第7章粉末冶金技術(shù)

1、第7章粉末冶金技術(shù) 第七章第七章 粉末冶金技術(shù)粉末冶金技術(shù) 第7章粉末冶金技術(shù) 粉末冶金粉末冶金 粉末冶金是將金屬粉末粉末冶金是將金屬粉末( (或摻入部分非金或摻入部分非金 屬粉末屬粉末) )經(jīng)過(guò)成型和燒結(jié)制成金屬材料或經(jīng)過(guò)成型和燒結(jié)制成金屬材料或 機(jī)械零件的一種工藝方法。機(jī)械零件的一種工藝方法。 它既可用金屬粉末直接制成它既可用金屬粉末直接制成( (不經(jīng)切削加不經(jīng)切削加 工，或經(jīng)少量切削加工工，或經(jīng)少量切削加工) )符合裝配要求的符合裝配要求的 零件，又可制造用一般冶煉方法難以生零件，又可制造用一般冶煉方法難以生 產(chǎn)的金屬材料和制品。產(chǎn)的金屬材料和制品。 第7章粉末冶金技術(shù) 一、粉末冶金的定

2、義一、粉末冶金的定義 粉末冶金是以粉末粉末冶金是以粉末 ( (金屬粉末或非金屬粉末金屬粉末或非金屬粉末) )為為 原料，經(jīng)過(guò)成形和燒結(jié)制造金屬或非金屬材料、原料，經(jīng)過(guò)成形和燒結(jié)制造金屬或非金屬材料、 復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝過(guò)程。復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝過(guò)程。 實(shí)際上，粉末冶金技術(shù)涉及到很多新的理論和技實(shí)際上，粉末冶金技術(shù)涉及到很多新的理論和技 術(shù)，內(nèi)涵越來(lái)越豐富。粉末冶金已經(jīng)逐漸發(fā)展成術(shù)，內(nèi)涵越來(lái)越豐富。粉末冶金已經(jīng)逐漸發(fā)展成 一門一門“科學(xué)科學(xué)”，而非簡(jiǎn)單的，而非簡(jiǎn)單的“工藝工藝”或或“技術(shù)技術(shù)”。 第7章粉末冶金技術(shù) 二、粉末冶金工藝及技術(shù)的特點(diǎn)二、粉末冶金工藝及技術(shù)的特點(diǎn)

3、粉末冶金工藝的第一步是制取金屬粉末、合金粉末、粉末冶金工藝的第一步是制取金屬粉末、合金粉末、 金屬化合物粉末以及包覆粉末，第二步是將原料粉金屬化合物粉末以及包覆粉末，第二步是將原料粉 末通過(guò)成形、燒結(jié)以及燒結(jié)后的處理制得成品。末通過(guò)成形、燒結(jié)以及燒結(jié)后的處理制得成品。 粉末冶金材料和制品的工藝流程舉例如圖粉末冶金材料和制品的工藝流程舉例如圖1 1所示所示 第7章粉末冶金技術(shù) 第7章粉末冶金技術(shù) (1)(1)傳統(tǒng)的粉末制備技術(shù)傳統(tǒng)的粉末制備技術(shù) 對(duì)粉末的要求不同，所需要的制備方對(duì)粉末的要求不同，所需要的制備方 法也不同。物料狀態(tài)有法也不同。物料狀態(tài)有 。 第7章粉末冶金技術(shù) u采用固態(tài)原料制備粉

4、末采用固態(tài)原料制備粉末 從固態(tài)金屬與合金制取金屬與合金粉末的方法主從固態(tài)金屬與合金制取金屬與合金粉末的方法主 要是機(jī)械粉碎法要是機(jī)械粉碎法 從固態(tài)金屬氧化物及鹽類制取金屬與合金粉末的從固態(tài)金屬氧化物及鹽類制取金屬與合金粉末的 有還原法有還原法 制取金屬化合物粉末的有還原制取金屬化合物粉末的有還原- -化合法化合法 第7章粉末冶金技術(shù) u在液態(tài)下制備粉末的方法在液態(tài)下制備粉末的方法 從液態(tài)金屬與合金制金屬與合金粉末的霧化法從液態(tài)金屬與合金制金屬與合金粉末的霧化法 從金屬鹽溶液置換和還原制金屬、合金以及包覆粉末從金屬鹽溶液置換和還原制金屬、合金以及包覆粉末 的置換法、溶液氫還原法的置換法、溶液氫還

5、原法 從金屬熔鹽中沉淀制金屬粉末的熔鹽沉淀法從金屬熔鹽中沉淀制金屬粉末的熔鹽沉淀法 從輔助金屬浴中析出制金屬化合物粉末的金屬浴法從輔助金屬浴中析出制金屬化合物粉末的金屬浴法 從金屬鹽溶液電解制金屬與合金粉末的水溶液電解法從金屬鹽溶液電解制金屬與合金粉末的水溶液電解法 從金屬熔鹽電解制金屬和金屬化合物粉末的熔鹽電解從金屬熔鹽電解制金屬和金屬化合物粉末的熔鹽電解 法法 第7章粉末冶金技術(shù) u在氣態(tài)下制備粉末的方法在氣態(tài)下制備粉末的方法 從金屬蒸氣冷凝制取金屬粉末的蒸氣冷凝法從金屬蒸氣冷凝制取金屬粉末的蒸氣冷凝法 從氣態(tài)金屬羰基物離解制取金屬、合金以及包覆從氣態(tài)金屬羰基物離解制取金屬、合金以及包覆

6、粉末的羰基物熱離解法粉末的羰基物熱離解法 從氣態(tài)金屬鹵化物氣相還原制取金屬、合金粉末從氣態(tài)金屬鹵化物氣相還原制取金屬、合金粉末 以及金屬、合金涂層的氣相氫還原法以及金屬、合金涂層的氣相氫還原法 從氣態(tài)金屬鹵化物沉積制取金屬化合物粉末以及從氣態(tài)金屬鹵化物沉積制取金屬化合物粉末以及 涂層的化學(xué)氣相沉積法涂層的化學(xué)氣相沉積法 第7章粉末冶金技術(shù) 從過(guò)程的實(shí)質(zhì)來(lái)看，現(xiàn)有制粉方法大體上可歸納從過(guò)程的實(shí)質(zhì)來(lái)看，現(xiàn)有制粉方法大體上可歸納 為兩大類，即為兩大類，即和和。 機(jī)械法是將原材料機(jī)械地粉碎，而化學(xué)成分基本機(jī)械法是將原材料機(jī)械地粉碎，而化學(xué)成分基本 上不發(fā)生變化；上不發(fā)生變化； 物理化學(xué)法是借助化學(xué)的或

7、物理的作用，改變?cè)锢砘瘜W(xué)法是借助化學(xué)的或物理的作用，改變?cè)?材料的化學(xué)成分或聚集狀態(tài)而獲得粉末的。材料的化學(xué)成分或聚集狀態(tài)而獲得粉末的。 粉末的生產(chǎn)方法很多，從工業(yè)規(guī)模而言，應(yīng)用最粉末的生產(chǎn)方法很多，從工業(yè)規(guī)模而言，應(yīng)用最 廣泛的是還原法、霧化法和電解法；而氣相沉積廣泛的是還原法、霧化法和電解法；而氣相沉積 法和液相沉淀法在特殊應(yīng)用時(shí)亦很重要。法和液相沉淀法在特殊應(yīng)用時(shí)亦很重要。 第7章粉末冶金技術(shù) (2)(2)粉末成形粉末成形 成形前要進(jìn)行物料準(zhǔn)備。物料準(zhǔn)備包括粉末的預(yù)成形前要進(jìn)行物料準(zhǔn)備。物料準(zhǔn)備包括粉末的預(yù) 處理處理( (如粉末加工、粉末退火、粉末的分級(jí)、粉末如粉末加工、粉末退火、粉末

8、的分級(jí)、粉末 的混合和粉末的干燥等。的混合和粉末的干燥等。 成形的目的是制得一定形狀和尺寸的壓坯，并使成形的目的是制得一定形狀和尺寸的壓坯，并使 其具有一定的密度和強(qiáng)度。成形方法基本上分加其具有一定的密度和強(qiáng)度。成形方法基本上分加 壓成形和無(wú)壓成形兩類壓成形和無(wú)壓成形兩類; ;加壓成形中用得最普遍的加壓成形中用得最普遍的 是模壓成形，簡(jiǎn)稱壓制。其他加壓成形方法有等是模壓成形，簡(jiǎn)稱壓制。其他加壓成形方法有等 靜壓成形、粉末軋制、粉末擠壓等。粉漿澆注是靜壓成形、粉末軋制、粉末擠壓等。粉漿澆注是 一種無(wú)壓成形技術(shù)。一種無(wú)壓成形技術(shù)。 第7章粉末冶金技術(shù) (3)(3)燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)技術(shù) 燒結(jié)是粉末冶金的

9、關(guān)鍵工序。成形后的壓坯或坯塊燒結(jié)是粉末冶金的關(guān)鍵工序。成形后的壓坯或坯塊 通過(guò)燒結(jié)可得到所要求的物理機(jī)械性能。通過(guò)燒結(jié)可得到所要求的物理機(jī)械性能。 燒結(jié)分單元系燒結(jié)和多元系燒結(jié)。燒結(jié)分單元系燒結(jié)和多元系燒結(jié)。 不論單元系或多元系的固相燒結(jié)，其燒結(jié)溫度都比不論單元系或多元系的固相燒結(jié)，其燒結(jié)溫度都比 所含金屬與合金的熔點(diǎn)低；而多元系的液相燒結(jié)，所含金屬與合金的熔點(diǎn)低；而多元系的液相燒結(jié)， 其燒結(jié)溫度比其中難熔成分的熔點(diǎn)低，但高于易熔其燒結(jié)溫度比其中難熔成分的熔點(diǎn)低，但高于易熔 成分的熔點(diǎn)。成分的熔點(diǎn)。 一般來(lái)說(shuō)，燒結(jié)是在保護(hù)氣氛下進(jìn)行的。除了普通一般來(lái)說(shuō)，燒結(jié)是在保護(hù)氣氛下進(jìn)行的。除了普通 燒結(jié)

10、方法外，還有松裝燒結(jié)、將金屬滲入燒結(jié)骨架燒結(jié)方法外，還有松裝燒結(jié)、將金屬滲入燒結(jié)骨架 中的熔浸法、壓制和燒結(jié)結(jié)合一起進(jìn)行的熱壓等。中的熔浸法、壓制和燒結(jié)結(jié)合一起進(jìn)行的熱壓等。 第7章粉末冶金技術(shù) 2.2.粉末冶金技術(shù)的特點(diǎn)粉末冶金技術(shù)的特點(diǎn) 粉末冶金在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上具有一系列的特點(diǎn)。粉末冶金在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上具有一系列的特點(diǎn)。 能控制制品的孔隙度，例如，可生產(chǎn)各種多孔材料、多孔含油軸能控制制品的孔隙度，例如，可生產(chǎn)各種多孔材料、多孔含油軸 承等承等; ; 能利用金屬和金屬、金屬和非金屬的組合效果，生產(chǎn)各種特殊性能利用金屬和金屬、金屬和非金屬的組合效果，生產(chǎn)各種特殊性 能的材料，例如，鎢能的材料，

11、例如，鎢- -銅假合金型的電觸頭材料、金屬和非金屬銅假合金型的電觸頭材料、金屬和非金屬 組成的摩擦材料等組成的摩擦材料等; ; 能生產(chǎn)各種復(fù)合材料，例如，由難熔化合物和金屬組成的硬質(zhì)合能生產(chǎn)各種復(fù)合材料，例如，由難熔化合物和金屬組成的硬質(zhì)合 金和金屬陶瓷、彌散強(qiáng)化復(fù)合材料、纖維強(qiáng)化復(fù)合材料等。金和金屬陶瓷、彌散強(qiáng)化復(fù)合材料、纖維強(qiáng)化復(fù)合材料等。 第7章粉末冶金技術(shù) 高合金粉末冶金材料的性能比熔鑄法生產(chǎn)的好，例如，高合金粉末冶金材料的性能比熔鑄法生產(chǎn)的好，例如， 粉末高速鋼、粉末超合金可避免成分的偏析，保證合粉末高速鋼、粉末超合金可避免成分的偏析，保證合 金具有均勻的組織和穩(wěn)定的性能，同時(shí)，這種

12、合金具金具有均勻的組織和穩(wěn)定的性能，同時(shí)，這種合金具 有細(xì)晶粒組織使熱加工性大為改善有細(xì)晶粒組織使熱加工性大為改善; ; 生產(chǎn)難熔金屬材料或制品，一般要依靠粉末冶金法，生產(chǎn)難熔金屬材料或制品，一般要依靠粉末冶金法， 例如，鎢、鋁等難熔金屬，即使用熔煉法能制造，但例如，鎢、鋁等難熔金屬，即使用熔煉法能制造，但 比粉末冶金的制品的晶粒要粗，純度要低。比粉末冶金的制品的晶粒要粗，純度要低。 第7章粉末冶金技術(shù) 總之，粉末冶金法既是一種能生產(chǎn)具有特殊性能材料總之，粉末冶金法既是一種能生產(chǎn)具有特殊性能材料 的技術(shù)，又是一種制造廉價(jià)優(yōu)質(zhì)機(jī)械零件的工藝。的技術(shù)，又是一種制造廉價(jià)優(yōu)質(zhì)機(jī)械零件的工藝。 但粉末冶

13、金在應(yīng)用上也有不足之處。例如，粉末成本但粉末冶金在應(yīng)用上也有不足之處。例如，粉末成本 高、粉末冶金制品的大小和形狀受到一定的限制，燒高、粉末冶金制品的大小和形狀受到一定的限制，燒 結(jié)零件的韌性較差等等。但是，隨著粉末冶金技術(shù)的結(jié)零件的韌性較差等等。但是，隨著粉末冶金技術(shù)的 發(fā)展，這些問(wèn)題正在逐步解決中，例如，等靜壓成形發(fā)展，這些問(wèn)題正在逐步解決中，例如，等靜壓成形 技術(shù)已能壓制較大的和異形的制品；粉末冶金鍛造技技術(shù)已能壓制較大的和異形的制品；粉末冶金鍛造技 術(shù)已能使粉末冶金材料的韌性大大提高等。術(shù)已能使粉末冶金材料的韌性大大提高等。 第7章粉末冶金技術(shù) 粉末冶金由于其技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的巨大優(yōu)粉末

14、冶金由于其技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的巨大優(yōu) 越性，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中起著非常重要的越性，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中起著非常重要的 作用。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)在向美國(guó)總統(tǒng)和作用。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)在向美國(guó)總統(tǒng)和 國(guó)會(huì)提交的國(guó)會(huì)提交的“科學(xué)展望科學(xué)展望”中對(duì)粉末冶金和快速凝中對(duì)粉末冶金和快速凝 固技術(shù)曾作過(guò)如下論述：固技術(shù)曾作過(guò)如下論述：“這些技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)這些技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā) 展，將對(duì)運(yùn)輸、空間、能源系統(tǒng)提供大量的經(jīng)濟(jì)展，將對(duì)運(yùn)輸、空間、能源系統(tǒng)提供大量的經(jīng)濟(jì) 利益，并且將加強(qiáng)美國(guó)的工業(yè)基礎(chǔ)，有可能對(duì)美利益，并且將加強(qiáng)美國(guó)的工業(yè)基礎(chǔ)，有可能對(duì)美 國(guó)工業(yè)生產(chǎn)局面產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊國(guó)工業(yè)生產(chǎn)局面產(chǎn)生相當(dāng)大的

15、沖擊”。世界上許。世界上許 多發(fā)達(dá)國(guó)家把粉末冶金的發(fā)展放在重要地位，將多發(fā)達(dá)國(guó)家把粉末冶金的發(fā)展放在重要地位，將 現(xiàn) 代 粉 末 冶 金 稱 作 為現(xiàn) 代 粉 末 冶 金 稱 作 為“ A d v a n c e d Metallurgy”( (現(xiàn)代冶金學(xué)現(xiàn)代冶金學(xué)) )。 第7章粉末冶金技術(shù) 三、粉末冶金技術(shù)的三、粉末冶金技術(shù)的 發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 二十世紀(jì)下半葉以來(lái)，粉末冶金有了突破性進(jìn)展，二十世紀(jì)下半葉以來(lái)，粉末冶金有了突破性進(jìn)展， 一系列新技術(shù)、新工藝大量涌現(xiàn)，例如；超微粉或一系列新技術(shù)、新工藝大量涌現(xiàn)，例如；超微粉或 納米粉制備技術(shù)，快速冷凝技術(shù)，溶膠納米粉制備技術(shù)，快速冷

16、凝技術(shù)，溶膠- -凝膠技術(shù)，凝膠技術(shù)， 機(jī)械合金化，粉末熱等靜壓，熱結(jié)機(jī)械合金化，粉末熱等靜壓，熱結(jié)/ /熱等靜壓，粉熱等靜壓，粉 末熱鍛、粉末擠壓，粉末軋制，超塑性等溫鍛造，末熱鍛、粉末擠壓，粉末軋制，超塑性等溫鍛造， 粉末噴射成形，自蔓延高溫合成技術(shù)，粉末注射成粉末噴射成形，自蔓延高溫合成技術(shù)，粉末注射成 形，流涎成形，爆炸成形，梯度材料復(fù)合技術(shù)，形，流涎成形，爆炸成形，梯度材料復(fù)合技術(shù)， CVDCVD，PVDPVD和和PCVDPCVD技術(shù)，電火花燒結(jié)，反應(yīng)燒結(jié)，技術(shù)，電火花燒結(jié)，反應(yīng)燒結(jié)， 超固相線燒結(jié)，瞬時(shí)液相燒結(jié)，微波燒結(jié)等。超固相線燒結(jié)，瞬時(shí)液相燒結(jié)，微波燒結(jié)等。 第7章粉末冶金技

17、術(shù) 1.1.粉末制造技術(shù)的發(fā)展粉末制造技術(shù)的發(fā)展 近幾十年來(lái)，粉末制造技術(shù)得到迅速發(fā)展，特別近幾十年來(lái)，粉末制造技術(shù)得到迅速發(fā)展，特別 是快速冷凝霧化技術(shù)、機(jī)械合金化技術(shù)、超微粉是快速冷凝霧化技術(shù)、機(jī)械合金化技術(shù)、超微粉 末制造技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展使粉末制造朝著超微、末制造技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展使粉末制造朝著超微、 超細(xì)、速凝、高純、均質(zhì)、成分可控、大規(guī)模、超細(xì)、速凝、高純、均質(zhì)、成分可控、大規(guī)模、 多品種的方向發(fā)展。多品種的方向發(fā)展。 第7章粉末冶金技術(shù) 1)快速冷凝霧化制粉技術(shù)?？焖倮淠F化制粉技術(shù)。 作為粉末冶金新技術(shù)，第一個(gè)引入注目的技術(shù)就作為粉末冶金新技術(shù)，第一個(gè)引入注目的技術(shù)就 是快速凝固制

18、粉技術(shù)，快速冷凝制取金屬粉末是是快速凝固制粉技術(shù)，快速冷凝制取金屬粉末是 指金屬或合金的熔滴通過(guò)急劇冷卻，形成非晶、指金屬或合金的熔滴通過(guò)急劇冷卻，形成非晶、 準(zhǔn)晶和微晶金屬粉末的技術(shù)。它的出現(xiàn)無(wú)論對(duì)粉準(zhǔn)晶和微晶金屬粉末的技術(shù)。它的出現(xiàn)無(wú)論對(duì)粉 末合金成分的設(shè)計(jì)還是對(duì)粉末合金的微觀結(jié)構(gòu)以末合金成分的設(shè)計(jì)還是對(duì)粉末合金的微觀結(jié)構(gòu)以 及宏觀特性都產(chǎn)生了深刻影響，它給高性能粉末及宏觀特性都產(chǎn)生了深刻影響，它給高性能粉末 冶金材料制備開(kāi)辟了一條嶄新道路，有力地推動(dòng)冶金材料制備開(kāi)辟了一條嶄新道路，有力地推動(dòng) 了粉末冶金的發(fā)展。了粉末冶金的發(fā)展。 第7章粉末冶金技術(shù) 第7章粉末冶金技術(shù) 快速凝固技術(shù)的產(chǎn)生

19、及發(fā)展快速凝固技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展 常規(guī)鑄造合金之所以會(huì)出現(xiàn)常規(guī)鑄造合金之所以會(huì)出現(xiàn) 等嚴(yán)重缺陷，主要原因是合等嚴(yán)重缺陷，主要原因是合 金凝固時(shí)的過(guò)冷度和凝固速度很小，而這又是由金凝固時(shí)的過(guò)冷度和凝固速度很小，而這又是由 于它們于它們引起的。因此，要消除引起的。因此，要消除 鑄造合金存在的這些缺陷，突破研制新型合金的鑄造合金存在的這些缺陷，突破研制新型合金的 障礙，核心是要提高熔體凝固時(shí)的過(guò)冷度，從而障礙，核心是要提高熔體凝固時(shí)的過(guò)冷度，從而 提高了合金的凝固速度。提高了合金的凝固速度。 第7章粉末冶金技術(shù) 第7章粉末冶金技術(shù) 動(dòng)力學(xué)方法動(dòng)力學(xué)方法 設(shè)法提高熔體凝固時(shí)的傳熱速度從而提高凝固設(shè)法提高

20、熔體凝固時(shí)的傳熱速度從而提高凝固 時(shí)的冷速，使熔體形核時(shí)間極短，來(lái)不及在乎時(shí)的冷速，使熔體形核時(shí)間極短，來(lái)不及在乎 衡熔點(diǎn)附近凝固而只能在遠(yuǎn)離平衡熔點(diǎn)的較低衡熔點(diǎn)附近凝固而只能在遠(yuǎn)離平衡熔點(diǎn)的較低 溫度下凝固，因而具有很大的凝固過(guò)冷度和凝溫度下凝固，因而具有很大的凝固過(guò)冷度和凝 固速度。固速度。 第7章粉末冶金技術(shù) 具體措施：具體措施： l急冷凝固技術(shù)急冷凝固技術(shù)(Rapidly Quenching Technology或或RQT) l熔體淬火技術(shù)熔體淬火技術(shù)(Melt Quenching Technology 或或MQT)。 第7章粉末冶金技術(shù) 靜力學(xué)方法靜力學(xué)方法 針對(duì)通常鑄造合金都是在針

21、對(duì)通常鑄造合金都是在非均勻形核非均勻形核條件下凝固，因條件下凝固，因 而針對(duì)合金凝固過(guò)冷度很小的問(wèn)題，設(shè)法提供而針對(duì)合金凝固過(guò)冷度很小的問(wèn)題，設(shè)法提供近似均近似均 勻形核勻形核的條件。在這種條件下凝固時(shí)，盡管冷速不高的條件。在這種條件下凝固時(shí)，盡管冷速不高 但也同樣可以達(dá)到很大的凝固過(guò)冷度，從而提高凝固但也同樣可以達(dá)到很大的凝固過(guò)冷度，從而提高凝固 速度。具體實(shí)現(xiàn)這種方法的技術(shù)一般稱為速度。具體實(shí)現(xiàn)這種方法的技術(shù)一般稱為大過(guò)冷技術(shù)大過(guò)冷技術(shù) (Large Undercooling Technology)(Large Undercooling Technology)。 第7章粉末冶金技術(shù) 快快

22、速速 凝凝 固固 技技 術(shù)術(shù) 急冷凝固急冷凝固 大過(guò)冷大過(guò)冷 第7章粉末冶金技術(shù) 技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn): : 使熔體在離心力、機(jī)械力或窩速流體沖使熔體在離心力、機(jī)械力或窩速流體沖 擊力等外力作用下分散成尺寸極小的霧擊力等外力作用下分散成尺寸極小的霧 狀熔滴，并使熔滴在與流體或冷模接觸狀熔滴，并使熔滴在與流體或冷模接觸 中迅速冷卻凝固。中迅速冷卻凝固。 第7章粉末冶金技術(shù) 這類方法是通過(guò)高速、高壓工作介質(zhì)流體對(duì)熔體流這類方法是通過(guò)高速、高壓工作介質(zhì)流體對(duì)熔體流 的沖擊作用把熔體分離成很細(xì)的熔滴，并通過(guò)對(duì)流的沖擊作用把熔體分離成很細(xì)的熔滴，并通過(guò)對(duì)流 的方式散熱而迅速冷凝。的方式散熱而迅速冷凝。 熔體

23、凝固的冷速主要取決于工作介質(zhì)的密度、熔體熔體凝固的冷速主要取決于工作介質(zhì)的密度、熔體 和工作介質(zhì)的傳熱能力特別是熔滴的直徑?jīng)Q備而熔和工作介質(zhì)的傳熱能力特別是熔滴的直徑?jīng)Q備而熔 滴的直徑又受熔體過(guò)熱溫度、熔體流直徑、霧化壓滴的直徑又受熔體過(guò)熱溫度、熔體流直徑、霧化壓 力和噴嘴設(shè)計(jì)等霧化參數(shù)控制。力和噴嘴設(shè)計(jì)等霧化參數(shù)控制。 第7章粉末冶金技術(shù) 根據(jù)霧化介質(zhì)根據(jù)霧化介質(zhì)( (氣氣 流、水流流、水流) )對(duì)金屬液對(duì)金屬液 流作用的方式不同，流作用的方式不同， 霧化具有多種形式：霧化具有多種形式： 平行噴射平行噴射( (氣流與金氣流與金 屬液流平行屬液流平行) ) 垂直噴射垂直噴射( (氣流或水氣流或

24、水 流與金屬液流互成垂流與金屬液流互成垂 直方向直方向) ) 第7章粉末冶金技術(shù) 水霧化時(shí)，控制好以下條件可以得水霧化時(shí)，控制好以下條件可以得：水：水 的壓力高，水的流速、流量大，金屬液流直徑小，的壓力高，水的流速、流量大，金屬液流直徑小， 過(guò)熱溫度高，金屬的表面張力和粘度小，金屬液流過(guò)熱溫度高，金屬的表面張力和粘度小，金屬液流 長(zhǎng)度短，噴射長(zhǎng)度短，噴射頂角適當(dāng)?shù)取ｉL(zhǎng)度短，噴射長(zhǎng)度短，噴射頂角適當(dāng)?shù)取?控制好以下條件可以得控制好以下條件可以得：金屬表面張：金屬表面張 力要大，過(guò)熱溫度高，水的流速低，噴射頂角大，力要大，過(guò)熱溫度高，水的流速低，噴射頂角大， 液流飛行路程長(zhǎng)等。液流飛行路程長(zhǎng)等。

25、水霧化時(shí)，金屬液過(guò)熱溫度低水壓高，水的流水霧化時(shí)，金屬液過(guò)熱溫度低水壓高，水的流 速大以及液滴飛行路程短可以得到顯微組織較細(xì)且速大以及液滴飛行路程短可以得到顯微組織較細(xì)且 具有致密顆粒結(jié)構(gòu)的粉末。具有致密顆粒結(jié)構(gòu)的粉末。 第7章粉末冶金技術(shù) 氣體霧化所得的粉末多為表面光滑的球氣體霧化所得的粉末多為表面光滑的球 形，而水霧化法制得的粉末形狀不規(guī)則。形，而水霧化法制得的粉末形狀不規(guī)則。 但水霧化工藝由于采用了密度較高的水但水霧化工藝由于采用了密度較高的水 做霧化工作介質(zhì)，所以達(dá)到的凝固冷速做霧化工作介質(zhì)，所以達(dá)到的凝固冷速 要比一般氣體霧化法高一個(gè)數(shù)量級(jí)。要比一般氣體霧化法高一個(gè)數(shù)量級(jí)。 第7章粉

26、末冶金技術(shù) B. B. 超聲氣體霧化法超聲氣體霧化法(USGA)(USGA) 利用速度高達(dá)利用速度高達(dá)2.52.5馬赫的高速高頻馬赫的高速高頻(80(80100kHz)100kHz) 脈沖氣流代替了水流。這種超聲氣體由一系列脈沖氣流代替了水流。這種超聲氣體由一系列 HartmanHartman沖擊波管產(chǎn)生，氣體多用氬氣等惰性氣體沖擊波管產(chǎn)生，氣體多用氬氣等惰性氣體 以便防止粉末氧化污染。以便防止粉末氧化污染。 高速高頻脈動(dòng)氣流可以把熔體流分離成更細(xì)，高速高頻脈動(dòng)氣流可以把熔體流分離成更細(xì)， 更均勻的熔滴，并且熔體也不是象水霧化方法中更均勻的熔滴，并且熔體也不是象水霧化方法中 經(jīng)過(guò)三個(gè)階段，而是

27、直接分離成細(xì)小熔滴冷凝成經(jīng)過(guò)三個(gè)階段，而是直接分離成細(xì)小熔滴冷凝成 粉末。粉末。 第7章粉末冶金技術(shù) C. C. 高速旋轉(zhuǎn)筒霧化法高速旋轉(zhuǎn)筒霧化法(RSC)(RSC) 經(jīng)感應(yīng)加熱熔化后的熔體流從石英管中噴經(jīng)感應(yīng)加熱熔化后的熔體流從石英管中噴 射到旋轉(zhuǎn)筒內(nèi)層的冷卻液即淬火液中，冷卻液射到旋轉(zhuǎn)筒內(nèi)層的冷卻液即淬火液中，冷卻液 可以選用水、碳?xì)浠衔锘虻蜏亓黧w。熔體流可以選用水、碳?xì)浠衔锘虻蜏亓黧w。熔體流 在旋轉(zhuǎn)的冷卻液沖擊下霧化分離成熔摘并冷凝在旋轉(zhuǎn)的冷卻液沖擊下霧化分離成熔摘并冷凝 成纖維或粉末，然后在離心力作用下飛出。成纖維或粉末，然后在離心力作用下飛出。 由于圓筒旋轉(zhuǎn)的速度高達(dá)由于圓筒旋轉(zhuǎn)

28、的速度高達(dá)8000800016000r16000r minmin，因此隨筒旋轉(zhuǎn)的冷卻液可將熔體分離成，因此隨筒旋轉(zhuǎn)的冷卻液可將熔體分離成 較小的熔滴，井消除熔滴外圍可能影響傳熱的較小的熔滴，井消除熔滴外圍可能影響傳熱的 氣體層，所以采用這種方法可以獲得較高的冷氣體層，所以采用這種方法可以獲得較高的冷 速。速。 第7章粉末冶金技術(shù) (2) (2) 離心霧化法離心霧化法(Centrifugal (Centrifugal Atomization)Atomization) 利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)造成的離心力將金屬液流利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)造成的離心力將金屬液流 破碎成微細(xì)的液滴，然后冷卻凝結(jié)成粉末。破碎成微細(xì)的液滴，然后

29、冷卻凝結(jié)成粉末。 最早的是旋轉(zhuǎn)圓盤霧化，后來(lái)有旋轉(zhuǎn)水流霧最早的是旋轉(zhuǎn)圓盤霧化，后來(lái)有旋轉(zhuǎn)水流霧 化，旋轉(zhuǎn)電極霧化，旋轉(zhuǎn)坩堝霧化等。化，旋轉(zhuǎn)電極霧化，旋轉(zhuǎn)坩堝霧化等。 第7章粉末冶金技術(shù) A . A . 旋轉(zhuǎn)回盤霧化旋轉(zhuǎn)回盤霧化 從漏嘴從漏嘴( (直徑直徑68mm)mm)流流 出的金屬液流被具有一定出的金屬液流被具有一定 壓力壓力(4(48 8公斤公斤/ /厘米厘米2 2) )的的 引到轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤上，被圓引到轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤上，被圓 盤上特殊的葉片所擊碎，盤上特殊的葉片所擊碎， 并迅速冷卻成粉末收集起并迅速冷卻成粉末收集起 來(lái)。通過(guò)改變圓盤的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)。通過(guò)改變圓盤的轉(zhuǎn)數(shù) (1500(15002500rp

30、m)2500rpm)、葉片、葉片 的形狀和數(shù)目可以調(diào)節(jié)粉的形狀和數(shù)目可以調(diào)節(jié)粉 末的粒度。末的粒度。 第7章粉末冶金技術(shù) B. B. 快速凝固霧化法快速凝固霧化法(RSR)(RSR) 這種方法是出以生產(chǎn)快速凝固這種方法是出以生產(chǎn)快速凝固 合金著名的美國(guó)合金著名的美國(guó)PrattPrattWhitneyWhitney 公司研究、開(kāi)發(fā)的工藝，也稱為公司研究、開(kāi)發(fā)的工藝，也稱為 離心霧化法離心霧化法(CAF)(CAF)。 熔化的合金熔體從石英坩堝中熔化的合金熔體從石英坩堝中 噴射到一個(gè)表面刻有溝槽的圓盤噴射到一個(gè)表面刻有溝槽的圓盤 形霧化器上，圓盤以高達(dá)形霧化器上，圓盤以高達(dá) 3500r/min350

31、0r/min的速度旋轉(zhuǎn)，使噴到的速度旋轉(zhuǎn)，使噴到 盤上的熔體霧化成細(xì)小的熔滴并盤上的熔體霧化成細(xì)小的熔滴并 在離心力作用下向外噴出，同時(shí)在離心力作用下向外噴出，同時(shí) 惰性氣流沿與熔滴運(yùn)動(dòng)幾乎垂直惰性氣流沿與熔滴運(yùn)動(dòng)幾乎垂直 的方向高速流動(dòng)，使浸沒(méi)在其中的方向高速流動(dòng)，使浸沒(méi)在其中 的熔滴迅速凝固成粉末。的熔滴迅速凝固成粉末。 第7章粉末冶金技術(shù) (3) (3) 機(jī)械霧化和其它霧化法機(jī)械霧化和其它霧化法 這類霧化方法是通過(guò)機(jī)械力這類霧化方法是通過(guò)機(jī)械力 的作用或者電場(chǎng)力等其它作用分的作用或者電場(chǎng)力等其它作用分 離和霧化熔體然后冷凝成粉末。離和霧化熔體然后冷凝成粉末。 (Twin Roll Ato

32、mization)(Twin Roll Atomization) 熔體流在噴入高速相對(duì)旋熔體流在噴入高速相對(duì)旋 轉(zhuǎn)的輥輪間隙時(shí)形成空穴并被分轉(zhuǎn)的輥輪間隙時(shí)形成空穴并被分 離成直徑小至離成直徑小至3030 m m的熔滴，霧化的熔滴，霧化 的熔滴可經(jīng)氣流、水流或固定于的熔滴可經(jīng)氣流、水流或固定于 兩輥間隙下方的第三個(gè)輥輪冷卻兩輥間隙下方的第三個(gè)輥輪冷卻 凝固成不規(guī)則的粉末或薄片。凝固成不規(guī)則的粉末或薄片。 第7章粉末冶金技術(shù) u普通氣體霧化通過(guò)高速攝影裝置觀察到如下階段：普通氣體霧化通過(guò)高速攝影裝置觀察到如下階段： 熔融金屬液流熔融金屬液流破碎成液粒破碎成液粒熔融液粒熔融液粒急冷成急冷成 固體顆粒

33、固體顆粒 美國(guó)學(xué)者美國(guó)學(xué)者J.TallmadgeeJ.Tallmadgee提出，在普通氣體霧化下部噴射區(qū)內(nèi)，提出，在普通氣體霧化下部噴射區(qū)內(nèi)， 金屬液粒的速度金屬液粒的速度u(mu(ms)s)為距離頂角高度為距離頂角高度z z的函數(shù)在距離頂角的函數(shù)在距離頂角 0.10.4m內(nèi)，金屬液粒速度的衰減可用內(nèi)，金屬液粒速度的衰減可用u=Aeu=Ae-BZ -BZ(A=18.5 (A=18.5，Z=0.8)Z=0.8) 來(lái)描述根據(jù)這個(gè)公式，假設(shè)氣體霧化粗顆粒的冷凝速度為來(lái)描述根據(jù)這個(gè)公式，假設(shè)氣體霧化粗顆粒的冷凝速度為 10102 210103 3K/sK/s，則在，則在0.10.10.4m0.4m區(qū)域

34、內(nèi)，金屬液粒速度下降至區(qū)域內(nèi)，金屬液粒速度下降至 1718m/s，跨越該區(qū)蜮的時(shí)間為，跨越該區(qū)蜮的時(shí)間為0.0060.03s，金屬液體的溫度，金屬液體的溫度 降低得比較少，因此只要把熔體稍微過(guò)熱或熔體具有一定過(guò)冷降低得比較少，因此只要把熔體稍微過(guò)熱或熔體具有一定過(guò)冷 度，則大多數(shù)粗顆粒在此區(qū)域呈現(xiàn)熔融液粒狀態(tài)度，則大多數(shù)粗顆粒在此區(qū)域呈現(xiàn)熔融液粒狀態(tài) 第7章粉末冶金技術(shù) u對(duì)于旋轉(zhuǎn)盤霧化、超聲霧化、雙輥霧化等諸多的快對(duì)于旋轉(zhuǎn)盤霧化、超聲霧化、雙輥霧化等諸多的快 速凝固制粉裝置來(lái)說(shuō)，仍然不能通過(guò)破碎成液粒的速凝固制粉裝置來(lái)說(shuō)，仍然不能通過(guò)破碎成液粒的 瞬間將熔體直接冷至固態(tài)在旋轉(zhuǎn)盤霧化法中被高瞬

35、間將熔體直接冷至固態(tài)在旋轉(zhuǎn)盤霧化法中被高 速旋轉(zhuǎn)盤離心霧化的顆粒并未速凝，而主要靠高速速旋轉(zhuǎn)盤離心霧化的顆粒并未速凝，而主要靠高速 噴入的氦氣快速冷凝而在雙輥霧化法中，被雙輥噴入的氦氣快速冷凝而在雙輥霧化法中，被雙輥 霧化的液粒則是靠淬冷池或第三輥冷凝霧化的液粒則是靠淬冷池或第三輥冷凝( (又稱三輥又稱三輥 霧化法霧化法) )，即使在超聲霧化中，離噴嘴，即使在超聲霧化中，離噴嘴1m1m左右區(qū)域左右區(qū)域 仍有顆粒尚未凝固，若在其間設(shè)置隔板仍有碎化顆仍有顆粒尚未凝固，若在其間設(shè)置隔板仍有碎化顆 粒效果特別是粉末制備量較大時(shí)，絕大多數(shù)快冷粒效果特別是粉末制備量較大時(shí)，絕大多數(shù)快冷 制粉裝置均不能在霧

36、化成液粒的瞬間速凝制粉裝置均不能在霧化成液粒的瞬間速凝 第7章粉末冶金技術(shù) u根據(jù)以上分析得知，在熔融金屬液流霧化成液粒到急根據(jù)以上分析得知，在熔融金屬液流霧化成液粒到急 冷成固體顆粒前均存在一個(gè)熔融金屬過(guò)冷區(qū)域另外，冷成固體顆粒前均存在一個(gè)熔融金屬過(guò)冷區(qū)域另外， 熔體的冷凝效果不僅取決于熔體接觸的熱沉的導(dǎo)熱速熔體的冷凝效果不僅取決于熔體接觸的熱沉的導(dǎo)熱速 率、熔體散熱面積，而且取決于熔體和熱沉接觸時(shí)間率、熔體散熱面積，而且取決于熔體和熱沉接觸時(shí)間 ( (即熔體和熱沉的接觸方式即熔體和熱沉的接觸方式) )因此，往往可借助于提因此，往往可借助于提 高金屬熔液的加熱溫度，縮短和熱沉接觸時(shí)間，人為高

37、金屬熔液的加熱溫度，縮短和熱沉接觸時(shí)間，人為 地制造一個(gè)地制造一個(gè)“中間待凝區(qū)域中間待凝區(qū)域”問(wèn)題的關(guān)鍵是熔融金問(wèn)題的關(guān)鍵是熔融金 屬過(guò)冷區(qū)域和中間待凝區(qū)域在制備快速凝固粉末中有屬過(guò)冷區(qū)域和中間待凝區(qū)域在制備快速凝固粉末中有 何作用，是否能在這個(gè)區(qū)域進(jìn)一步霧化粉碎，然后急何作用，是否能在這個(gè)區(qū)域進(jìn)一步霧化粉碎，然后急 冷凝固，即把一個(gè)單純的快冷過(guò)程變成一個(gè)霧化冷凝固，即把一個(gè)單純的快冷過(guò)程變成一個(gè)霧化+ +粉粉 碎碎+ +急冷的多級(jí)過(guò)程急冷的多級(jí)過(guò)程 第7章粉末冶金技術(shù) 2)2)機(jī)械合金化機(jī)械合金化(MA)(MA)技術(shù)技術(shù) 機(jī)械合金化制粉工藝是北美國(guó)際鎳公司機(jī)械合金化制粉工藝是北美國(guó)際鎳公司

38、BenjaminBenjamin等人于等人于19701970年開(kāi)發(fā)成功的一種年開(kāi)發(fā)成功的一種 新型制粉工藝。機(jī)械合金化是通過(guò)各合新型制粉工藝。機(jī)械合金化是通過(guò)各合 金紀(jì)元的粉末在高能球磨機(jī)中，粉末顆金紀(jì)元的粉末在高能球磨機(jī)中，粉末顆 粒之間、粉末顆粒與磨球之間長(zhǎng)時(shí)間發(fā)粒之間、粉末顆粒與磨球之間長(zhǎng)時(shí)間發(fā) 生非常激烈的研磨，粉末被破碎和撕裂，生非常激烈的研磨，粉末被破碎和撕裂， 所形成的新生表面互相冷焊而逐步合金所形成的新生表面互相冷焊而逐步合金 化，其過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，最終達(dá)到機(jī)械合化，其過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，最終達(dá)到機(jī)械合 金化的目的。金化的目的。 第7章粉末冶金技術(shù) （1 1）機(jī)械合金化的特點(diǎn)）機(jī)械合金

39、化的特點(diǎn) 機(jī)械合金化的特點(diǎn)是它所制備的復(fù)合粉末其成機(jī)械合金化的特點(diǎn)是它所制備的復(fù)合粉末其成 分可以任意選擇和調(diào)節(jié)。它是一種制造彌散強(qiáng)分可以任意選擇和調(diào)節(jié)。它是一種制造彌散強(qiáng) 化復(fù)合合金的理想技術(shù)，可使得彌散相達(dá)到最化復(fù)合合金的理想技術(shù)，可使得彌散相達(dá)到最 佳分散度和粒度。目前佳分散度和粒度。目前MAMA技術(shù)主要為制造高性技術(shù)主要為制造高性 能復(fù)合材料、彌散強(qiáng)化高溫臺(tái)金提供優(yōu)質(zhì)原料。能復(fù)合材料、彌散強(qiáng)化高溫臺(tái)金提供優(yōu)質(zhì)原料。 特別是近年來(lái)，采用特別是近年來(lái)，采用MAMA技術(shù)制造加非晶、準(zhǔn)晶技術(shù)制造加非晶、準(zhǔn)晶 和微晶粉末、金屬間化臺(tái)物和納米粉末引起和微晶粉末、金屬間化臺(tái)物和納米粉末引起 了材料科

40、學(xué)界的極大重視。了材料科學(xué)界的極大重視。 第7章粉末冶金技術(shù) （2 2）機(jī)械合金化技術(shù)的發(fā)展概況）機(jī)械合金化技術(shù)的發(fā)展概況 機(jī)械合金化機(jī)械合金化(Mechanical Alloying(Mechanical Alloying，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱MA)MA)是指金是指金 屬或合金粉末在高能球磨機(jī)中通過(guò)粉末顆粒與球之間長(zhǎng)時(shí)屬或合金粉末在高能球磨機(jī)中通過(guò)粉末顆粒與球之間長(zhǎng)時(shí) 間發(fā)生激烈地沖擊碰撞，粉末顆粒反復(fù)產(chǎn)生冷焊、斷裂。間發(fā)生激烈地沖擊碰撞，粉末顆粒反復(fù)產(chǎn)生冷焊、斷裂。 形成機(jī)械合金化粉末的一種制備特殊粉末的工藝。形成機(jī)械合金化粉末的一種制備特殊粉末的工藝。 機(jī)械合金化粉末并不像金屬熔鑄后形成合金材料那

41、樣，機(jī)械合金化粉末并不像金屬熔鑄后形成合金材料那樣， 后者各組元之間充分達(dá)到原子間結(jié)合，形成均勻的固溶體后者各組元之間充分達(dá)到原子間結(jié)合，形成均勻的固溶體 和化合物，而前者在大多數(shù)情況下，在有限的球磨時(shí)間內(nèi)和化合物，而前者在大多數(shù)情況下，在有限的球磨時(shí)間內(nèi) 僅僅是各組元在那些相接觸的點(diǎn)、線和面上達(dá)到或趨近原僅僅是各組元在那些相接觸的點(diǎn)、線和面上達(dá)到或趨近原 子級(jí)距離，并且最終得到的只是各組元分布十分均勻的混子級(jí)距離，并且最終得到的只是各組元分布十分均勻的混 合物和復(fù)合物。球磨時(shí)間非常長(zhǎng)時(shí)，在某些體系中也可能合物和復(fù)合物。球磨時(shí)間非常長(zhǎng)時(shí)，在某些體系中也可能 通過(guò)固態(tài)擴(kuò)散，各組元達(dá)到原子間結(jié)合而

42、形成合金。通過(guò)固態(tài)擴(kuò)散，各組元達(dá)到原子間結(jié)合而形成合金。 第7章粉末冶金技術(shù) 采用快速凝固技術(shù)可以大幅度提高合金采用快速凝固技術(shù)可以大幅度提高合金 的固溶體極限，機(jī)械合金化技術(shù)也是如此。的固溶體極限，機(jī)械合金化技術(shù)也是如此。 19851985年年SchwarzSchwarz等人發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)機(jī)械合等人發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)機(jī)械合 金化的鈦和鎳粉末中，金化的鈦和鎳粉末中，TiTi在面心立方在面心立方NiNi中固溶中固溶 度高達(dá)度高達(dá)28wt%28wt%，而平衡相圖預(yù)測(cè)的，而平衡相圖預(yù)測(cè)的TiTi在在NiNi中的中的 固溶度為百分之幾。固溶度為百分之幾。 19901990年年P(guān)olkinPolkin等人系統(tǒng)報(bào)道了

43、由機(jī)械合等人系統(tǒng)報(bào)道了由機(jī)械合 金化所引起的固溶度增大現(xiàn)象，他們所研究的金化所引起的固溶度增大現(xiàn)象，他們所研究的 合金系包括合金系包括Al-FeAl-Fe、Ni-AlNi-Al、Ni-WNi-W、Ni-CrNi-Cr等，等， 發(fā)現(xiàn)了大的固溶度擴(kuò)展現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)了大的固溶度擴(kuò)展現(xiàn)象。 固溶度增大現(xiàn)象固溶度增大現(xiàn)象 第7章粉末冶金技術(shù) 機(jī)械合金化是少數(shù)幾種能將兩種或多種非機(jī)械合金化是少數(shù)幾種能將兩種或多種非 互溶相均勻混合的方法之一。實(shí)際上彌散強(qiáng)化合互溶相均勻混合的方法之一。實(shí)際上彌散強(qiáng)化合 金就是如此，金就是如此，BenjaminBenjamin介紹了有限互溶介紹了有限互溶wt%Cuwt%Cu均勻均

44、勻 混合物和在液態(tài)存在非互溶間隙的混合物和在液態(tài)存在非互溶間隙的Cu-PbCu-Pb合金機(jī)械合金機(jī)械 合金化過(guò)程。合金化過(guò)程。SchlumpSchlump等人發(fā)現(xiàn)在等人發(fā)現(xiàn)在Fe-W,Cu-TaFe-W,Cu-Ta等非等非 互溶合金系中，用機(jī)械研磨方法可以生成納米晶互溶合金系中，用機(jī)械研磨方法可以生成納米晶 尺寸的彌散相。尺寸的彌散相。 不互溶合金系不互溶合金系 問(wèn)題問(wèn)題 第7章粉末冶金技術(shù) 進(jìn)入進(jìn)入9090年代，許多科學(xué)工作者又采用機(jī)械合金化技術(shù)制備年代，許多科學(xué)工作者又采用機(jī)械合金化技術(shù)制備 納米晶材，金屬間化合物，功能材料等，使機(jī)械合金技術(shù)的研納米晶材，金屬間化合物，功能材料等，使機(jī)械合

45、金技術(shù)的研 究又掀起一個(gè)新的高潮。究又掀起一個(gè)新的高潮。 19881988年日本京都大學(xué)新宮教授等人首先報(bào)導(dǎo)了高能球磨法年日本京都大學(xué)新宮教授等人首先報(bào)導(dǎo)了高能球磨法 制備制備Al-FeAl-Fe納米晶材料，為納米晶材料的制備和應(yīng)用找出一條納米晶材料，為納米晶材料的制備和應(yīng)用找出一條 實(shí)用化的途徑。研究表明，納米晶材料可通過(guò)元素粉末，金屬實(shí)用化的途徑。研究表明，納米晶材料可通過(guò)元素粉末，金屬 間化合物粉末、非互溶合金系粉末的球磨來(lái)合成。目前已在間化合物粉末、非互溶合金系粉末的球磨來(lái)合成。目前已在FeFe、 CrCr、NbNb、W W、ZrZr、HfHf、RuRu等純金屬粉末中得到納米晶。在等純

46、金屬粉末中得到納米晶。在Ag-CuAg-Cu、 Al-FeAl-Fe、Fe-CuFe-Cu系中得到納米結(jié)構(gòu)的固溶體，在系中得到納米結(jié)構(gòu)的固溶體，在Cu-TaCu-Ta、Cu-WCu-W系系 中得到納米結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)相；在中得到納米結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)相；在Fe-BFe-B、Ti-STi-S、Ti-BTi-B、Ni-SiNi-Si、V-CV-C、 W-CW-C、Si-CSi-C、Pd-SiPd-Si、Ni-MoNi-Mo、Nn-AlNn-Al和和Ni-ZrNi-Zr等合金體系中得到等合金體系中得到 納米金屬間化合物。納米金屬間化合物。 MA制備制備 納米材料納米材料 第7章粉末冶金技術(shù) 19891989年年S

47、chafferSchaffer等人發(fā)現(xiàn)通過(guò)機(jī)械合金等人發(fā)現(xiàn)通過(guò)機(jī)械合金 化自蔓燃反應(yīng)可以將某些金屬?gòu)乃难趸镏谢月挤磻?yīng)可以將某些金屬?gòu)乃难趸镏?還原出來(lái)；還原出來(lái)；19901990年年AtzmonAtzmon等人發(fā)現(xiàn)等人發(fā)現(xiàn)Ni-AlNi-Al球磨球磨 有自蔓燃高溫合成現(xiàn)象后，自蔓燃高溫合成反有自蔓燃高溫合成現(xiàn)象后，自蔓燃高溫合成反 應(yīng)機(jī)械合金化成為研究熱點(diǎn)，利用自蔓燃反應(yīng)，應(yīng)機(jī)械合金化成為研究熱點(diǎn)，利用自蔓燃反應(yīng)， 縮短了球磨時(shí)間，能制備多種金屬間化合物?？s短了球磨時(shí)間，能制備多種金屬間化合物。 MA誘發(fā)誘發(fā)SHS 反應(yīng)反應(yīng) 第7章粉末冶金技術(shù) 近年來(lái)，采用機(jī)械合金化制備磁性材料、

48、近年來(lái)，采用機(jī)械合金化制備磁性材料、 超導(dǎo)材料、儲(chǔ)氫材料、熱電材料及功能梯度材料超導(dǎo)材料、儲(chǔ)氫材料、熱電材料及功能梯度材料 等方面的研究取得了突出進(jìn)展。如，采用等方面的研究取得了突出進(jìn)展。如，采用MAMA制備制備 的的SmSm2 2FeFe17 17N Nx x永磁材料，采用 永磁材料，采用MAMA制備的含制備的含AgAg添加劑添加劑 的的YBaYBa2 2CuCu3 3O Oy y超導(dǎo)材料，采用超導(dǎo)材料，采用MAMA制備的制備的MgMg2 2NiNi、 LaNiLaNi5 5儲(chǔ)氫材料，采用儲(chǔ)氫材料，采用MAMA制備的制備的-Fe-Fe2 2SiSi熱電材料熱電材料 都是一些極其重要的研究成果

49、。都是一些極其重要的研究成果。 第7章粉末冶金技術(shù) 3)3)超微粉末制備技術(shù)。超微粉末制備技術(shù)。 超微粉末通常是指粒徑為超微粉末通常是指粒徑為1010100100納米，納米， 有時(shí)亦把粒徑有時(shí)亦把粒徑100nm100nm的微細(xì)粒子稱為納的微細(xì)粒子稱為納 米微粉。納米微粉具有明顯的體積和表米微粉。納米微粉具有明顯的體積和表 面效應(yīng)，因此，它較通常細(xì)粉有顯著不面效應(yīng)，因此，它較通常細(xì)粉有顯著不 同的物理、化學(xué)和力學(xué)特性，作為潛在同的物理、化學(xué)和力學(xué)特性，作為潛在 的功能材料和結(jié)構(gòu)材料，超微粉末的研的功能材料和結(jié)構(gòu)材料，超微粉末的研 制已受到了世界各工業(yè)國(guó)家的重視。制已受到了世界各工業(yè)國(guó)家的重視。

50、第7章粉末冶金技術(shù) 納米微粉的制造方法有：溶膠納米微粉的制造方法有：溶膠- -凝膠法、沉淀法、凝膠法、沉淀法、 電解法、羰基法、冷凍干燥法、超聲粉碎法、蒸電解法、羰基法、冷凍干燥法、超聲粉碎法、蒸 發(fā)發(fā)- -凝聚法、爆炸法、等離子法等。凝聚法、爆炸法、等離子法等。 制備超微粉末遇到最大困難是粉末的收集和存放。另制備超微粉末遇到最大困難是粉末的收集和存放。另 外，濕法制取的超微粉末都需要熱處理，因此可能使顆外，濕法制取的超微粉末都需要熱處理，因此可能使顆 粒比表面積下降，活性降低，失去超微粉的特性，并且粒比表面積下降，活性降低，失去超微粉的特性，并且 很難避免和表面上的碳基結(jié)合，所以現(xiàn)在一般都傾

51、向于很難避免和表面上的碳基結(jié)合，所以現(xiàn)在一般都傾向于 采用干法制粉。采用干法制粉。 第7章粉末冶金技術(shù) 納米微粉是一種新型的粉末冶金材料和原材料，納米微粉是一種新型的粉末冶金材料和原材料， 其主要應(yīng)用于高密度磁記錄材料、薄膜集成電路其主要應(yīng)用于高密度磁記錄材料、薄膜集成電路 的導(dǎo)電材料、微孔過(guò)濾器、化學(xué)催化劑、汽車用的導(dǎo)電材料、微孔過(guò)濾器、化學(xué)催化劑、汽車用 的還原觸媒、超微粒子膜傳感器、碳纖維的氣相的還原觸媒、超微粒子膜傳感器、碳纖維的氣相 成核材料等。成核材料等。 納米微粉活性大，易于凝聚，吸濕氧化，成形性納米微粉活性大，易于凝聚，吸濕氧化，成形性 差，因此作為粉末冶金原料還有一些技術(shù)上的

52、問(wèn)差，因此作為粉末冶金原料還有一些技術(shù)上的問(wèn) 題有待解決。另外，納米微粉作為粉末制品原料題有待解決。另外，納米微粉作為粉末制品原料 必須具有經(jīng)濟(jì)的制造方法和穩(wěn)定化的質(zhì)量。一旦必須具有經(jīng)濟(jì)的制造方法和穩(wěn)定化的質(zhì)量。一旦 能實(shí)現(xiàn)利用納米微粉工業(yè)性生產(chǎn)粉末冶金制品，能實(shí)現(xiàn)利用納米微粉工業(yè)性生產(chǎn)粉末冶金制品， 將對(duì)粉末冶金技術(shù)帶來(lái)突破性的變革。將對(duì)粉末冶金技術(shù)帶來(lái)突破性的變革。 第7章粉末冶金技術(shù) 氣相法制備技術(shù) 蒸發(fā)凝聚法蒸發(fā)凝聚法 低壓惰性氣體中蒸發(fā)凝聚法低壓惰性氣體中蒸發(fā)凝聚法 等離子體蒸發(fā)法等離子體蒸發(fā)法 陰極濺射法陰極濺射法 流動(dòng)油面上真空蒸發(fā)法流動(dòng)油面上真空蒸發(fā)法 通電加熱法通電加熱法 氣

53、相化學(xué)反應(yīng)法制備技術(shù)氣相化學(xué)反應(yīng)法制備技術(shù) 第7章粉末冶金技術(shù) u超微粉末在使用過(guò)程中必須具有以下特點(diǎn)：粉末顆超微粉末在使用過(guò)程中必須具有以下特點(diǎn)：粉末顆 粒表面潔凈；粉末的粒徑和粒徑分布可以控制；粉粒表面潔凈；粉末的粒徑和粒徑分布可以控制；粉 末的穩(wěn)定性好，易于儲(chǔ)存；粉末的產(chǎn)率、產(chǎn)量高等。末的穩(wěn)定性好，易于儲(chǔ)存；粉末的產(chǎn)率、產(chǎn)量高等。 u氣相法是制備超微粉末的有效方法，主要特點(diǎn)是：氣相法是制備超微粉末的有效方法，主要特點(diǎn)是： 粉末的生成粉末的生成( (反應(yīng)反應(yīng)) )條件易于調(diào)節(jié)，可以控制超微粉條件易于調(diào)節(jié)，可以控制超微粉 末的粒度，粉末的純度高。末的粒度，粉末的純度高。 u氣相法制備超微粉末

54、技術(shù)分為兩大類，一類是蒸發(fā)氣相法制備超微粉末技術(shù)分為兩大類，一類是蒸發(fā) 凝聚法，一類是氣相化學(xué)反應(yīng)法。凝聚法，一類是氣相化學(xué)反應(yīng)法。 u采用氣相法制備超微粒子時(shí)，無(wú)論采用哪種具體工采用氣相法制備超微粒子時(shí)，無(wú)論采用哪種具體工 藝，都會(huì)涉及氣相中粒子形核、晶核長(zhǎng)大、凝聚等藝，都會(huì)涉及氣相中粒子形核、晶核長(zhǎng)大、凝聚等 一系列粒子生長(zhǎng)基本過(guò)程一系列粒子生長(zhǎng)基本過(guò)程。 第7章粉末冶金技術(shù) 一、蒸發(fā)凝聚法一、蒸發(fā)凝聚法 基本概念：基本概念： 蒸發(fā)凝聚法是將金屬、合金、金蒸發(fā)凝聚法是將金屬、合金、金 屬化合物、陶瓷等材料加熱，產(chǎn)生蒸氣，屬化合物、陶瓷等材料加熱，產(chǎn)生蒸氣， 并將蒸氣冷卻凝聚，發(fā)生形核、長(zhǎng)大

55、，并將蒸氣冷卻凝聚，發(fā)生形核、長(zhǎng)大， 生成超微粉末的技術(shù)。生成超微粉末的技術(shù)。 第7章粉末冶金技術(shù) 1. 1. 低壓惰性氣體中蒸發(fā)凝聚法低壓惰性氣體中蒸發(fā)凝聚法 在在1100Torr1100Torr的低壓的低壓 高純惰性氣體高純惰性氣體(Ar(Ar氣或氣或 HeHe氣等氣等) )中加熱蒸發(fā)金中加熱蒸發(fā)金 屬或合金原料，產(chǎn)生屬或合金原料，產(chǎn)生 金屬蒸氣，蒸發(fā)原子金屬蒸氣，蒸發(fā)原子 在與惰性氣體分子碰在與惰性氣體分子碰 撞過(guò)程中失去動(dòng)能，撞過(guò)程中失去動(dòng)能， 發(fā)生形核、長(zhǎng)大而生發(fā)生形核、長(zhǎng)大而生 成超微粉末。成超微粉末。 加熱源：電阻加熱、感應(yīng)電流加熱、電子束加熱、加熱源：電阻加熱、感應(yīng)電流加熱、電

56、子束加熱、 激光束加熱、電弧加熱以及等離子火焰等。激光束加熱、電弧加熱以及等離子火焰等。 第7章粉末冶金技術(shù) 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)優(yōu)點(diǎn)： 粉末的純度極高；粉末的純度極高； 粉末顆粒是在準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)下生成的，顆粉末顆粒是在準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)下生成的，顆 粒的結(jié)晶性好；粒的結(jié)晶性好； 粉末的粒度可以通過(guò)調(diào)整蒸發(fā)溫度和惰性粉末的粒度可以通過(guò)調(diào)整蒸發(fā)溫度和惰性 氣體的壓力來(lái)控制，可以得到粒度分分布?xì)怏w的壓力來(lái)控制，可以得到粒度分分布 范圍很窄的超微粉末；范圍很窄的超微粉末； 適合于制備一切能夠進(jìn)行蒸發(fā)的材料的超適合于制備一切能夠進(jìn)行蒸發(fā)的材料的超 微粉末。微粉末。 第7章粉末冶金技術(shù) (1)(1)電阻加熱蒸發(fā)法電

57、阻加熱蒸發(fā)法 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 缺點(diǎn)：電阻材料缺點(diǎn)：電阻材料 的損耗大，易在的損耗大，易在 超微粉末中帶入超微粉末中帶入 雜質(zhì)，每次投料雜質(zhì)，每次投料 量很少。量很少。 第7章粉末冶金技術(shù) (2)(2)電弧放電加熱蒸發(fā)法電弧放電加熱蒸發(fā)法 在水冷銅坩鍋和高融點(diǎn)在水冷銅坩鍋和高融點(diǎn) 金屬電極之間放電，產(chǎn)金屬電極之間放電，產(chǎn) 生數(shù)萬(wàn)伏的脈沖電壓，生數(shù)萬(wàn)伏的脈沖電壓， 使放置在水冷銅坩鍋的使放置在水冷銅坩鍋的 中的金屬試料表面產(chǎn)生中的金屬試料表面產(chǎn)生 極高溫度，進(jìn)行蒸發(fā)冷極高溫度，進(jìn)行蒸發(fā)冷 凝，就可以得到超微粉凝，就可以得到超微粉 末。放電電壓隨稀薄氣末。放電電壓隨稀薄氣 體的種類、電極的形狀體的種類

58、、電極的形狀 和放置位置不同而不同，和放置位置不同而不同， 為了形成穩(wěn)定的放電電為了形成穩(wěn)定的放電電 壓上述條件應(yīng)該穩(wěn)定不壓上述條件應(yīng)該穩(wěn)定不 變。變。 采用這種方法能夠制備高采用這種方法能夠制備高 熔點(diǎn)金屬的超微粉末，但熔點(diǎn)金屬的超微粉末，但 不足之處是粉末粒度分布不足之處是粉末粒度分布 寬，粒度尺寸難地控制。寬，粒度尺寸難地控制。 第7章粉末冶金技術(shù) (3)(3)感應(yīng)電流加熱蒸發(fā)法感應(yīng)電流加熱蒸發(fā)法 原理：以中、高頻原理：以中、高頻 感應(yīng)電流加熱坩堝內(nèi)的感應(yīng)電流加熱坩堝內(nèi)的 金屬原料，在低壓金屬原料，在低壓 ( (110KPa) )的的HeHe、ArAr等等 惰性氣體中進(jìn)行蒸發(fā)，惰性氣體中

59、進(jìn)行蒸發(fā)， 金屬蒸氣原子在與惰性金屬蒸氣原子在與惰性 氣體原子發(fā)生碰撞的過(guò)氣體原子發(fā)生碰撞的過(guò) 程中冷卻，凝聚而形成程中冷卻，凝聚而形成 超微粒子。蒸發(fā)金屬用超微粒子。蒸發(fā)金屬用 的坩堝一般選用剛玉的坩堝一般選用剛玉 (Al(Al2 2O O3 3) )、ZrOZrO2 2、BNBN等陶等陶 瓷。瓷。 第7章粉末冶金技術(shù) 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：蒸發(fā)源、粉末收集關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：蒸發(fā)源、粉末收集 超微粉末的收集采用流動(dòng)的惰性氣體進(jìn)行動(dòng)超微粉末的收集采用流動(dòng)的惰性氣體進(jìn)行動(dòng) 態(tài)沉積進(jìn)行捕收，這種捕收方式不僅可以降低裝態(tài)沉積進(jìn)行捕收，這種捕收方式不僅可以降低裝 置內(nèi)的溫度，促進(jìn)金屬的蒸發(fā)及金屬蒸氣形核，置內(nèi)的溫

60、度，促進(jìn)金屬的蒸發(fā)及金屬蒸氣形核， 開(kāi)可以驅(qū)使初生的超微粒子迅速離開(kāi)蒸發(fā)源，得開(kāi)可以驅(qū)使初生的超微粒子迅速離開(kāi)蒸發(fā)源，得 到抑制粉末粒度的效果。到抑制粉末粒度的效果。 水平：感應(yīng)電流加熱蒸發(fā)法制備超微粉末的裝置水平：感應(yīng)電流加熱蒸發(fā)法制備超微粉末的裝置 規(guī)格已經(jīng)達(dá)到規(guī)格已經(jīng)達(dá)到5 5 20m20m，超微粉末的月產(chǎn)量已經(jīng)，超微粉末的月產(chǎn)量已經(jīng) 達(dá)到噸級(jí)。達(dá)到噸級(jí)。 第7章粉末冶金技術(shù) (4)(4)電子束加熱蒸發(fā)法電子束加熱蒸發(fā)法 電子束加熱方法在金屬焊接電子束加熱方法在金屬焊接 和蒸發(fā)鍍膜等微細(xì)加工中有和蒸發(fā)鍍膜等微細(xì)加工中有 著重要的應(yīng)用，操作一般是著重要的應(yīng)用，操作一般是 在高真空中進(jìn)行的。