磁场的作用下会产生电子极化、原子极化、偶极子转向极化和界面极化等介质极化，各类极化建立和消除的时间周期存在差异。由于电磁振荡频率很高，材料内部介质极化过程无法跟随外电场变化，极化强度矢量相对于电场强度矢量滞后一个角度，导致有电流产生，构成介质材料的耗散。在微波波段，主要是偶极子转向极化和界面极化产生的吸收电流构成材料的功率耗散 [4]。

1.2 金属材料金属导体在微波电磁场中，其内部自由电荷在电磁场作用下，会迅速向导体表面聚集。驰豫时间用来表征自由电荷响应电磁场变化的快慢。由于驰豫时间远小于电磁场振动周期，故在每周期刚开始，自由电荷就已聚集于导体表面，内部自由电荷密度为零。块体金属内部不存在自由电荷，缺少与电磁场相互作用、吸收和转化的媒介，因而无法被有效加热 [7]。但金属导体置于电磁场中，导体表面会有电流产生，存在欧姆损耗。故只要减小金属导体的宏观尺寸，使之能与微波电磁场完全耦合，就能有效实现加热和烧结 [8]。

在微波烧结中，除明显的微波热效应外，还存在一定的微波非热效应，包括活化过程速率增强、化学反应途径改变以及烧结体性能改变等。微波非热效应是微波烧结中的重要因素，使各种微粒的迁移变得更容易发生，且迁移速率提高很多，对材料致密化过程起到明显的促进作用[6,9]，具体表现就是烧结温度更低、升温速度更快、烧结时间大幅缩短。

2微波烧结特点

在传统烧结过程中，材料表面、内部和中心区域温度存在较大梯度，容易导致晶粒不均匀，内部存在较多缺陷。微波烧结依靠微波电磁场辐射透入材料内部，材料整体发生介质损耗而升温，各部分温差小，易得到均匀细晶结构，材料性能得到显著改善。与传统烧结相比，微波烧结主要有整体加热、低温快烧、无加热惯性、选择性加热等显著特点[4]。

微波烧结能耗低，效率高，比传统烧结节能80%左右，而且清洁、安全、无污染。微波烧结能得到均匀细晶显微结构，孔隙少且规则，材料具有更好的延展性和韧性，宏观性能优异[3，10]。微波烧结具有的独特优点预示其在现代材料制备行业中拥有广阔的发展空间，被广泛誉为“烧结技术的一场革命” [6]。

3微波烧结装置

3.1 烧结装置微波烧结实验装置由微波发生器（磁控管和调速管）、波导管、加热腔和微波电源组成，加热腔有谐振式和非谐振式两种，谐振式加热腔又有多模场型和单模场型两种 [3]。单模场型可形成稳定的电磁波，能量集中，适合烧结低损耗材料，但均匀场区小，无法烧结大尺寸工件；多模场型谐振腔结构简单，易得到较大区域的均匀场强，可用于烧结大尺寸、介质损耗高的材料[11、12]。为得到稳定和均匀的电磁场分布，必须对加热腔进行合理设计。

3.2 烧结工艺微波烧结的工艺参数主要有微波源功率、微波频率、烧结时间和升温速度等[1]。研究表明，在同等烧结条件下（烧结温度和保温时间），微波烧结晶粒要明显大于常规烧结，说明微波作用下晶粒生长更快、致密化过程更加迅速；温度过低会导致“欠烧”，过高或保温时间太长会引起晶粒异常长大；升温速度也是重要因素，如升温速度较，加热时间就得适当延长，因而使材料在高温区停留时间较长 [13]。

不同类型的材料介质损耗能力不同。一些材料在低温下介质损耗小，几乎不吸收微波能，无法有效加热。对此，可加入介质损耗高的材料，以起到辅助加热的作用，主体材料达到一定温度后，损耗因子迅速增加，可直接吸收微波能 [14]；或者采用外加热源――比如电阻加热，在材料临界温度以下起辅助加热作用 [15]。在微波烧结中，在样品周围放置介质损耗高的辅助材料有利于提高升温速度和保温，形成稳定均匀的温度场 [12]。

研究表明，不同类型的材料在分别放置于电场或磁场区域中时，会表现出极为不同的加热行为。导体材料，如金属或合金粉末压坯，在磁场中的加热效果比在电场区要好；相反，氧化铝、氧化锌等陶瓷材料在纯电场中的升温速率更高。另一方面，在材料与电磁场相互作用过程中，材料结构状态起着关键作用，如铜粉末压坯在电磁场中能有效吸收微波能，而块体铜就不能 [16]。

4研究进展

迄今，研究人员已对几乎所有的氧化物陶瓷材料开展了微波烧结研究，较为成功的有Al2O3、ZrO2、ZnO、MgO、SiO2及其复合材料等， B4C、SiC、Si3N4、TiB2、AlN等是采用微波烧结成功制取的非氧化物陶瓷材料 [4]。另外，金属粉体具有较强吸波能力 [7]，将微波烧结应用于粉末冶金，成功制取了环状、管状和齿轮等结构和形状复杂的金属制品，所制得器件比传统制品具有更加优异的力学性能，显微结构的均匀性好，气孔率很低[17]。

4.1 陶瓷材料微波烧结能得到均匀细晶结构，因此微波烧结比常规烧结更容易制备出透明陶瓷 [4]，如微波烧结可以实现A1N透明陶瓷的低温烧结 [18]，而且大幅缩短烧结时间 [4]。

微波烧结可使氧化锌压敏陶瓷材料快速成瓷，获得相同晶粒尺寸微波烧结温度更低，烧结时间更短。但随着烧结时间的延长，晶界Bi相挥发，晶粒迅速长大，电阻片的电性能变差 [19]。采用微波烧结法制备氮化硅陶瓷，微波场可以促进Si3N4的α相向β相转变的速度，提高材料密度 [20]。

陶瓷材料是脆性体系，如何提高其韧性一直是个难题。在微波烧结制备ZnO2（n）增韧Al2O3复合陶瓷的实验中，得到相对体积密度为95.5%、力学性能较好的15vol% ZrO2/ Al2O3 复合陶瓷，其硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为13350MPa、6.41MPa・m1/2和502MPa[21]。

在制备纳米陶瓷材料方面，微波烧结可提高Al2O3/SiC纳米复合陶瓷的强度和韧性，改善材料的显微结构，促进致密化和晶粒生长 [22]。微波烧结制备Si3N4纳米陶瓷，在相同密度下，强度比传统烧结样品提高25%~30% [5]；采用微波法制备Al2O3-ZrO2（3Y）纳米复相陶瓷，材料达到了很高的致密度，并提高了断裂韧性[23]。微波烧结Al2O3-TiCN-Mo-Ni纳米金属陶瓷[24]，烧结前后晶粒尺寸变化很小。

研究的陶瓷材料还有氧化锌压敏电阻陶瓷[19,25]、ZrO2/LaNbO4-MoSi2复合陶瓷[26]、TCP/TTCP复合生物陶瓷材料[27]、Al2O3/SiC纳米复合陶瓷[22]、纳米TiO2材料 [28]、Bi2O3-ZnO-Ta2O5陶瓷 [29]、Al2O3/WC-10Co/ZrO2/Ni金属陶瓷 [30]等各种现代陶瓷材料。微波烧结技术在现代材料制备领域中正得到越来越广泛的研究和应用。

4.2 粉末冶金钨、钒、铌、钽、钼等难熔金属及其合金材料因高熔点和一些特有性能，在国防军工、航空航天、电子信息、能源、防化、冶金和核工业等领域起着不可替代的作用，相关研究异常活跃。因难熔金属熔点高、塑性差，主要采用粉末冶金法制备。采用传统方法，在烧结过程中晶粒极易迅速长大，导致制品性能降低 [31]。

微波磁场下烧结WC-Co硬质合金 [32]的升温速率比在电场下要大，但温度只能升至1160℃左右；微波电场下烧结时，可以得到性能较好的合金。微波烧结制备WC-12Co硬质合金，在1400～1475℃范围内，随烧结温度升高，WC晶粒长大不明显，合金密度和硬度增大；在1475℃的烧结温度下保温0min，烧结样品显微组织结构均匀，但保温时间超过30min，由于晶粒异常长大以及钴相分布不均匀，导致合金的密度和硬度急剧下降[33]。

微波烧结制备W-Ni-Fe高密度合金 [34，35]，升温速度快，烧结周期短，仅为常规烧结的1/7；微波烧结能促进合金致密化，如烧结时间较短，微波烧结样品的晶粒尺寸小于常规烧结；但微波烧结样品的生长速率更快，不宜过度延长烧结时间。对微波烧结93W-Ni-Fe合金微观组织和力学性能研究表明，试样组织均匀、细小，钨颗粒明显小于传统烧结水平，径向性能分布均匀；微波加热能达到常规尺寸钨合金的透烧深度，但仍存在较多孔洞等缺陷 [35]。

在相同温度下烧结Fe-Cu-C合金 [36、37]，微波烧结比常规烧结具有更致密的微观结构。而且，金相观察表明，微波烧结有一个致密的核心，边缘多孔。这表明材料自身发热，热传递从内而外，内部温度高于表面 [38]。

研究的金属材料还有铜铁合金、钨铜合金及镍基高温合金等。形状记忆合金是一类新型功能合金材料，在航空航天、机械电子、生物工程、临床医疗、能源和自动化等领域用途广泛，其独特的形状记忆效应在于存在热弹性马氏体。合金的微观组织结构对形状记忆效应影响很大，微观组织越均匀越有利于马氏体的均匀分布 [39]。如采用微波烧结制备形状记忆合金，其整体加热、低温快烧等特点能大幅优化合金显微结构（细化晶粒，减少缺陷），从而使形状记忆效应得到显著增强。

5结语

工业上已成功实现了陶瓷材料的连续化和小批量生产。加拿大的MicroWear公司建成了一个全部采用微波烧结制造氮化硅陶瓷刀具生产中心，美浓窑业于2000年开发出了可实际应用于陶瓷工业的大型微波高温烧结设备[40]。近年来，中科院沈阳金属研究所在国家新技术“863计划”的资助下，已成功研制出多台MFM-863系列的微波烧结设备。据报道，美国的Spheric科技有限公司已授权中国最大的微波炉生产企业长沙隆泰微波热工有限公司生产工业用高温微波烧结系统。

微波烧结技术是人类社会进入二十世纪六十年代后才出现的新型技术。在文明步入二十一世纪，微波烧结技术因其节能高效、清洁无污染、安全可靠等诸多优点，在现代材料领域拥有广阔的发展空间，市场潜力巨大；在科学研究方面具同样有重大而深远的意义，对技术进步以及社会发展将产生革命性影响。自微波烧结技术诞生以来，各国政府都高度重视，不惜投入巨大的人力和物力资源来开发这一新型技术[3]。

参考文献：

[1]朱文玄,吴一平等.微波烧结技术及其进展[J].材料科学与工程，1998，16（2）：61-64.

[2]张兰亭. 纳米硬质合金研究[J].四川有色金属，2005，1：29-34.

[3]范景莲,黄伯云等.微波烧结原理与研究现状[J].粉末冶金工业,2004，14（1）：29-33.

[4]王念,周健.陶瓷材料的微波烧结特性及应用[J].武汉理工大学学报，2002，24（5）：43-46.

[5]艾云龙,刘书红等.陶瓷材料的微波烧结及研究进展[J].热处理技术与装备，2008，29（3）：1-4.

[6]晋勇,谢华锟.微波烧结技术的应用与进展[J].工具技术，2005，39（1）：19-22.

[7]易建宏,罗述东等.金属基粉末冶金零件的微波烧结机理初探[J].粉末冶金工业，2003，13（2）：22-25.

[8]黄铭,彭金辉等.微波与物质相互作用加热机理的理论研究[J].昆明理工大学学报（理工版），2005，30（6）：15-17.

[9]苟斌,吴菊清等.微波与物质相互作用过程中非热效应的机理分析[J]. 上海有色金属，2001，22（1）：6-8.

[10]吴红,史洪刚等.微波烧结技术的研究进展[J].兵器材料科学与工程，2004，27（4）：59-61.

[11]刘继胜.微波烧结工作原理及工业应用研究[J].机电产品开发与创新，2007，20（2）：20-21.

[12]鲍瑞,易建宏等.微波多模腔快速烧结WC－8％Co硬质合金[J].中国钨业，2009，24（3）：32-35.

[13]罗述东,易建宏,彭元东.微波烧结硬质合金工艺的升温速度分析[J]. 稀有金属材料与工程，2010，39（5）：820-823.

[14]张玉珍、王苏新. 陶瓷微波烧结的发展概况[J].佛山陶瓷，2004，11：31-32.

[15]Dennis, Mahlon Denton, Roy ,et al,Method and apparatus for transporting work pieces through a microwave sintering system, US patent, 6, 066, 290, 1999.

[16]Jiping Cheng，Rustum Roy，and Dinesh Agrawal. Radically different effects on materials by separated microwave electric and magnetic fields[J]. Mat Res Innovat,2002,5:170-177.

[17]Roy R,Agrawal D,Cheng J P,et al.Full sintering of powdered-metal bodies in a microwave field[J]. Nature,1999,399(17):665.

[18]卢斌,赵桂洁等.微波低温烧结制备氮化铝透明陶瓷[J].无机材料学报，2006，21（6）：1501-1505.

[19]徐东,施利毅等.微波烧结氧化锌压敏陶瓷的研究进展[J].电磁避雷器，2007，5.

[20]杨锦,刘颖等.微波烧结在陶瓷材料中的应用[J].中国陶瓷工艺，2004，11（5）：30-33.

[21]艾云龙、何文等.微波烧结ZnO2（n）增韧Al2O3复合陶瓷材料组织与性能研究[J].南昌航空大学学报，2009，23（3）：13-18.

[22]王霞，潘成松，陈玉祥. 微波烧结Al2O3／SiC纳米复合陶瓷的研究[J]. 材料开发与应用，2008，23（2）：14-17.

[23]李云凯,纪康俊.纳米Al2O3―ZrO2（3Y）复相陶瓷的微波烧结[J].硅酸盐学报，1998，26(6):740-744.

[24]晋勇,王玉环等.微波烧结金属陶瓷材料的工艺研究[J].工具技术，2004，38（9）：96-98，107.

[25]林枞,徐政等.微波烧结氧化锌压敏电阻的致密化和晶粒生长[J].无机材料学报，2007，22（5）：917-921.

[26]艾云龙、王圣明、刘长虹.微波烧结ZrO2/LaNbO4-MoSi2复合陶瓷耐磨性研究[J].南昌航空大学学报：自然科学版，2009，23（2）：5-9

[27]周洁,高金睿等.微波烧结法制备TCP/TTCP复合生物陶瓷材料的研究[J].硅酸盐通报，2009，28（3）：495-499.

[28]马清花,柴涛,张文笛.吸波材料SiC对微波烧结纳米TiO2的影响[J]. 中北大学学报：自然科学版，2008，29（4）：361-364.

[29]康利平、沈波、姚熹.微波烧结法制备Bi2O3-ZnO-Ta2O5陶瓷[J]. 压电与声光，2008，30（3）：319-321.

[30]史晓亮、杨华等.Al2O3/WC-10Co/ZrO2/Ni金属陶瓷的微波烧结[J].中南大学学报：自然科学版，2007，38（4）：623-628.

[31]刘文胜,徐志刚,马运柱.现代烧结技术在难熔金属材料中的应用[J]. 材料导报：综述篇，2010，24（3）：33-39.

[32]周建,全峰. 微波烧结WC-10Co硬质合金的工艺研究. 国外建材科技，2007，28（5）：40-42.

[33]杨亚杰,易健宏等.微波烧结制备WC-12Co硬质合金.粉末冶金材料科学与工程，2010，15（1）：84-88.

[34]周承商、易健宏等.W-Ni-Fe高密度合金的微波烧结.中国有色金属学报，2009，19（9）：1601-1607.

[35]李波,尚福军,史洪刚.微波烧结对93W-Ni-Fe合金微观组织和力学性能的影响.兵器材料科学与工程，2010，33（2）：82-85.

[36]彭元东,易健宏等.微波烧结Fe-2Cu-0．6C的性能与组织研究[J].粉末冶金技术，2008，36（4）：269-272.

[37]彭元东、易健宏等.不同温度下微波烧结Fe-Cu-C的性能[J].中南大学学报：自然科学版，2008，39（4）：723-728.

[38]彭元东,易健宏等.微波烧结Fe-2Cu-0．6C合金的保温时间对组织与性能的影响[J].材料工程，2008，4：51-55.