粉末冶金的优势精选(九篇)

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第1篇：粉末冶金的优势范文

【关键词】粉末冶金历史 基本工序 粉末冶金优势与不足 趋势

1 粉末冶金的历史

粉末冶金发展经历三个阶段：

20世纪初，通过粉末冶金工艺制得电灯钨丝，被誉为现代粉末冶金技术发展的标志。随后许多难熔金属材料如钨、钽、铌等都可通过粉末冶金工艺方法制备。1923年粉末冶金硬质合金的诞生更被誉为机械加工业的一次革命；20世纪30年代，粉末冶金工艺成功制得铜基多孔含油轴承。继而发展到铁基机械零件，并且迅速在汽车、纺织、办公设备等现代制造领域广泛应用；20世纪中叶以后，粉末冶金技术与化工、材料、机械等学科互相渗透，更高性能的新材料、新工艺发展进一步促进粉末冶金发展。并使得粉末冶金技术广泛应用到汽车、航空航天、军工、节能环保等领域。

2 粉末冶金的基本工序

（1）粉末的制取。目前制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。机械法是将原材料机械地粉碎，化学成分基本不发生变化。物理化学法是借助化学或物理作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末。目前工业制粉应用最为广泛的有雾化法、还原法和电解法；而沉积法（气相或液相）在特殊应用时也很重要。

（2）粉末成型。成型是使金属粉末密实成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度坯块的工艺过程。成型分普通模压成型和特殊成型两类。模压成型是将金属粉末或混合料装在钢制压模内，通过模冲对粉末加压，卸压后，压坯从阴模内压出。特殊成型是随着各工业部门和科学技术的发展，对粉末冶金材料性能及制品尺寸和形状提出更高要求而产生。目前特殊成型分等静压成型、连续成型、注射成型、高能成型等。

（3）坯块烧结。烧结是粉末或粉末压坯，在适当的温度和气氛条件下加热所发生的现象或过程。烧结可分单元系烧结和多元系固相烧结。单元系烧结，烧结温度比所用的金属及合金的熔点低；多元系固相烧结，烧结温度一般介于易熔成分和难熔成分的熔点之间。除普通烧结外，还有活化烧结、热压烧结等特殊的烧结方法。

（4）产品的后处理。根据产品的性能要求不同，一般会对烧结品再进行加工处理。如浸油、精整、切削攻牙、热处理、电镀等。

3 粉末冶金的优势与不足

粉末冶金的优势：粉末冶金烧结是在低于基体金属的熔点下进行，因此目前绝大多数难熔金属及其化合物都只能用粉末冶金方法制造；粉末冶金压制的不致密性，有利于通过控制产品密度和孔隙率制备多孔材料、含有轴承、减摩材料等；粉末冶金压制产品的尺寸无限接近最终成品尺寸（不需要机械加工或少量加工）。材料利用率高，故能大大节约金属，降低产品成本；粉末冶金产品是同一模具压制生产，工件之间一致性好，适用于大批量零件的生产。特别是齿轮等加工费用高的产品；粉末冶金可以通过成分的配比保证材料的正确性和均匀性，此外烧结一般在真空或还原气氛中进行，不会污染或氧化材料，可以制备高纯度材料。

粉末冶金的不足：粉末冶金零件部分性能不如锻造和一些铸造零件，如延展性和抗冲击能力等；产品的尺寸精度虽然不错，但是还不如有些精加工产品所得的尺寸精度；零件的不致密特性会对后加工处理产生影响，特别在热处理、电镀等工艺必须考虑这一特性的影响；粉末冶金模具费用高，一般不适用于小批产品生产。

4 国内粉末冶金行业的趋势

随着我国工业化快速发展，高附加值的零部件需求将加速增长。此外，随着全球化采购的产业链形成，带给国内零部件企业商机显而易见。因此，如何把握当前机遇，目前粉末冶金行业应该从以下四方面发展。

（1）进一步提高铁基粉末冶金产品的密度，扩大粉末冶金件对传统锻件的替代范围。当前，铁基粉末冶金零件的密度为7.0-7.2g/cm3，而国内某企业通过技术改进，用传统的粉末烧结和锻造工艺相结合的办法，用较低的成本把铁基粉末冶金零件密度提高至7.6g/cm3，在这种密度前提下，铁基粉末冶金已经可替代机械、汽车等行业的大多数连接件和部分功能件。考虑粉末冶金工艺本身对材料的节省和高效特征，此类铁基粉末冶金件的潜在价值空间可达至千亿元。

（2）提高粉末冶金产品的精度、开发形状更复杂的产品。为机械制造、航天汽车、生活家电等行业的产业结构升级服务。此方向主要以降低机械重量、节能减耗及将设备小型化、普及化为导向。如使用注射成型零件几乎不需要再进行机加工，减少材料的消耗，材料的利用率几乎可以达到100%。

（3）进一步合金化，目标为轻量化和功能化。在铁基粉末中，混入铝、镁及稀土元素等合金粉末，可实现其超薄、轻量化等性能，可广泛地应用电子设备及可穿戴设备等与生活密切相关的领域中。

（4）改善粉末冶金零件的电磁性，目标是对硅钢和铁氧体、磁介质等材料的取代。以取向硅钢材料为例，硅钢的导电原理是加入硅元素后，材料通过减少晶界的方式降低铁损，特别是取向硅钢，导向方向是一个单一粗大的晶粒。相比取向硅钢的一维导电方向，粉末冶金零件可以实现多维导电（各个方向）。目前此技术已被少数企业实现突破，只要不断完善，最终达到工业要求。这种技术将会广泛在电机设备、汽车及机器人智能控制系统等领域应用。

参考文献：

[1]黄培云.粉末冶金原理.[M].北京：冶金工业出版社，1997（2006.1重印）.1.

第2篇：粉末冶金的优势范文

日前，科技部火炬高新技术产业开发中心下发《关于认定岳阳精细化工等7家产业基地为国家火炬特色产业基地的通知》，批复认定莱芜市为国家火炬粉末冶金特色产业基地。此次批复的特色基地全国共有7家，其中山东2家。这是继莱芜国家新材料高新技术产业化基地之后，获得的第二个国家级高位区域创新平台，也是国内粉末冶金领域唯一一家特色产业基地。莱芜市已成为全省同时拥有高新技术产业化基地和特色产业基地的六个地市之一。

粉末冶金产业是莱芜市的重点优势特色产业，先后承担国家科技支撑计划等重点科技计划项目43项，授权专利68项，获省以上科技进步奖8项，其中国家科技进步二等奖1项、省科技进步一等奖1项。拥有省级科技创新平台8家。32篇，其中国际刊物8篇。全市制粉、制品产能分别为20万吨和5万吨，分别占全国的35%和15%。立足这一优势特色产业，莱芜市从2010年开始着手进行产业基地的创建工作，先后成立了由市长任组长、分管副市长任副组长、20个部门单位主要负责人为成员的基地建设工作领导小组，出台了《关于加快推进国家火炬莱芜粉末冶金特色产业基地建设的意见》，与省科学院在深入调研基础上，编制了《粉末冶金特色产业基地发展规划（2012-2016）》，积极争取省科技厅支持，及时向国家科技部推荐认定。在多次向国家科技部汇报争取，并经实地考察、专家答辩后，科技部近期下达了关批复。

特色产业基地是在特定地域内，发挥地方资源和技术优势，依托一批产业特色鲜明、关联度大、技术水平高的高新技术企业而建立起来的产业集群。特色产业基地的建立，不仅奠定了莱芜市粉末冶金产业在国内同行业中的领先地位，也为莱芜市粉末冶金产业发展打造了高位平台和响亮品牌，对于吸引高端技术人才和技术成果，提高产业在国内乃至国际同行业领域的技术水平，促进和带动汽车及汽车零部件等相关产业发展，加快转方式调结构，打造“中国粉末冶金城”都具有非常重要的意义。

第3篇：粉末冶金的优势范文

关键词：高强度，铁基粉末冶金材料，应用

 

在模具设计前，必须进行粉末冶金制品的形状设计。制品压坯的形状设计是保证产品使用要求的情况下，从压制过程(装粉、压制、脱模)、模具寿命、压坯质量等方面来考虑，并对制品图线形状作适当的修正。本文是将电动工具中原有的钢制齿轮(材料为40Cr)用粉末冶金材料代替，并针对以下内容进行了二次设计：(1) 在原有钢制齿轮齿形的基础上对粉末冶金齿轮的齿形齿廓进行二次设计；(2) 对实际啮合的粉末冶金烧结齿轮的尺寸修正；(3) 粉末冶金齿轮齿面接触强度和齿根弯曲强度的理论校核。

1.齿形齿廓的选择和计算

选择齿轮材料应考虑如下要求：齿面应有足够的硬度，保证齿面抗点蚀、抗磨损、抗咬合和抗塑性变形的能力；轮齿芯部应有足够的强度和韧性，保证齿根抗弯曲能力。此外，还应具有良好的机械加工、热处理工艺性和经济性等要求。在齿轮传动机构的研究、设计和生产中，一般要满足以下两个基本要求：

1.传动平稳—在传动中保持瞬时传动比不变，冲击、振动和噪音尽量小。

2.承载能力大—在尺寸小、重量轻的前提下，要求轮齿的强度高、耐磨性好及寿命长。

由于螺旋锥齿轮与直齿锥齿轮相比，在使用上有如下优点：

1）增大了重迭系数。由于弧齿锥齿轮的齿线是曲线，在传动过程中至少有两个或两个以上的齿同时接触，重迭交替接触结果，减少了冲击，使传动平稳，降低了噪音；

2）由于螺旋角的关系，重迭系数增大，因而负荷比压降低，磨损较均匀，相应的增大了齿轮的负荷能力，增长了使用寿命；

3）可以实现大的传动比，小轮的齿数可以少至五齿；

4）可以调整刀盘半径，利用齿线曲率修正接触区；

5）可以进行齿面的研磨，以降低噪音、改善接触区和提高齿面光洁度；

6）在传动中产生的轴向推力较大，所以对轴承要求较高，在传动机构中需选用适当的轴承。

由于上述特点，所以螺旋齿锥齿轮常用于圆周速度较高，传动平稳和噪音较小的传动中。

通过和直齿锥齿轮的比较，本设计采用螺旋锥齿轮。计算采用的是等高齿锥齿轮，即从齿的大端到齿的小端齿高是一样的，这种齿轮的面角、根角和节角均相等。这样设计不仅减少了大部分的计算，而且对于模具的设计和压制来说更为有利。螺旋锥齿轮齿形参数直接影响齿轮的承载能力、轮齿刚度和传动的动态特性，各参数相互影响、相互制约，其选择的原则是：由各参数确定的齿形，应保证轮齿有较高的弯曲强度和接触强度，最好符合等强度的设计原则。轮齿在啮合时，要求传动平稳，无齿形干涉现象。齿形形状要力求简单以便于制造。

1.主、从动锥齿轮伞齿轮齿数的选择在选择齿数时，应尽量使相啮合的齿轮的齿数之间没有公约数，以便使齿轮在使用过程中各齿之间都能互相啮合，起到自动磨合的作用。同时，为了得到理想的齿面重叠系数，大小齿轮的齿数和应不小于40。

2.齿面宽F 的选择对于等高齿锥齿轮来说：在“奥利康”制等高齿锥齿轮上，由于其延伸外摆线的曲率变化比弧齿锥齿轮的圆弧齿线大，因此，齿面宽不宜过大。一般可取F=(0.25 ~ 0.30)A0，A0 为节锥距。

3.螺旋角β 的选择汽车主减速器锥齿轮的螺旋角多在βm=35~40°范围内。为了保证有较大的mF 使运转平稳、噪音低。依据经验选βm2=36°。

4.法向压力角α 的选择大压力角可以增加轮齿强度，减少齿轮不产生根切的最少齿数，但对于尺寸小的齿轮，大压力角使齿顶变尖及刀尖宽度过小，所以在轻负荷工作的齿轮中一般采用小压力角，可使齿轮运转平稳，噪音低。对于本设计中的“奥”制齿轮采用的齿面平均压力角α=17.5°。论文参考网。

5.齿顶高系数及顶隙系数齿顶高系数取ha*=1；顶隙系数C*=0.25。

2.实际啮合的粉末冶金烧结齿轮齿形的修正及校核

压坯密度对于提高和稳定烧结制品的强度与尺寸精度十分重要。为使压坯密度均匀，顺利脱模，结合齿轮设计的特点，对齿形以下几部分进行了改进：

a.为了增高齿的强度和降低噪声，同时考虑到实际当中齿形模冲加工的特点，对齿轮的齿顶和齿根的齿形进行了修正。

b.一般压制成形都是沿着压坯的轴向进行的。而制品中径向(横向)的孔、槽、健、螺纹和倒锥，通常是不能压制成形的，需要在烧结后用切削加工来完成的。论文参考网。但本齿轮的键槽是轴向的，并不影响压坯的脱模。

c.从节省原料和不影响安装的角度考虑，把原来的三个定位凹坑改成花键式，而且不影响脱模，且能节省原材料。

通过对改进后的齿形进行载荷计算和齿面接触强度的理论校核，结果说明所设计的齿形参数能够满足服役要求。

3.齿轮模拟台架试验

将上述材料的大齿轮，分别在100℃、200℃和250℃回火，硬度分别为HRC43~45、HRC38~40、HRC30~32；之后装机进行实验，对磨件为40Cr钢，硬度HRC48。台架试验记录结果：

第一套齿轮(硬度HRC43~45)：经装机试验当试验到1.5h时，出现声音异常，拆机检查，小齿轮打崩二个齿，但大齿轮完好；换上钢制的小齿轮，淬火硬度HRC42~43，经测试10h，机器正常，拆机检查，磨损正常，即进行第二个项目测试 (空载实验) 55h，拆机检查，一切磨损正常，(其中换了一个转子，碳刷3副)；之后进行模拟实验，运转到10.5h时，机器冒烟，烧机，停止测试，拆机检查发现，前轴承爆裂，定转子烧毁，大齿轮打崩一个齿，小齿轮磨损比大齿轮严重。经分析原因：大齿轮打崩是因为前轴承爆裂，而造成转子乱跳而产生的，是意外发生的现象，并非齿轮强度问题所造成的，所以其材料可以继续试验。

第二套齿轮(大齿轮硬度HRC38，小齿轮HRC42(材料 40Cr)：进行模拟试验运转16h时转子烧毁，拆机检查，齿轮磨损正常，换转子继续进行，运转26.5h时电机烧毁拆机检查，齿轮磨损正常。换电机继续进行，运转7.5h时电机烧毁拆机检查，齿轮磨损正常。再换电机继续进行运转12h时电机烧毁拆机检查，齿轮磨损正常。换电机继续进行，运转17h时电机烧毁，拆机检查，齿轮磨损正常。论文参考网。再换电机继续进行，运转15h电机烧毁，拆机检查，齿轮磨损正常。停止试验。

第三套齿轮(硬度HRC30~32，小齿轮HRC35，大小齿轮均为粉末冶金材料)：经装机试验，通过工况测试，磨损正常；第二个项目测试 (空载实验) 30h时，大齿轮小齿轮磨损严重，停止测试。结论：硬度太低而造成磨损。在本测试条件下，渗碳烧结齿轮材料耐磨性优于意大利和40Cr材料；在本测试条件下，改进后齿形传动平稳，降低噪音；由此可以认为，本课题研制的新材料和完成的齿轮齿形设计能满足电动工具的使用要求。

【参考文献】

[1]李华彬,何安西,曹雷,扬健,李学荣.Cu/Fe复合粉的性能及应用研究[J].四川有色金属, 2005,(01).

[2]程继贵,夏永红,王华林,徐卫兵.聚苯乙烯/铜粉温压成型的研究[J].工程塑料应用,2000,(06).

第4篇：粉末冶金的优势范文

【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；

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[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.

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[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.

第5篇：粉末冶金的优势范文

以省部产学研合作为契机，建设企业工程技术研发中心

建设企业工程技术研发中心作为科技与经济发展密切结合的重要桥梁，以及作为原始创新、集成创新、引进消化吸收再创新的重要平台，一直在广州市自主创新能力建设中具有重要的地位。建设企业工程技术研发中心作为广州市完善区域创新体系，增强企业创新能力的重要举措，按照“链接产业、面上推进、省市联动”的思路，选择有行业特色、技术创新能力强的大中型企业，在电子信息、先进制造、生物医药、新材料、新能源与节能、资源与环境、农业等领域组建一批具有较强带动作用和科技成果工程化、产业化能力强的企业工程技术研究开发中心，促进科技成果转化和高新技术产业化，培育一批掌握行业核心技术、技术创新能力与国际同类企业水平相当的骨干企业，提高企业参与市场竞争的能力，同时也培养一批高水平的工程技术人员和管理人员。“十一五”期间，广州市计划在省部产学研办公室的支持下，与部属高校紧密合作，新组建企业工程技术研究开发中心100家，培育省级工程技术研究开发中心20~30家，国家级工程技术研究中心5~10家，在条件建设、项目研发、人才培养、国际合作等方面给予重点支持，通过省部产学研合作，使工程技术研发中心成为企业提升自主创新能力的重要载体和提升产业整体技术水平的中坚力量。

以创新型企业为基础，培育优势产业集群

在建设企业工程技术研发中心实施“面上推进”的策略基础上，利用好省部产学研结合的各种资源，在具有比较优势的行业和领域选择一批已建有工程技术研发中心的企业与部属高校对接来开展创新型企业示范工作，大幅提高其自主创新能力，为企业自主创新产品的产业化提供必要的金融与政策支持，鼓励企业对技术开发进行持续高强度投入，以点带面，重点突破，辐射带动整个产业链的技术升级，最终形成具有特色和竞争力的产业集群。

建设创新型企业以产品创新、品牌建设、发明专利和技术标准创造为突破口，引导企业由下游向产业链分工的中上游方向发展，在技术创新中由低附加值向高附加值发展；既要扩大产业总体规模，更要提高技术水平和信息化水平，既要做大，更要做强，提高企业的市场竞争力。培育一批具有示范性的创新型企业，加快产业结构的调整和优化升级，按照“一核三极”（一个核心区是以广州东部的科学城、天河软件园为中心的高新技术产业群，形成以电子信息和生物医药为龙头的高新技术产业群；三个增长极是发展沿海港高新技术产业的南部沿海港增长极、发展与物流相关的高新技术产业的北部空港增长极、发展信息服务产业的城市中心建成区增长极）的思路积极引导产业逐步走向规模化和集约化，支撑和引领广州市经济和社会发展。

以市场为导向，推进“产学研”无缝衔接

在省部产学研合作的大框架内，创新“产学研”合作模式，鼓励和支持企业同部属高校建立双边与多边协作关系，开展成果转让、技术服务、技术咨询、技术入股、联合办学方面的合作，大力促进企业与部属高校之间共建研究开发机构、工程类重点实验室、中试基地等，对国内外先进适用技术进行消化、吸收、再创新，提高企业的自主创新能力、工程化能力和产业化能力，提高其科研成果的工程化、商品化水平。

通过强化科技计划的引导作用，围绕高新技术发展重点领域，整合科技资源，将广州市重点学科建设、人才培养与科技计划项目相结合，建成了一批能直接面对广州市经济建设重大需求的应用型学科，构建起重点学科（重点实验室）―工程技术研究开发中心―科技型企业“三位一体”的、无缝衔接的“产学研”体系，充分发挥企业与部属高校的集成优势，全面提升自主创新能力。如由华南师范大学、香港健隆投资有限公司承担的广州市科技攻关重大项目“广州市LED工业研究开发基地”，总投入为1.2亿元，其中广州市科技经费支持2000万元，香港健隆投资有限公司出资9000万元、华南师范大学出资1000万元。该项目的开展形成了一个研发中心和一个生产基地。其中生产基地已完成设备的调试和安装，已开始小批量生产包括数码管、背光源、LED封装等产品，已产生了约1600万元的销售收入，初步形成了一条完整的研究、开发、应用产业链条，在较短的时间内成为国内有重要影响的LED芯片研发和生产基地。

由教育部重点建设高校华南理工大学机械工程学院承担的广州市重大科技攻关项目“汽车用高性能粉末冶金制品制造关键技术与装备”，经过研究开发，将粉末冶金最新成形技术与机械设计制造技术、液压及液力传动技术、传热技术、物料输送技术、微机控制技术等进行集成，研制成功汽车用高性能粉末冶金制品制造关键技术与装备，可用于成形汽车用高性能粉末冶金零件、家电产品零件、办公机械零件等高档粉末冶金零件，可大幅度降低这些零件的制造成本，提高相关产品制造业的竞争力。具备5000万元以上高性能粉末冶金制品的生产能力，形成全自动粉末成形装备的设计生产能力。获授权发明专利7项，实用新型4项，登记计算机软件著作权2项。获国家科技进步二等奖一项。

以政策为保障，制定鼓励自主创新的配套措施

为贯彻落实《广东省人民政府教育部关于加强产学研合作，提高广东自主创新能力的意见》，提高广州市自主创新能力，加快推进广州市的省部产学研工作和创新型城市建设，由我局牵头制定了《广州市人民政府关于提高自主创新能力建设创新型城市的若干政策规定》，其中包括促进自主创新的产学研合作、财政、金融、税收、人才、政府采购和知识产权保护等多项相关扶持政策。此稿经征求相关职能管理部门意见，已按反馈意见修改完毕并交市政府进一步讨论后正式。

以专业机构为依托，构建校企技术创新的服务支撑平台

第6篇：粉末冶金的优势范文

关键词：激光焊接技术；原理；特点；应用；发展趋势

Abstract: laser as a high speed, high precision, high quality and low deformation of welding technology, has been used widely in the industry. In this paper, the laser welding technology of welding principle, characteristics, process parameters, application field in detail, and connecting with the reality, laser welding technology to the development trend of certain discussion.

Keywords: laser welding technology; Principle; Characteristics; Application; Development trend

中图分类号：P755.1 文献标识码：A 文章编号

前言：激光作为一种电磁波，具有许多自身特有的性质，在工业领域得到了广泛应用。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，又常称为镭射焊机、激光焊机，按其工作方式常可分为自动激光焊接机、激光模具烧焊机、光纤传输激光焊接机、激光点焊机。

1 激光焊接的原理

激光焊接是利用高能量的激光脉冲辐射至材料，对材料进行微小区域内局部加热，利用激光与金属的相互作用，激光辐射的能量以热传导方式，向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池，达到焊接的目的。

按焊接熔池形成的机理划分，激光焊接有两种基本的焊接机理：热传导焊接和激光深熔焊。前者所用激光功率密度较低（105～106W／cm2），当激光照射到材料表面时，一部分激光会被材料吸收，一部分会被反射，材料吸收后将光能转化为热能市材料表面熔化，然后以热传导的方式向工件内部传递热量形成熔池，最后将两个焊件熔接在一起。热传导焊接熔深浅，深宽比较小。

2 激光焊接的特点

电弧焊、电阻焊、高能束焊（电子束焊、激光焊）、钎焊、电渣焊、高频焊、气焊、气压焊、爆炸焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、扩散焊等焊接方式，是目前常用的焊接工艺。激光焊接相比于其他焊接方式，具有以下无法比拟的优点：（1）可将进入的热量降到最低的需要量，热影响区域的相变化范围小，因热传导所导致的热变形最低；（2）32mm厚板的单道焊接的工艺参数业经鉴定合格，降低了厚板焊接所需的时间，甚至可不使用填料金属；（3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑；（5）激光束易于聚焦、对准，受光学仪器导引，可放置在工件外适当的距离，进行远距离焊接，甚至可在工件周围的设备或障碍间导引。

3 影响激光焊接的参数

3.1 激光功率密度

功率密度是激光焊接中最关键的工艺参数之一。随着聚焦透镜焦长的变化，功率会随着改变。对于较高的功率密度，表层经过书微秒即可加热至沸点，产生大量金属汽化气体。因此，高功率密度对于打孔、切割、雕刻等材料去除有利。采用较低功率密度，需要经过数毫秒，材料表层温度才能达到沸点，在表层汽化之前，底层已达到熔点，容易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围104~106W/cm2内。

3.2 激光脉冲波形

激光脉冲波形既是区别是材料去除还是材料熔化的重要参数，也是决定加工设备体积及造价的关键参数。当高强度激光束射至材料表面，材料表面将会有60~98%的激光能量被反射损失掉，且反射率随着表面温度的变化而变化。在一个激光脉冲作用周期内，被加工金属的反射率的变化也很大。

3.3 激光脉冲宽度

激光脉冲宽度是激光焊接中的一个重要问题，尤其对于那些薄片材料焊接时，显得更为重要。激光脉冲宽度由熔深与热影响分区决定，激光脉冲宽度越长，热影响分区就越大，熔深随着激光脉冲宽度的1/2次方增大。但激光脉冲宽度的增大会降低其峰值功率，较低的峰值功率又会导致多余的热输入。

3.4 离焦量、焦斑

离焦量为工件材料表面离聚焦光束最小斑点的距离，将会影响激光功率密度以及焊接质量。因为聚焦光束最小斑点的中心功率密度很高，容易使材料蒸发成孔，所以激光焊接通常需要选取一定的离焦量。聚焦光束最小斑点外的各平面上，功率密度的分布相对均匀。通常长焦距的能量密度低，光斑大，能量密度足够情况下，可用于对接头定位精度不高的焊接；短焦距的能量密度较高，光斑小，要求工件配合间隙要小。

4 激光焊接的应用

4.1 在制造业的应用

激光拼焊是将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材用激光把边部对焊，焊接成一块整体板，以满足零部件对材料性能的不同要求。从20世纪80年代中期开始，激光拼焊作为新技术在欧洲、美国、日本得到了广泛的关注。激光拼焊工艺主要是为汽车行业进行配套服务，尤其在车身零部件生产、制造和设计方面，激光拼焊的使用有着巨大的优势。激光拼焊技术在国外轿车制造中得到广泛的应用。

4.2 粉末冶金领域

随着科学技术的不断发展，以及工业技术对材料特殊的要求，冶铸材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料所具有的特殊性能和制造优点，在汽车、飞机、工具刃具制造业等领域中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的飞速发展，它与其它零件的连接问题显得日益突出，使粉末冶金材料的应用受到限制。

4.3 电子工业

激光焊接在电子工业中，尤其是微电子工业中得到了广泛应用。鉴于激光焊接热影响区小，加热迅速集中，热应力低，在集成电路、半导体器件壳体的封装中，显示出了其独特的优越性。在真空器件研制过程中，激光焊接也得到了应用。

5 激光焊接的发展趋势

5.1 新型激光器的研发

目前的激光焊接所使用的激光器主要为大功率CO₂激光器和YAG激光器。激光器的发展仍然集中于激光设备的开发研制上，如提高电源的稳定性和寿命，对于于CO₂激光器要解决放电稳定性的问题，对于YAG激光器要研制开发大容量、长寿命的光泵激励光源等。

5.2 焊接工程的有效控制

在激光加工的光束质量及装置研究方面，应着重放在研究各种激光加工工艺对激光光束的质量要求，以及激光光束和加工质量监控技术上。光学系统及加工头的设计和研制，开展焊接工艺及材料、焊接工艺对设备要求及焊接过程参数监测和控制技术的研究，对掌握普通钢材、有色金属及特殊钢材的焊接工艺具有重要的影响，准确地选择控制参数，可改善激光焊接工程的稳定性，提高激光焊接的焊缝质量，并将离子效应、匙孔效应等各种焊接效应控制在理想的范围内。

结束语：

本文对激光焊接的原理、特点，激光焊接过程中工艺参数，主要应用领域进行了讨论，并在最后提出了激光焊接技术发展的趋势。激光焊接技术凭借其高能量密度、高精度、深穿透、强适应性等特点，被广泛应用在制造业、冶金业等领域，不仅提高了生产效率，也显著提高了焊接质量。在21世纪，激光焊接技术必将在材料连接领域发挥至关重要的作用。

参考文献

[1]鹫尾邦彦.Laser material processing applications in electonic and eletric industries[J].溶接学会论文集，2001，(19)：176-191.

第7篇：粉末冶金的优势范文

该项目是将中航工业制动的碳/碳刹车材料制备技术与西北工业大学的陶瓷基复合材料应用技术科学结合，发明的一种领先世界的新型复合材料――“碳陶飞机刹车功能复合材料”，简称“碳陶刹车材料”。它是产学研合作取得的一项饱含“中国创造”智慧的自主技术创新硕果。

其实，早在2008年中航工业制动用此材料制作的飞机刹车盘――“碳陶刹车盘”就在歼10某型飞机上实现了成功首飞。此后，碳陶刹车盘成熟地应用在我国舰载机、歼击机、运输机等10多种先进机型上，使我国成为世界上第一个将碳陶刹车盘成功应用机上的国家。碳陶刹车材料，改写了刹车材料的历史，彰显了碳陶刹车技术领跑世界的中国力量。

如今，关乎飞机起降安全的碳陶刹车盘授此大奖，实至名归。这项新型材料融合了粉末冶金刹车材料和碳/碳复合刹车材料的优点，具有重量轻、硬度高、刹车平稳、耐高温、耐腐蚀、环境适应性强等优点，被公认为性能优异的新一代刹车材料。

在产业界“一辈子只做刹车”的中航工业制动董事长、党委书记向克阳激动地说：“今天的获奖，就好比一个孩子高考考上清华、北大。关键是‘父母’基因强大，才修成正果。”

“找对了合作方比什么都重要”，西北工I大学领衔合作项目的中国工程院士院张立同更是情不自禁，“这让我们更加坚定了产学研合作自主技术创新的信心和决心。”

从2005年双方合作到2008年碳陶刹车盘装机首飞成功，再到荣获2016年国家技术发明奖。作为产学研主体的中航工业制动和西北工业大学同甘共苦，肝胆相照。在新材料研制领域，共同突破了世界制备技术的三大难题，形成了五个重大技术发明点，获得了19项国家专利。

科技的成色，产业的金色，成就了含金量十足的“中国颜色”。

飞机刹车盘从“跟跑”到“领跑”

翻开中国飞机刹车盘研制历史，这是一部布满荆棘的辛酸史，更是一部漫长且艰苦的奋斗史。

机轮刹车系统隶属机起降系统，主要承受飞机在地面的静动态载荷、冲击载荷、吸收刹车能量，并对飞机起飞、着陆、滑行、转弯、制动进行有效控制。据统计，飞机发生在飞机滑行和起降阶段的不安全事件占飞机所有不安全事件的60%以上。因此，作为刹车系统上起关键作用的刹车盘就显得尤为重要。欧、美、俄等航空工业强国，历来极为重视航空起降制动系统的发展。

目前，飞机刹车盘的制造材料发展经历了有机粘结剂刹车材料、粉末冶金刹车材料、碳/碳复合刹车材料和碳陶复合刹车材料四个阶段。有机粘结剂刹车材料是早期飞机使用的刹车材料，刹车温度低、寿命短、起落架次少，目前已基本淘汰。粉末冶金刹车材料在20世纪60年展起来，但存在高速摩擦系数低、高速制动力不足，以及使用寿命低等问题。

碳/碳复合刹车材料是上世纪70年代欧美发达国家率先使用的飞机刹车盘制作材料。长期以来，这项技术被美、英、法三国牢牢掌握。

1972年，中航工业制动发现和瞄准了这一尖端技术，向国家申请立项研制。1977年，研制出国内第一套扇形片结构的航空碳刹车盘；1987年，碳刹车材料制备工艺和防氧化技术获得成功；1993年，碳/碳复合材料刹车制备技术获得国家发明专利；1994年，碳/碳复合材料防氧化技术获得国家发明专利；1998年，碳/碳刹车盘在歼-10飞机上首飞成功；2003年，碳/碳刹车盘获得中国第一个TSOA技术标准批准书，并随着新舟-60飞机飞出国门，国际航线上终于有了中国产的碳/碳刹车。中航工业制动的这一创举，不仅彻底改变了西方大国对此技术的垄断局面，而且在全国范围内催生出10多个碳刹车企业，引领了中国碳/碳刹车材料产业的蓬勃发展。

有学者评价，如果没有碳/碳材料产业化的成功，就没有今天中国机轮刹车领先于世界的精“碳”一跃。碳/碳刹车盘最大的特点是对飞机减重效果十分显著，这对飞机来说无疑是最大的利好。

先进的成果必然承受更多异样的眼光。在中航制动攻关技术的过程中，遭到了很多所谓专家的反对。他们批驳和质疑碳/碳刹车材料的种种不是。然而，当碳/碳材料在国内大量军、民机上成功使用时，曾经的“反碳/碳”派专家，又开始想方设法地“临摹”这一新技术。

如今，在事实与业绩面前，流言无影无踪。

那么，为什么又要发展另一种新材料？因为飞机作业的环境复杂多变，不同的自然环境对刹车材料有不同的要求。碳/碳刹车盘的吸潮性强，在湿态环境会导致飞机刹车性能大幅度衰减，从而危及飞行安全。装备发展呼唤着一种新型刹车材料的问世。

产学研的根本是为了自立

2005年，中航工业制动与西北工业大学签订合作协议，提出以国防建设为需求，着眼航空产业发展中遇到的重大难题和难点，发挥彼此优势，立志打一场高科技的现代科学战。

合作的双方，一个是国内最早从事碳材料研究和产业化的“元老”，一个是陶瓷基复合材料研究的“新贵”。强强结合，优贽互补，强大的碳材料基因和高科技血统充分融合，就会诞生出“中国籍”的世界级产品。

第8篇：粉末冶金的优势范文

【关键词】渗氮；金属陶瓷；力学性能；密度；耐蚀性；

中图分类号：F407.4 文献标识码：A 文章编号：

一.前言

由硬质相和金属（或合金）粘结相组成了一种复合材料，这就是金属陶瓷的构成成分，在金属（或合金）粘结相中，主要分布有体积分数约为15％～85%的陶瓷晶粒。金属陶瓷在强度、硬度等的机械性能方面有很多优势，在很多领域都用金属陶瓷来替代硬质合金，但是耐蚀性很差是金属陶瓷的缺点，如果是用来制备机械密封环，其使用条件是能够完全适应的，但是如果受到腐蚀的话，就会在短时间内失效，普遍用于耐磨损场合的话也是可以的，在大部分应用场合的同时不可避免的接触电解质，就有可能受到电化学腐蚀在磨损失效前就失效。如果是既有腐蚀又有磨损，就形成了腐蚀磨损过程，在这个过程当中，就会更加恶化了材料表面性能，大大降低了工件寿命，因此，如果要弥补的使用缺陷，就必须提高金属陶瓷耐腐蚀性，把金属陶瓷的使用范围扩大，并带动整个粉末冶金领域制备技术的更新。很多著名的科学家针对硬质合金和金属陶瓷抗腐蚀性能在不同的介质中进行研究。

二. 实验部分

在制备金属陶瓷材料的时候采用的是传统粉末冶金的方法。原料采用Ti、C、WC、Ni、Mo2C、VC、Co粉末，用球磨机进行球磨之前添加乙醇，然后进行球磨。

把成形剂(2%的丁蜡橡胶)和球磨后的粉末均匀混合，然后用200摄氏度的恒温在真空干燥箱(ZYS5050130)内进行干燥24小时，把控制粉末粒度控制住小于或者等于0.154毫米，然后经过造粒和过筛，使用单向压制，选用0.98MPa的压制压力，制做成边长为1.5厘米的正方体坯料，然后烧结成金属陶瓷试样，在卧式真空烧结炉（GCA500）中进行真空，并分成两部的烧结试样：1＃试样（不进行渗氮）和:2＃试样（进行渗氮处理）两种。采用随炉氮化渗氮来进行2＃试样，进行抛磨、去油、超声波清洗等预处理的时候要做渗氮之前。如图1所表示的就是1＃试样和2＃试样的制备工艺流程。

在对1＃、2＃试样进行电子探针观察的时候采用带能谱仪的电子探针，扫描分析Ti元素的进行面，对金属陶瓷表面形貌当中渗氮的影响进行分析。在9.8N载荷下使用维氏HV－1000显微硬度进行1＃、2＃试样的硬度检测，针对试样表面硬度在进行渗氮前后的变化进行对比，测试分析其表面抗弯强度、表面洛氏硬度和密度。对比分析渗氮前后试样的耐蚀性变化的时候采用液态浸渍法，在选择液态浸渍溶液的时候选择硫酸、氢氧化钠、草酸和氨水，以15d为一个实验周期，在研究金属陶瓷的电化学行为和腐蚀特征的时候用动电位扫描极化曲线法。

三、实验结果与讨论

1、渗氮处理后试样表面的变化

试样表面的时候用使用渗氮，渗氮涂层就能够形成。用显微硬度法来测定涂层的硬度，显微硬度关于1＃、2＃试样表面的测试数据如表1所表示。

从表1可以看出，1＃试样的显微硬度比2＃试样的低了将近20％，由此可见金属陶瓷表层的硬度在渗氮处理之下明显的提高了，表层含Ti硬质相的含量增大了，后面的表面微观分析证实这个理论。用电子探针分别对1＃、2＃试样表面进行观察，对进行面扫描观察其中的Ti元素的时候，利用能谱仪,如下面图2、图3所示的结果。

白色区域在图中代表的是Ti区域元素十分的密集，通过分析不难看出在经过渗氮后2＃试样表面提高了Ti的含量，跟表面硬度上升相统一。

2、渗氮处理对试样性能的影响

使用表面抗弯强度、表面洛氏硬度和密度分析了1＃、2＃试样，表2显示了结果：

从表2可看出，经过渗氮后的试样表面，都提高了金属陶瓷的强度、硬度和密度。其原因是N元素渗入之后， 形 成 了 结 构 致 密 的TiN等相在 金 属 陶 瓷的表面，减少表面孔隙，因此提高了密度，试样的抗弯强度、硬度和密度也因而提高了，提高了硬度，促进了耐磨性的提高，金属陶瓷的使用寿命就提高了。

3、试样的耐腐蚀性分析

(一)腐蚀失重分析

在硫酸、氢氧化钠、草酸在氨水介质中放置1＃、1＃试样进行腐蚀失重实验，把得到的数据代入到相关公式当中进行计算，在这四种溶液中试样的平均腐蚀速率就被计算出来，表3所示就是计算结果：

（二）电化学测试分析

在耐磨性上金属陶瓷都是十分高的，在很多需要抗磨损的场合普遍的应用，可是不能避免领域和电解质进行接触，电化学性质普遍的存在于绝大多数腐蚀过程当中。想要从阳极极化曲线中来判断腐蚀发展的趋势，就可以采用电化学方法进行腐蚀实验。

阳极极化曲线中，腐蚀电流越小，腐蚀电位越大（其值越正），则该合金在该电解质中发生腐蚀的倾向越小。在下图4中可以看出，金属陶瓷的耐蚀性通过渗氮进行提高了，金属陶瓷在碱中的耐蚀性更好。

4、渗氮对金属陶瓷耐蚀性影响的机理分析

芯环结构是金属陶瓷的典型结构，其中TiC是“芯”，（Ti，Mo）C固溶体是“环”， Ni固溶体是“粘结相”。在Ni粘结相的表面首先发生金属陶瓷的腐蚀，金属陶瓷无数微小的原电池在潮湿空气中被腐蚀的时候，原电池的负极Ni发生氧化反应，其中不活泼能导电的(Ti，M0)C被溶解是原电池的正极产生了还原反应。腐蚀了粘结相，TiC骨架也崩塌了，陶瓷失效，伴随着Ni的含量在减少，在一定程度减弱了腐蚀。

在氮气中进行热处理TiC－WC－Co金属陶瓷的时候，Co相中会溶入N，富氮的Ti(C，N)相会从粘结相中析出，Ti(C，N) 的抗氧化性能比TiC提高的比较大，也增强了耐腐蚀性能。

四、结束语

通过上述实验很分析，笔者得出以下的结论：

（一）金属陶瓷的综合性能和耐腐蚀性可以采用渗氮处理来进行提高，金属陶瓷应用领域扩大了，对节约钨资源是一个有效的帮助。

（二）金属陶瓷采用渗氮之后形成的富Ti层，可以有效的提高金属陶瓷的力学性能和耐腐蚀性能。

（三）通过分析腐蚀失重，可以得出后金属陶瓷腐采用渗氮之后，腐蚀速率明显减慢了，而且在碱中的腐蚀速率比较低。

（四）通过对试样电化学极化曲线的测定和计算得出，金属陶瓷在采用渗氮之后，减小了腐蚀电流，使得正移了腐蚀电位，其耐蚀性被提高了，在酸溶液中的试样耐蚀性比在碱中要差很多。

参考文献：

[1]栾振涛，周丽，殷凤仕．SHS－PHIP法制备TiC－Ni（Mo）金属陶瓷［J］．《热加工工艺》，2003

[2]刘宇雁，陈林，徐舰，马鹏起.Y_2O_3和La_2O_3对金属陶瓷内衬显微硬度和耐蚀性的影响[J] 2005

[3]刘宇雁， 陈林， 徐舰，马鹏起.La_2O_3和ZrO_2对金属陶瓷内衬显微硬度和耐蚀性的影响[J]中国稀土学会第一届青年学术会议论文集2005

第9篇：粉末冶金的优势范文

关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展

Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。

近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。

1FGM概念的提出

当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3]。

随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分类

2.1FGM的特殊性能

由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:

1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;

2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;

3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;

4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。

2.2FGM的分类

根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。

3FGM的应用

FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。

功能

应用领域材料组合

缓和热应

力功能及

结合功能

航天飞机的超耐热材料

陶瓷引擎

耐磨耗损性机械部件

耐热性机械部件

耐蚀性机械部件

加工工具

运动用具:建材陶瓷金属

陶瓷金属

塑料金属

异种金属

异种陶瓷

金刚石金属

碳纤维金属塑料

核功能

原子炉构造材料

核融合炉内壁材料

放射性遮避材料轻元素高强度材料

耐热材料遮避材料

耐热材料遮避材料

生物相溶性

及医学功能

人工牙齿牙根

人工骨

人工关节

人工内脏器官:人工血管

补助感觉器官

生命科学磷灰石氧化铝

磷灰石金属

磷灰石塑料

异种塑料

硅芯片塑料

电磁功能

电磁功能陶瓷过滤器

超声波振动子

IC

磁盘

磁头

电磁铁

长寿命加热器

超导材料

电磁屏避材料

高密度封装基板压电陶瓷塑料

压电陶瓷塑料

硅化合物半导体

多层磁性薄膜

金属铁磁体

金属铁磁体

金属陶瓷

金属超导陶瓷

塑料导电性材料

陶瓷陶瓷

光学功能防反射膜

光纤;透镜;波选择器

多色发光元件

玻璃激光透明材料玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半导体

稀土类元素玻璃

能源转化功能

MHD发电

电极;池内壁

热电变换发电

燃料电池

地热发电

太阳电池陶瓷高熔点金属

金属陶瓷

金属硅化物

陶瓷固体电解质

金属陶瓷

电池硅、锗及其化合物

4FGM的研究

FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。

4.1FGM设计

FGM设计是一个逆向设计过程[7]。

首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。

FGM设计主要构成要素有三:

1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;

2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;

3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。

FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。

4.2FGM的制备

FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。

4.2.1粉末冶金法(PM)

PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。

4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：

SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4.2.3喷涂法

喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4.2.3.1等离子喷涂法(PS)

PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料

4.2.3.2激光熔覆法

激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。

4.2.3.3热喷射沉积[10]

与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。

4.2.3.4电沉积法

电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5气相沉积法

气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。

化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。

物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]

4.2.4形变与马氏体相变[8]

通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。

4.3FGM的特性评价

功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。

5FGM的研究发展方向

5.1存在的问题

作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；

2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；

3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；

4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;

6)成本高。

5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]

1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；

2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；

3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；

4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。

5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]

有必要从以下5个方面进行研究：

1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；

2）热绝缘性能；

3）热疲劳、热冲击和抗震性；

4）抗极端环境变化能力；

5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等