粉末冶金新技術新工藝(完整版)

　　

【正文】 美國橡樹嶺國家實驗室采用粉末注射成形方法制備了用于原子彈核燃料鈾同位素分離的鎳管。納米微粉燒結溫度特別低(粒徑為20nm的銀粉燒結溫度為60~80℃，20nm的鎳粉200℃開始熔接)，一旦能實現利用納米微粉工業化生產粉末冶金制品。11．4超微粉末制備技術 超微粉末通常是指粒徑為10～100nm的微細粉末，有時亦把粒徑小于100nm的微細粒子稱為納米微粉。這種球磨機可以較大批量地生產機械合金化粉末，從幾公斤到100kg。行星球磨機的名字來自于它的球磨罐的運動軌跡。 目前，已有多種形式的球磨機用于制備機械合金化粉末。將鎢與碳(石墨)一起進行球磨，可以獲得碳化鎢粉末。例如，碳氧化合物中包含碳和氫元素，碳水化合物包含碳、氧、氫元素。機械合金化技術所用的原料粉末來源廣泛，主要是一些目前已廣泛應用的純金屬粉末，有時也使用母合金粉末、預合金粉末和難熔金屬化合物粉末，其粒度一般為l～200mm。圖118顯示了電極旋轉速率對粉末粒度的影響規律。11．2．2離心霧化離心霧化法是利用機械旋轉造成的離心力使金屬熔液克服其表面張力，以細小的液滴甩出，然后在飛行過程中球化、冷凝成粉的一種制粉方法。全惰性氣體霧化技術近年來發展很快，多種實驗和生產規模的全惰性氣體霧化制粉設備相繼投入運行，為發展高性能的高溫合金、鋁合金、鈦合金以及金屬間化合物材料提供了有力的手段。這種超聲氣流是用一系列哈脫曼(Hartman)沖擊波管產生。金屬液流的破碎程度取決于介質流的動能，特別是介質流對金屬液滴的相對速度以及金屬液流的表面張力和運動黏度。不論是能量交換，還是熱量交換，都是一種物理機械過程；另一方面，液體金屬的黏度和表面張力在霧化過程和冷卻過程中不斷發生變化，這種變化反過來又影響霧化過程。 (3)錐形噴嘴。霧化制粉的冷凝速率一般為103～106℃／s。作為粉末制備新技術，第一個引人注目的就是快速凝固霧化制粉技術。因此，使整個粉末冶金領域大大拓寬，并向著縱深方向發展。 11 粉末冶金新技術新工藝11．1概述粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經過成形和燒結，制造金屬材料、復合材料以及各種類型制品的工藝技術。粉末冶金新技術、新工藝的應用，不但使傳統的粉末冶金材料性能得到根本的改善，而且使得一批高性能和具有特殊性能的新一代材料相繼產生。快速凝固霧化制粉技術是直接擊碎液體金屬或合金并快速冷凝而制得粉末的片法。 11．2．1二流霧化 根據霧化介質(氣體、水或油)對金屬液流作用的方式不同，二流霧化法具有多種形式： (1)垂直噴嘴。采用如圖115(c)所示的環孔噴嘴，霧化介質以極高的速度從若干個均勻分布在圓周上的小孔噴出構成一個未封閉的氣錐，交匯于錐頂點，將流經該處的金屬液流擊碎。此外，在很多情況下，霧化過程中液體金屬與霧化介質發生化學作用使金屬液體改變成分(如氧化、脫碳等)，因此，霧化過程也就具有物理化學過程的特點。一般來說，金屬液流的表面張力、運動黏度值是很小的，所以介質流對金屬液滴的相對速度是最主要的。超聲氣體霧化法具有很高的霧化效率，例如，采用超聲氣體霧化法可以制成粒徑為8mm的錫合金粉末和平均粒徑為20mm的鋁合金粉未，而且在這種鋁合金粉末中粒徑小于50mm的粉末出粉率高達90％以上。 在金屬粉末霧化中發展最快的是20世紀60年代中期建立起來的高壓水霧化技術。其中主要有旋轉盤法(RD)(圖113(a))、旋轉坩堝法(RC)(圖113(b))、旋轉電極法(REP(圖113(c))、電子束旋轉電極法(EBRE)、等離子旋轉電極法(PREP)(圖117)等。在上述離心霧化技術中，旋轉電極法(包括PEP、EBRE、PREP)最重要，日前應用比較廣泛，主要用于制備鎳基超合金、鈦合金、金屬間化合物、無氧銅、難熔金屬及合金等粉末。、對機械合金化技術來說，原料粉末的粒度并不是很重要，因為粉末粒度隨球磨時間呈指數下降(圖1110)，幾分鐘后便會變得很細，但一般說來原始粉末粒度要小于磨球的直徑。用這些化合物作為過程控制劑可以在粉末基體中形成彌散的碳化物和氧化物粒子，從而得到彌散強化材料，其中的氫元素可以在隨后的加熱或燒結過程中成為氣體逸出或被晶格吸收。將鋁與碳或者含碳的過程控制劑一起球磨可以得到碳化鋁粉末(Al4C3)，碳化鋁粒子彌散分布在鋁合金的基體中，可顯著改善鋁合金的性能。其不同之處主要是生產能力、球磨效率、冷卻和加熱裝置等。多個球磨罐對稱安裝在一個旋轉的圓盤上，每個球磨罐還繞自己的軸心轉動。攪拌球磨機的球磨料的運動速率要比振動球磨機和行星球磨機低，／s，因此其能量也較低。納米微粉具有明顯的體積和表面效應，因此，它較通常細粉有顯著不同的物理、化學和力學特性，作為潛在的功能材料和結構材料，超微粉末的研制已受到了世界各工業國家的重視。將對粉末冶金技術帶來突破性的變革。1976年，第一項金屬粉末注射成形技術的專利授權給River。％。采用液／固或氣／固界面反應脫脂(即溶劑脫脂和氣相脫脂)，可以使脫脂過程由外及里推進，可以有效地提高脫脂速率，已成為黏結劑開發的主要發展方向。采用Pm技術則可以直接制成一個整體復合部件(如圖1115所示)。溫壓可以顯著提高壓坯密度的機理一般歸于在加熱狀態下粉末的屈服強度降低(如圖1118所示)和潤滑劑作用增強。需要指出的是，粉術冶金產品的伸長率一般較低，選擇溫壓成形工藝需要考慮其產品的延性和沖擊韌性。 熱壓成形技術 熱壓又稱為加壓燒結，是把粉末裝在模腔內，在加壓的同時使粉末加熱到正常燒結溫度或更低一些，經過較短時間燒結獲得致密而均勻的制品。采用第一種方式時，電流通過碳管發熱，對模具和粉末坯同時加熱；采用第二種方式 時，電流主要通過壓橫材料發熱，使得與上下沖模和模腔接觸的 部位比其他部位溫度高。 等靜壓制過程是借助于高壓泵的作用把流體介質(氣體或液體)壓人耐高壓的鋼質密封容器內。工作室承受壓力的大小應由粉末特性、壓坯性能和壓坯尺寸來確定。濕袋模具壓制的主要缺點是，裝袋脫模過程中消耗時間較多。粉末體(粉末壓坯或包套內的粉末)在等靜壓高壓容器內同一時間經受高溫和高壓的聯合作用，可以強化壓制與燒結過程，降低制品的燒結溫度，改善制品的組織結構。框架式密封的壓力容器的特點是容積大，運轉速度快，操作方便，安全可靠。K)，用氬氣作壓力介質時能夠使工作區爐溫很快地達到所要求溫度并能保持溫度分布均勻。5℃到177。圖1124顯示了熱等靜壓技術壓制的一些產品。粉末體的致密化是由材料的塑性、高溫下蠕變和原子擴散速度所確定。此方法是由美國金屬合金公司研究成功，現已將專利轉讓投入生產。一般情況下是在燒結的初始階段施加一個脈沖電流，使粉末顆粒間產生電火花或等離子弧，在電火花和等離子弧的作用下，粉末表面的氧化膜和雜質被清除，粉末顆粒直接接觸并發生燒結形成燒結頸，接著同時施以大電流和一定的壓力，使粉體致密化。場活化燒結技術應用的實驗室研究很多，從金屬、金屬間化合物到陶瓷和復合材料都有報道。此外，場活化燒結技術在化合物的同步合成／固結、梯度材料制備、金屬與陶瓷的擴散焊接等方面的應用也顯示出了良好的前景表119和表1110分別顯示了利用場活化燒結技術制備的金屬和陶瓷的性能。因此與傳統燒結方法相比可以在較低的溫度下或較短的時間內獲得高的燒結密度，可以減少燒結過程對粉末微觀組觀的影響，這對于燒結細晶材料、納米材料、非晶合金等非平衡材料和易氧化材料是非常重要的。20世紀80年代以來，脈沖放電對粉體燒結的有效作用得到的廣泛的關注，一系列的場活化燒結設備相繼開發出來并得到應用。燒結熱等靜壓已在硬質合金、鈦合金、先進陶瓷材料的制備方面獲得了廣泛應用。這是繼常規熱等靜壓制技術之后開發出的一種先進工藝。 熱等靜壓是消除制品內部殘存微量孔隙和提高制品相對密度的有效方法。在熱等靜壓制系統中必須精確可靠地控制壓力和溫度參數。加熱元件的材料按設計的溫度范圍選定。 熱等靜壓制設備通常是由裝備有加熱爐體的壓力容器和高壓介質輸送裝置及電氣設備組成。干袋固定在