1引言
新材料的制造是推動人類文明進步的重要動力之一，歷史上材料技術的更新換代都極大地提高了人類的生產力，并改善了人們的生活。1909年粉末冶金法使得延性鎢的制造成為可能，從此鎢絲白熾燈走進千家萬戶，開創了照明的新時代。歷經一個世紀，粉末冶金作為一門獨特的材料制造工藝得到了蓬勃發展，已成功制造出高性能結構材料、高級磁性材料、生物工程材料、能源及納米材料等，在機械、汽車制造、航空航天及國防軍工等行業發揮了相當重要的作用[1-4]。
當前，世界工業發達國家在經歷2008年以來的金融危機與經濟蕭條之后，紛紛提出并實施“再工業化”戰略。而且，信息技術與制造業開始深度融合，對產業變革的影響深遠，各國都在大力推動云計算、物聯網、大數據、三維(3D)打印、生物工程、新能源、新材料等技術的發展，力爭在新一輪制造業競爭中取得優勢。我國也處在加快轉變經濟發展方式的重要時期，雖然制造業規模居世界第一位，但大而不強，核心基礎零部件(元器件)、先進基礎工藝、關鍵基礎材料和產業技術基礎等工業基礎能力薄弱，與先進國家相比還有較大差距。為此，國務院出臺的《中國制造2025》規劃了我國制造業自主發展的宏偉藍圖，其中以特種金屬功能材料、高性能結構材料、功能性高分子材料、特種無機非金屬材料和先進復合材料為代表的新材料被列為重點突破的發展領域之一。同時，《中國制造2025》強調了加快制造業綠色改造升級推進資源高效循環利用的綠色制造理念。因此，新材料的開發也要求努力構建高效、清潔、低碳、循環的綠色制造體系。粉末冶金具有近凈成形與節能高效的特點，是典型的綠色制造技術，盡管傳統的鐵基粉末冶金占整個行業70%以上的市場份額，但難熔金屬、磁性材料、粉末高溫材料等已成為重要組成部分，3D打印材料、醫用材料等方面的研究也十分活躍。國家對制造業創新發展的規劃為我國粉末冶金材料及其制備技術的發展提供了廣闊的空間，同時也帶來了全新的挑戰。本文簡要介紹粉末冶金行業的發展現狀，著重探討粉末冶金材料及制備技術的發展動向。
2傳統粉末冶金行業現狀
2.1 鐵基粉末及結構零件
鐵基粉末冶金是現代粉末冶金的最主要的組成部分，其制品多數用于汽車、機械及家用電器的零部件等，全球的鐵基粉末冶金市場主要有北美、歐洲、日本和中國。自2010年起北美的粉末冶金產業的大多數部門開始恢復性增長，2013年北美的鐵粉出貨量達到了364 450 t[5]，較上年增加了4.62%(質量分數)，遠高于2009年的192 619.8 t，但與2004年的出貨量仍有差距。同時，2013年北美地區的不銹鋼粉、鉬粉及鎳粉也比上年略有增長。在北美市場，70%以上的鐵基粉末冶金制品用于汽車制造行業，粉末冶金汽車零部件具有節材、節能、減重等方面的優點，汽車產業的快速發展也會帶動鐵基粉末冶金零部件的應用。2006年以來美國三大汽車公司汽車總產量有所下降，特別是每輛使用量達29.5 kg粉末冶金零件的運動車和輕型卡車的產量下降，導致北美地區鐵基粉末冶金零件制品貨運量下降。到2007年，北美地區制造的汽車中平均每輛使用的粉末冶金零件總重量同比減少了2~3%，降為略少于19.5 kg。近兩年北美汽車產銷量逐漸回升，2013年美國輕型汽車的總產量達到了1600萬輛，但由于家用汽車小排量化的趨勢，4缸汽車引擎成為主流，甚至出現了3缸引擎，6缸和8缸的汽車引擎逐漸減少，對汽車粉末冶金零件用量最明顯的影響是粉末鍛造連桿與軸承蓋的使用量減少，這種狀況對北美地區的粉末冶金行業較為不利。然而，在汽車的所有輪驅動系統、起-停系統、新型柴油機和一些形狀復雜且輕質的齒輪等應用領域將會增加粉末冶金零部件應用的機會，表面致密化的粉末冶金齒、鏈輪等高附加值零件具有較大的潛力。此外，新型的低成本粉末冶金工具鋼正在被考慮用于開發汽車閥門導軌和閥門座，以提高其質量。今后，粉末冶金零件生產企業仍將致力于擴大生產能力與提高技術水平，以滿足高端客戶對于較復雜形狀設計與較高性能零件的技術要求。
近年來歐洲的鐵基粉末出貨量仍呈緩慢增長的趨勢，鐵基粉末冶金結構零件產量占粉末冶金制品總產量的82%[6]。歐洲地區的汽車產量波動不大，且家用緊湊級與小型汽車一直占有相當大的比例，平均每輛汽車上粉末冶金零件的用量沒有像美國那樣出現減少的情況，目前為14.6 kg。由于采用溫壓、高速壓制、表面致密化等先進技術的鐵基粉末冶金零件產品增加，產品性能與利潤較高，歐洲的鐵基粉末冶金零件市場在穩定增長，但也面臨著低成本國家的競爭。日本是亞洲第二大粉末冶金生產國，2013年鐵粉的出貨量為108 883t[6]，比2012年略有減少，但在日元貶值、世界經濟增長以及日本國內需求增長的背景下，日立化工、住友電子等幾大粉末冶金企業的銷售額都實現了增長。日本的粉末冶金零件基本為鐵基零件，而且89.5%的鐵基粉末冶金零件用于汽車制造，但此前鐵基粉末冶金零件在汽車制造中的應用還沒有被充分開發，每輛汽車上所用粉末冶金零件的重量約為9.5 kg。目前日本的幾大生產粉末冶金零部件企業都積極開發使用粉末冶金結構零件和硬質合金工具的汽車制造行業等市場，更專注于注射成形產品、摩擦材料和汽車制造用粉末冶金零件的生產，因此日本的平均每輛使用的粉末冶金零件總重量仍在增長。
我國粉末冶金市場較發達國家增長快，近十年鋼鐵粉末產銷量年平均增速約為9.9%，2009年超過日本成為亞洲最大的粉末冶金生產國，2013年我國的鋼鐵粉末產量已達到38.82萬噸，已超過北美的鐵粉出貨量[7]。2013年行業統計的34家重點企業粉末冶金機械零件的銷售量為15.6萬噸，同比增長了12.2%，其中鐵基制品為14.5萬噸，同比增長12.2%[6]。然而，我國的鐵基粉末冶金制品產量約為粉末產量的40%，不僅低于北美、日本的水平，而且仍以中低密度的產品為主。在粉末冶金零部件的分布領域，汽車零部件銷售量占總銷售量的比重仍徘徊在50%，與歐美日等工業發達地區的汽車粉末冶金零件占比有較大差距。2013年我國粉末冶金汽車零件銷量為77 822 t，而汽車產量約為2 211.68 萬輛，因而平均每輛汽車的粉末冶金零件只有3.5 kg 左右，實際上每輛汽車的粉末冶金零件用量都不少于8.0 kg，像粉末冶金連桿、大扭矩同步器齒轂和齒套、高強度齒輪及鏈輪等關鍵零部件，仍依賴進口或采用傳統機械加工件。盡管我國粉末冶金材料及制品的發展空間廣闊，但國內企業同時存在著提升產品競爭力的緊迫性。
2.2 非鐵基粉末冶金產業
2.2.1 硬質合金
硬質合金是現代工業不可缺少的工具材料，廣泛應用于切削刀具、礦用鉆具和耐磨零部件等，被譽為現代工業的“牙齒”。硬質合金是僅次于鐵基結構材料的第二大類粉末冶金產品，據中國有色金屬鎢業分會討論會的統計數據，2011年全球硬質合金產量為6.3萬噸，歐洲、美國和日本分別占全球總量的27%、16%和11%。我國生產的硬質占全球總量的37%，居世界第一，但總產值不及瑞典Sandvik的1/2，尤其是高技術硬質合金產品不到世界發達國家的10%，長期依賴進口。我國硬質合金刀具占所有刀具的比例約為40%，遠低于工業發達國家70%的水平。如果按刀具市場規模的40%計算，我國2015年硬質合金刀具的市場規模將超過200億元。在地質勘探、礦井開采領域，60~80%的鉆進量通過硬質合金鉆頭完成。2011年礦用硬質合金約為6 874.78 t，預計到2015年將接近11 000 t，年增長率約為15%。
硬質合金是碳化物(主要為碳化鎢)硬質相與金屬粘結相的組合體，通常硬質相晶體尺寸減小與粘結相含量減少使合金硬度增加，而斷裂韌性下降;反之，合金的硬度下降而斷裂韌性增強，二者此消彼長。隨著硬質合金的應用不斷擴展，往往要求它同時具有較高的硬度與韌性，延長工具的使用壽命以降低成本。因此，研究者們開發出了超細晶(平均晶粒粒徑為0.2~0.5 μm)硬質合金、粗晶粒硬質合金以及功能梯度硬質合金等。在金屬鈷粘接相含量一定的情況下，減小碳化鎢晶粒尺寸至亞微米級，硬質合金的強度和硬度均得到了顯著提高[8]。上世紀末超細晶粒硬質合金得到商業化應用后，納米晶粒硬質合金的研究也逐漸興起。而當碳化鎢晶粒尺寸達到粗晶級別(3.5 μm以上)時，可通過調整微觀組織獲得具有高硬度和良好韌性匹配的硬質合金，這種粗晶粒硬質合金已獲得商業化應用，主要用于礦山開采等受到大量反復沖擊的場合。此外，通過形成粘接相或硬質相的成分梯度，或者形成硬質相晶粒度梯度的硬質合金也被認為是獲得高硬度與較高韌性的有效途徑[9]。
硬質合金制造所需的鎢、鈷等元素都是戰略合金元素。我國的鎢資源儲量超過全球儲量的50%，在硬質合金開發上具有一定的資源優勢，而鈷資源相對貧乏。近年國內的無序開采和盲目出口使鎢資源浪費嚴重，情況不容樂觀，今后須提高資源利用效率，在增大硬質合金產量的同時提高產品的性能與質量。
2.2.2 銅基粉末冶金材料
銅基粉末冶金材料主要應用于含油軸承、摩擦材料、電刷、電工零件等，其中含油軸承、摩擦材料主要為燒結青銅(錫青銅和鋁青銅)，是目前用量最大的一類粉末冶金銅基材料;銅基電刷材料主要為燒結銅銀合金;銅基電工零件主要由燒結的彌散強化銅、時效強化銅合金制造。2013 年北美地區和歐洲的銅和銅基粉末的發貨量分別達到15 286.1 t和14 490 t，比2012年有一定增長，而日本由于受汽車電子設備微型化、粉末冶金自潤滑軸承的總用量減小的影響，粉末冶金銅粉的出貨量出現了下降。我國2013年銅粉和銅合金粉產量達42 100 t，銅基含油軸承銷量約4 098 t，比上年增長11.4%，然而銅基結構零件占粉末冶金結構零件總銷量的比例為1.3%，較上年的1.5%有所下降[6]。
3粉末冶金材料發展動態
3.1 鐵基PM材料
低合金鐵基粉末冶金零部件的零件密度提高主要依靠改進粉末原料、壓制成形及后續加工工藝，優質的預混合料是實現成分與密度高均勻、尺寸高精度零件生產的關鍵。自20世紀80年代以來，各大鋼鐵粉末公司就十分重視預混合料技術的開發。美國Hoeganaes公司在先后推出了三代商品化的預混合鋼粉，其中第三代產品針對溫壓成形設計了粘接劑，提高了生坯密度和燒結密度，且生坯強度滿足機加工要求，而最近的研究報道了一種新型的壓制潤滑劑，結合高壓、溫模具壓制工藝可使鐵基粉末冶金零件的密度值接近7.5 g/cm3。當前，鋼鐵粉末企業對市場某類或某種特定產品的需求直接向用戶提供預先混合好的粉末成為一個重要的發展趨勢，世界最大的鋼鐵粉末生產企業瑞典Hoganas公司所出售粉末的60%是混合料。而在我國，純鐵粉產銷量占鋼鐵粉末90%以上，鐵基制品企業將從不同公司購買來的純鐵粉和合金元素粉末通過機械混合的方式配制成供壓制的原料。機械混合法容易使物料不均勻，加上不同批次原料質量不穩定、每次混料量和混料工藝有差異，由機械混合法制成制品的結構性能均勻性、尺寸精度、特別是不同批次間的尺寸和性能一致性不高，嚴重制約了我國鋼鐵粉末和鐵基制品在中高端零部件制造的應用。
目前國內相關的科研單位與企業正在進行鐵基混合料的開發工作，如中南大學與萊鋼粉末公司聯合開發了Fe-Cu-C等預混合料，中國鋼研科技集團有限公司進行了Fe-Cu-C預擴散合金粉的研究，北京科技大學研制了塑化改性的預混合料。當前有色金屬價格居高不下，促使世界各大鋼鐵粉末生產企業紛紛致力于設計開發降低Cu、Ni、Mo等合金元素含量的低成本鋼鐵粉末。Mn元素在地球上儲量豐富，價格低廉，對鋼鐵的強化效果最好，作為合金元素已成功用于煅鋼多年。然而，含Mn鋼鐵粉末存在易氧化、燒結過程中MnO難以用分解氨或氫氣還原，致使燒結材料難以獲得較高的密度和強度，雖然早在1948年就有關于含Mn低合金鋼粉末冶金材料的研究，但含Mn燒結鋼發展緩慢。近年來中南大學研究了錳含量0.2~1.28%的水霧化鋼粉，氧含量≤0.2%，松裝密度達2.85~3.15 g/cm3，流動性≤30 s/50g，壓縮性≥7.07 g/cm3;以鐵錳粉為中間合金，采用對合金元素粘結處理的預混合料技術制備了錳含量為0.2-1.0%的鐵基預混合粉，松裝密度達2.90~3.15 g/cm3，流動性≤26 s/g，壓縮性≥7.09 g/cm3，并開發出新型Fe-0.5Mo-0.5Mn-0.5C低合金鋼材料體系，燒結密度7.13 g/cm3，抗拉強度426 MPa，硬度92HRB，延伸率7.58%[10]。
3.1.2 粉末高速鋼
與普通熔鑄高速鋼相比，粉末高速鋼有效避免和抑制了碳化物偏析與粗大組織形成，熱加工及熱處理過程中析出碳化物細化至亞微米甚至納米級，可將強度提高到常規熔鑄高速鋼的約2倍，韌性也遠高于硬質合金。盡管硬質合金等材料具有更高的紅硬性，但是對于制造形狀復雜、磨削困難尤其是具有高韌性的刀具，高速鋼始終處于主導地位[11]。因此，粉末高速鋼在生產高性能以及形狀復雜刀具中占有明顯優勢，在一些新興的、對工模具性能及壽命要求嚴格的先進裝備制造領域，如航天用齒輪泵，更是不可替代的關鍵材料。
使用粉末高速鋼刀具代替傳統高速鋼可獲得更高的切削速度，而且刀具的使用壽命也提高2~3倍。然而，受生產制造成本的影響，粉末高速鋼比相應的傳統高速鋼價格高得多，其使用量占高速鋼總量的比例仍較低[12]。粉末高速鋼主要采用熱等靜壓法制備，生產的產品質量好，熱等靜壓后的鋼錠鍛、軋加工成形性好，是現在最為成熟的工業生產工藝。然而，熱等靜壓法制備粉末高速鋼的設備投資大、技術難度高(關鍵是粉末氧含量和夾雜物的控制)，其產品價格為常規熔鑄高速鋼的2~5倍，小型復雜刀具因材料成本低，采用粉末高速鋼有突出的性價比優勢，而大尺寸產品的選材仍需衡量性價比。噴射成形技術在多種合金材料的開發上取得了成功，在鋼鐵材料應用上也取得了重大突破，能制備偏析小、顆粒細小、致密度高(相對密度接近98%)的材料，并可以簡化工藝，降低成本等[13]。目前噴射成形高速鋼處于研發階段，沉積態組織中還存在孔洞，要經過熱等靜壓或者鍛造的方法才能形成致密的坯體。冷壓燒結技術是粉末冶金制品的傳統生產工藝，采用經過霧化法制得的粉末(多用水作為霧化介質)，經篩選分級、還原退火后，冷模壓制成形，然后在保護氣氛或真空條件下燒結致密化，生產出接近最終形狀的坯件。該方法較熱等靜壓技術有顯著的成本優勢，具有較好的發展前景，其關鍵在于粉末的脫氧處理和燒結溫度的合理選擇及控制?？梢?，從制備技術和材質設計等方面降低成本一直是粉末高速鋼提升市場份額的關鍵。
目前以粉末高速鋼為主的粉末冶金工具鋼全球年產量約2萬噸，生產主要集中在美國、歐洲、日本等工業發達國家的7家企業，這些國家的粉末冶金高速鋼使用量占高速鋼總量的10~15%(美國應用粉末高速鋼比例超過15%)[14]。我國是高速鋼使用大國，2010年達4.7萬噸，但高端產品和粉末高速鋼大量進口，依靠進口的粉末高速鋼有ASP2052、S390、CPM T15、ASP2015、CPM M4HC、S690、ASP2030、S590、S790等。國產粉末高速鋼每年約100噸，產品技術水平為安泰科技生產的FT15為代表，晶粒度大于11級，碳化物尺寸2~4 μm，熱處理后的硬度67 HRC、抗彎強度可達4000 MPa以上[15]。隨著我國汽車、航空航天、電力汽輪機、高速鐵路和大型石化裝備等戰略性新興產業迅速發展，高精度、高效率、高可靠性和專業化的加工制造需要大型、整體、復雜形狀的模具和刀具量越來越大，日益增多的難加工特種材料對工、模具的硬度、抗彎強度、沖擊性能等也提出了愈來愈高的要求，為高性能粉末高速鋼材料與制品提供廣闊市場。未來5年，預計我國對粉末高速鋼材料及制品的市場年需求總量可達1500~2000噸。
3.2 難熔與硬質材料
難熔金屬鎢、鉬等及合金具有熔點高、高溫力學性能優異、耐燒蝕性能良好、以及其它優良特性，在現代國防、航空航天、原子能工業、微電子等領域都有重要的應用需求。例如，航空航天發動機上的高溫鎢鉬材料在有氧環境下要承受2000~3500K、高速燃氣的長時(最長3000s)燒蝕和沖刷，從而要求難熔鎢、鉬材料必須同時具有優異的高溫強韌性、抗氧化燒蝕、抗熱沖擊性能，以及輕量化。在國際熱核聚變ITER工程中，面向等離子體的最具挑戰性關鍵高溫部件(尤其偏濾器)是用鎢基材料，要求必須高溫高強韌、抗高熱負荷燒蝕和熱中子輻射，它決定ITER的成功與否，對未來鎢在高端領域的需求影響巨大?，F有的典型高溫鎢、鉬材料由于晶粒粗大、組織不均或缺乏有效高溫強化相(成分單一)，存在高溫強韌性低、塑脆轉變溫度高、抗高溫沖擊和燒蝕性差，以及密度偏高等問題。目前廣泛應用的TZM鉬合金也存在高溫強度下降快、抗燒蝕差的不足，遠不能滿足航空航天、發動機和核能領域的發展要求。范景蓮等[16]提出微納復合增強難熔鎢鉬金屬，用常規成形和燒結方法制備微納復合超高溫難熔鎢鉬材料，實現了材料的高溫高強韌、抗沖擊、抗燒蝕和輕量化。
當前制造業和石油礦產開采業的發展對加工工具的性能提出了更高的要求，需要大量的超細(或納米平均晶粒度0.2μm)晶和超粗晶(平均晶粒度6μm)硬質合金材料及涂層。研究證明硬質相晶粒細化到亞微米甚至納米級是實現高硬度、高強度硬質合金的有效途徑。硬質相晶粒尺寸越小，則粘接相的平均自由程越短，有效增加硬質合金的耐磨性，其使用壽命比普通硬質合金成倍地增加。超細晶硬質合金能用于制造微型鉆頭等精細切削工具，可保持優異的力學性能。此外，采用超細以及納米晶硬質合金涂層是提高刀具硬度和切削性能的可靠途徑，在淬火鋼、鈦合金、高溫合金以及噴涂材料等高硬度耐磨材料的加工上優勢明顯。目前硬質合金涂層的發展趨勢是納米晶、低厚度、多組元、多層以及梯度涂層等精細結構的調控。超粗晶硬質合金也是目前硬質合金的發展方向之一，在粘接相鈷含量相當的情況下，超粗晶比其它晶粒度的硬質合金在斷裂韌性、熱傳導性以及抗熱疲勞性具有顯著優勢，因此是采礦、鑿巖、軋輥等熱震動高磨損場合的優先選擇材料。超粗晶硬質合金在歐美國家早已產業化，我國近幾年已取得了突出成就，也已實現產業化，目前的難點仍然是尋求簡便、高效的制備工藝以推進產業化，以及從單純的材料制備技術向拓展材料的應用轉變。
與硬質合金(WC-Co)材料體系不同，Ti(C,N)基金屬陶瓷是結合釩、鈦資源發展起來的一類市場前景較好的刀具材料，常見的金屬陶瓷刀具是以金屬Ni或Ni和Co為粘結相，Ti(C,N)為主要硬質相。Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具較傳統硬質合金具有低密度(為WC的1/3)、更優秀的耐磨性，化學穩定性，更加順應當今高效、高精度的數控一體式加工的發展需求。面對鎢資源的匱乏，國外十分重視金屬陶瓷刀具的研究開發，日本的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具已占硬質刀具材料市場的30%以上，歐美也占10%以上。我國在金屬陶瓷刀具材料的研究相對落后，然而我國鈦儲量豐富，在Ti(C,N)基金屬陶瓷材料的開發與利用上具備資源優勢。目前，限制該材料體系在刀具應用的主要因素是Ti(C,N)與粘結相Ni的高溫潤濕性較差(不如WC和Co)，導致金屬陶瓷燒結體的韌性不高。今后的研究重點在超細TiC原料粉末的低成本制備、金屬與陶瓷兩相界面穩定性的改進、提高刀具表面的耐磨性以及高溫穩定性等。
3.3 3D打印材料
3D打印又稱增材制造(Additive Manufacturing, AM)，是將CAD設計數據通過材料逐層累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除(切削加工) 技術，是一種“自下而上”的材料累加制造方法。3D打印體現了信息網絡技術與先進材料技術、數字制造技術的密切結合，是先進制造的重要組成部分，受到各國的戰略性重視。美國從上世紀80年代起就開始飛機關鍵零部件的增材制造技術研究，GE公司用3D打印制造出以前用20個零件組裝的飛機發動機噴嘴，整體減重了25%，效率增加15%，并已獲訂單85000件。NASA計劃將小型3D打印裝備運送國際空間站，能在緊急情況下打印空間站需要的零部件、維修工具等。據美國專門從事增材制造技術咨詢服務的Wohlers協會報告，2013年全球3D打印產值為30.7億美元，預計2015年達到40億美元，且在美國航空器制造和醫學應用是3D打印技術增長最快的應用領域[17]。
3D打印的主要技術路線有選區激光熔煉(Selective Laser Melting, SLM)和選區電子束熔煉(Selective Electron Beam Melting, SEBM或EBM)，可用于3D打印的材料的主要材料有高分子材料、金屬材料、陶瓷材料、生物材料等，其中以高分子材料為主，金屬約占10%，但成為新的增長點。SLM比較適合制備小尺寸的樣品，甚至是包含了金屬、陶瓷或塑料的復合構件，產品有人造牙齒、多孔低模量骨骼、可植入骨釘等，如圖1(a)和(b)所示，在生物醫學領域顯示了良好的應用前景。然而SLM制備金屬材料時，高能激光束的環境為氬氣或氮氣氣氛，與EBM的真空環境相比，組分的冷卻速度和凝固過程更快，需綜合考慮相變、擴散、微觀組織以及殘余應力等問題。相對SLM技術而言，EBM能更好地實現金屬材料的均勻致密化[18]，而且EBM的掃描速度較快，適合制備大尺寸樣品，成品的表面質量較好。目前已成功制造出飛行器非承力部件，飛機鈦合金承力框架等，如圖1(c)(d)所示。
圖1 3D打印材料, (a) 醫用植入骨釘; (b) 人造牙齒; (c) 飛行器非承力部件; (d) 飛機鈦合金承力框架
3.4其它PM新材料
我國航空、航海、核工業的快速發展迫切需要開發高精密粉末冶金高溫結構材料，代表性的材料包括粉末高溫合金、氧化物彌散強化鋼等。航空發動機是飛機的心臟，鎳基高溫合金是航空發動機中用量最多的高溫結構材料。粉末冶金制備的鎳基合金熱端部件和承力轉動部件比傳統鑄鍛件具有更高的使用溫度，較高的蠕變強度、抗裂紋擴展能力以及損傷容限。以渦輪盤為例，工作中渦輪盤輪緣部位的溫度較高，要求合金具有較高的高溫強度、較小的線膨脹系數、較高的低周疲勞性能以及無缺口敏感性;而渦輪盤中心部位的溫度較低，在輪緣與中心形成的溫度梯度會產生很大的熱應力，這樣又要求合金具有良好的冷、熱和機械疲勞性能。粉末冶金可制備出晶粒高度細化、γ'相含量高(體積分數一般>45%)的鎳基高溫合金，當前最新的技術是通過雙重組織熱處理獲得輪心部位細晶組織、輪緣部位為粗晶組織的雙性能高溫合金渦輪盤，使其具有較高的抗疲勞裂紋擴展能力，提高使用性能與壽命。
與鎳基高溫合金的析出強化方式有所不同，氧化物彌散強化鋼是在鐵基體中引入了穩定、細小且均勻分布的第二相氧化物，起到釘扎位錯、晶界，強化材料的作用。粉末冶金的優勢在于強化/復合的方式多樣，可以控制強化相趨于更精細，所制備的材料具有較高的高溫強度和耐腐蝕性能，可應用于高溫高壓的工業領域。例如，在火力發電領域，氧化物彌散強化鋼能用于燃燒室燃料霧化噴嘴、火焰穩定器、蒸汽管道等關鍵部件;在核能利用領域，氧化物彌散強化鋼具有較低的輻照腫脹和熱膨脹系數、較高的熱導率，是超臨界水堆燃料包殼管和新型快中子反應堆包殼的候選材料，如日本開發的9Cr雙相氧化物彌散強化鋼、歐洲開發的ODS Eurofer 97氧化物彌散強化馬氏體鋼，美國開發的機械合金化氧化物彌散強化鐵基合金(MA/OD，12Y1，12YWT)，使用溫度上限達到850℃。此外，氧化物彌散強化鋼在航空發動機燃燒室部件、熱作模具鋼等領域有較大的市場需求。我國在氧化物納米團簇強化鐵基高溫合金方面有相應的研究，利用粉末冶金工藝的優勢將有害元素氧轉化成有益的強化相，有望開發出更多高性能的鐵基粉末冶金高溫結構材料。
4粉末冶金材料制備新方法
4.1 粉末的制取
高質量粉末原料是制造高性能粉末冶金產品的重要基礎，而制粉技術的發展也引領著粉末冶金材料的升級換代。例如，粉末高速鋼生產工藝的進步主要表現在霧化制粉的改進，能更精確的控制鋼水溫度和潔凈度，第一代霧化粉平均顆粒比較粗大，非金屬夾雜含量相當于電弧爐+LF鋼包精煉鋼的水平，但粉末高速鋼的抗彎強度已經比普通熔煉高速鋼提高了約1倍;第二代粉末高速鋼鋼水采用電渣加熱與鋼包底吹Ar氣攪拌，與第一代粉末高速鋼相比減夾雜物含量減少90%，成分波動范圍也縮小近50%，因此抗彎強度提高20%，達到3.5GPa;第三代霧化高速鋼粉的尺寸要細得多，晶粒中碳化物二次枝晶臂距約1 μm，成分波動范圍進一步縮小，非金屬夾雜物比第二代減少90%，所得到的粉末高速鋼抗彎強度可達4.2 GPa以上。因此，制粉技術的改進對粉末高速鋼的性能影響巨大，而高速鋼粉末一直在向超純、超細、粉末特性可控的方向發展。
同樣，其它高性能粉末冶金材料對原料粉末的要求也越來越苛刻，也推動粉末制造技術的發展。目前，超微粉末和納米粉末制造與處理技術、快速凝固霧化制粉技術、機械合金化制粉技術等是幾個比較活躍的研究方向。金屬粉末注射成形、表面熱噴涂等技術需要大批量球形度好、分布均勻的微米級甚至是亞微米級粉末，而普通的氣霧化只能獲得粒度≥20 μm的粉末，通過結合氣霧化與離心霧化的特點而開發出來的混合霧化技術，可制備5~15 μm的粉末。改變噴槍設計、增大氣體壓力霧化，可使粉末的粒度降低到10 μm以下。除了粉末形狀和粒度上的控制，霧化制粉的一個重要趨勢是快速凝固，尤其對于制備特種合金粉末，霧化液滴以105~106 K/s的速率冷卻是一種非平衡的凝固過程，可以有效地減少合金成分的偏析，并可以獲得具有非晶、準晶、微晶或過飽和固溶體等非平衡組織的粉末?？焖倌桃褟V泛應用于制備高溫高強鋁合金、高強耐蝕銅合金、耐磨耐蝕工具鋼、磁性材料、電極材料以及電工合金等。在納米晶粉末的制造技術方面，機械合金化是一種重要的方法，它借助球磨過程中的大動能使粉末反復變形、破碎，且不受物質熔點、蒸氣壓等物理特性制約，使混合粉原子間相互擴散或固態反應實現合金化。這種技術已廣泛用于各種氧化物彌散強化高溫材料、能源材料、難熔金屬化合物、過飽和固溶體以及納米材料等新材料的研發[19]。
此外，3D打印金屬制品對原料粉末的要求與傳統粉末冶金用金屬粉末還不完全相同，常規的熱噴涂粉末用于3D打印還存在很多不適用性。目前對3D打印金屬粉末性能的要求還沒有統一的認識，一般認為粉末氧含量低、球形度好、粒度小及其分布窄有利于獲得致密度高、強度好、不開裂和不變形的3D打印金屬制品。對于合金粉末，還要求成分均勻性好、組織細小，因為組織粗大的粉末熔覆性能較差。目前3D打印粉末的制備方法主要有氣霧化法(GA)、等離子旋轉電極法(PREP)、等離子熔絲霧化法、等離子球化法等。目前美國和歐洲國家主要采用GA和PREP技術制備的金屬粉末，國外巨頭Sandvik、Carpenter、Ameteck、Hoganas紛紛推出3D打印專用粉末，產品包括常見金屬粉、高溫合金粉甚至是難熔金屬粉末。我國主要對低熔點金屬進行了GA和PREP制備技術研究，還很少涉及高品質鈦合金、鎳基高溫合金和稀有金屬粉末。加拿大研究人員開展了等離子球化與等離子熔絲霧化制粉技術研究，在開發難熔金屬粉末方面具有優勢。我國等離子球化技術制粉研究才剛起步，而等離子熔絲霧化技術暫未涉及。
由此可見，粉末制備技術的發展方向主要在微米級粉末的霧化及還原、粉末的粒度、形貌和純凈化控制的研究等方面。對于高端的粉末冶金材料開發，需推動超微粉末和納米粉末制造與處理技術、快速凝固以及機械合金化制粉等技術的研究與應用。
4.2 成形技術
現今粉末冶金零部件密度的提高主要依靠粉體的成形技術，高密度且適用于復雜形狀零件始終是粉末冶金成形技術的追求。對于鐵基粉末冶金零件，當密度達到7.2 g/cm3后，材料的各種力學性能如硬度、抗拉強度、疲勞強度、韌性等都會隨密度的提高而更為顯著地增大[8]。粉末鍛造是一項已經產業化的成熟技術，主要應用在制造發動機連桿，零件密度高達7.83 g/cm3，接近全致密，但存在設備價格較高、能耗較大等問題。復壓/復燒工藝制備的鐵基粉末冶金零件的密度可達7.5 g/cm3，但是較一次壓制/一次燒結的生產成本明顯提高。
粉末溫壓成形是一次壓制成形高密度零部件的突破性技術，成形的鐵基零部件密度可達7.35 g/cm3，同時具有相對較低的制造成本，已成功制備了各種形狀復雜的高密度高強度粉末冶金零件，如汽車傳動轉矩變換器渦輪輪轂、溫壓連桿和齒輪類零件。溫壓成形技術起初需要將粉料和模具分別加熱到130 ℃左右，通過潤滑劑的不斷改進，逐漸發展了中溫溫壓與低溫溫壓，目前通過只加熱模具的溫模壓制即可獲得密度7.4 g/cm3 以上的鐵基粉末冶金成形生坯。此外，在溫壓技術的基礎上結合金屬粉末注射成形工藝的優點又發展了流動溫壓，這種工藝下粉末具有較高的流動性、充填能力和成形性。我國近十多年來，在國家“863計劃”項目資助下，中南大學、北京科技大學、華南理工等單位也在溫壓技術上取得了突破性進展。
高速壓制成形技術因壓制速度快、成形密度高而頗受重視，它利用重錘下落的沖擊力使粉體成形，可獲得7.4 g/cm3以上的鐵基零件壓坯。高速壓制還可以和預混合料技術、模壁潤滑、溫壓以及復壓等技術有機結合起來。北歐一個名為Metec粉末冶金公司采用高速復壓技術可以制造出密度為7.7 g/cm3的鐵基粉末冶金零件制品。國內北京科技大學、華南理工大學也開展了粉末高速壓制技術的研究，其中北京科技大學與萊蕪新藝粉末冶金制品有限公司目前將粉體塑化改性處理和高速壓制技術相結合，已經制備出7.4 g/cm3的零件。華南理工大學提出了一種將高速壓制、溫壓和模壁潤滑相結合的溫高速壓制技術，采用該技術對純Fe粉、Fe-2.0Cu-0.6C合金粉進行了壓制成形，當壓制速度相同時，溫高速壓制制備樣品的壓坯密度比傳統的高速壓制高0.10~.14 g/cm3。高速壓制成形的壓坯密度高且分布均勻，可以成形重量在5 kg以上、最大尺寸可以達到180 mm的零件，如果能夠控制好零件尺寸精度和裝備成本，高速壓制技術的產業化前景值得期盼。
表面致密化能顯著提高粉末冶金零件(如齒輪、凸輪與軸承等)的滾動接觸疲勞與彎曲疲勞壽命，同時心部仍然保持初始相對密度，利于輕量化。因此，應用表面致密化技術可為粉末冶金高強度制品提供更廣的應用范圍。近年來，許多研究已經證明表面致密化可減小表面區域的孔隙度，從而保持心部的孔隙度，使得在很有希望改進噪聲性能的同時，提供足夠高的強度。瑞典Hoganas公司的S. Bengtsson等人考察了表面致密化后的粉末冶金齒輪的致密化效果和性能，由圖2可以看出齒輪齒面的致密化深度約為0.5mm，齒根處的致密化深度稍低些。在齒輪的品質方面，表面致密化的齒輪可以達到DIN8以及更高的級別。在齒根疲勞試驗中，表面致密化燒結齒輪的耐久性極限為33KN，而常規鍛鋼參照齒輪為31KN。在批量生產的前提下，如果能夠正確選擇材料、燒結工藝、滾壓工藝以及熱處理工藝參數，表面致密化處理的燒結齒輪的生產總成本將比傳統方法的生產成本降低30%~40%左右。
圖2 表面致密化齒輪拋光后金相試樣斷面
4.3 成形-固結一體化
現代粉末冶金工藝越來越傾向于短流程、低能耗、高效率與低成本的制造方式，各種粉末冶金新技術也不斷涌現，其中典型的成形-固結一體化技術，如噴射成形與3D打印技術，成為當前研究開發新材料的熱點。噴射成形技術基于傳統快速凝固和粉末冶金工藝，是融合材料制備和制品成形的先進技術。與鑄錠冶金相比，該技術消除了宏觀偏析和粗大晶粒，具有粉末冶金的均勻、細小、等軸晶粒的組織特點，材料的韌性、熱加工和磨削性能因而得以提升;與粉末冶金相比，它壓縮了制粉、成形、燒結等多道工序，甚至有些材料與制品可省去熱等靜壓工序，大幅降低了生產成本。鑒于該技術在高合金化尤其是易偏析的合金材料、粉末冶金復合材料制備與成形方面的突出優勢，近年來頗受重視，開發研究和生產的典型材料及制品有高溫合金、高速鋼、鋁硅合金、高鋅的鋁合金、銅鉻合金、高錫的銅合金、金屬基復合材料等，其中噴射沉積高速鋼是當前的研究熱點和技術水平的標志。
3D打印技術順應了材料一體化設計與智能化控制制造技術的發展潮流，在一些形狀結構復雜、批量較小以及難加工金屬材料的制造方面有獨特優勢。它是一種訂制化制造技術，無需機械加工與任何模具，省時省材，可較大地縮短產品的研制周期，降低成本[20]，已經在航空航天、生物醫療、汽車及其它領域得到了初步應用。目前3D打印設備基本成熟，但可用于3D打印的材料種類較少，成為制約3D打印技術發展和應用的瓶頸。金屬是最大的一類結構材料，但金屬材料占3D打印材料的比例小，其應用難點在于一般金屬的熔點較高，成形過程存在金屬的熔化與凝固致密化，必然涉及到材料的相變、擴散、傳熱以及殘余應力等問題，加上粉末顆粒流動能力、材料構建策略等因素，直接影響到材料的致密度、成形精度、微觀組織及力學性能。然而，金屬材料的3D打印制造技術無疑是最有潛力的發展方向，已開展了高品質鈦合金、鈷基高溫合金、鈦鋁合金等材料的制造研究。據報道3D打印的鈦合金零件抗疲勞強度比鍛件提高32-53%，疲勞裂紋擴散速率降低一個數量級。當前，3D打印正從起步期過渡到發展期，材料、工藝、軟件、裝備一體化綁定。我國雖然在3D打印成形技術和應用方面與國外沒有明顯代差，但在原料粉末、核心器件、軟件等方面受制于人，需在基礎研究、核心技術、工程應用創新等領域不斷努力突破。
4.4 場活化燒結
燒結是決定粉末冶金材料性能的重要環節之一。近年來，多場作用下的燒結、場活化燒結等技術也得到不斷的發展。放電等離子體燒結(Spark Plasma Sintering, SPS)就是一種先進的場活化燒結技術，它集成等離子體活化、加壓與電阻加熱對粉體材料進行燒結處理。所謂等離子體活化是指設備電源施加于粉末的脈沖電場使粉體間的空隙產生放電等離子體，一是沖擊粉末顆粒使其表層物質蒸發而產生新鮮表面，降低原子的擴散自由能，從而提高粉末的燒結活性;二是放電瞬間產生局部的高溫使粉體表面熔化，有利于形成燒結頸。SPS一般在真空環境下進行，粉體在模具中受到軸向加壓裝置的壓力，且升溫速率快、加熱均勻，能使材料在幾分鐘內達到接近100%的相對理論密度。相對于普通真空燒結、熱壓等技術，SPS能在較低的溫度以及較短的時間內完成材料的燒結，可得到晶粒組織細小均勻的產品，因而在制備細晶材料方面具有一定優勢。國內外在SPS制備高熔點氧化物、氮化物陶瓷方面有較多的研究，如氧化鋁、釔鋁石榴石、稀土氧化物等精細功能陶瓷;還用SPS技術制備了多種金屬與金屬基復合材料，如形狀記憶合金、Fe基軟磁材料;此外，還制備了難熔金屬、硬質合金材料及金屬間化合物等高溫材料。
微波燒結是利用微波電磁場與介質相互耦合形成功率耗散而轉化成熱量的原理對材料進行燒結處理，也是一種新型的活化燒結技術。由于微波加熱是物質吸收了微波能，使其內部偶極分子高頻往復運動產生“內摩擦熱”，因此材料內部每一個分子和原子都能成為發熱源，整個物料可同時均勻升溫，有別于傳統加熱方式中熱量從材料表面向內部傳導的過程，這有利于減小被燒結材料表面與內部的溫度梯度及產生的熱應力、提高材料的燒結密度、強度和韌性。微波燒結過程中材料內部的分子或離子在電磁場作用下動能增大，能有效提高擴散系數，降低燒結活化能，因而可以加快材料的燒結速率并降低燒結溫度，有利于細晶/超細晶材料的制備。由于不同物質對微波的吸收程度不同，微波燒結對材料具有選擇性。較長時期內，金屬材料因微波吸收性能差而被認為不適合用微波燒結，但隨著微波燒結技術的不斷進步，對金屬材料進行微波燒結的研究也越來越多。目前有報道的微波燒結金屬材料種類有Fe、Cu、Ni等純金屬，還有WC-Co硬質合金、鎢基合金以及磁性材料等。此外，微波加熱對不同的物相有選擇性，還可以用來研究新結構與新材料。
5展望
粉末冶金是高合金化、難加工、難熔金屬等特種高性能材料產品的主要或唯一制造方法，在現代制造業與國防領域中發揮了重要作用。我國已成為世界粉末冶金生產大國，但在高質量金屬粉末、零部件精密成形及服役性能等方面落后于歐美科技強國，新材料、新工藝的研發水平與國外領先水平相比還存在較大差距。因此，我國仍然不是粉末冶金科技強國。從行業發展的角度來看，高純度、低成本、規?；€定生產是技術發展趨勢。在粉末原料方面，應發展節約資源、環境友好的新型粉末材料，重點在超高純、超微細、高熔點、非平衡以及各種優異的物理與化學性能粉末的制備;在粉末成形與固結方面，可大力發展高效率、高精度、智能化的近凈成形與燒結技術，力爭在粉末鍛造、注射成形、活化燒結、3D打印等工藝上形成工業化成套技術，不斷提高產品的成品率與行業的競爭力。
當前粉末冶金已由一種傳統工藝技術發展成為集冶金、材料、機械制造等學科特點的新興交叉前沿學科領域，我國粉末冶金學科肩負著提升行業發展水平的重要責任，自身也面臨著機遇與挑戰，需努力加強以下幾個方面的研究：
1) 基于集成計算材料工程思想，運用多尺度的材料計算方法，研究粉末冶金材料制備和服役過程中的多層次/多尺度結構演變及其與材料宏觀性能的相關性，并對粉末冶金新材料和新工藝的設計與優化提供科學指導。
2) 以高性能粉末冶金材料制備新技術、新原理為目標，主要立足于現有的重大裝備和技術條件，發展短流程、近凈成形優勢突出的高效成形與致密化燒結技術，著重研究材料致密化的物理化學過程、最終組織結構的形成機制與控制方法。
3) 面向粉末冶金材料科學前沿，通過新的成分與結構設計，開發高性能粉末冶金結構材料，解決國民經濟和國防建設重大需求;探索新型粉末冶金功能材料，快速提升基礎研究水平和國際學術影響力;積極開展產學研合作，引領對傳統粉末冶金產業升級改造的推動和支撐作用。
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聲明：
“粉末冶金材料及其制備技術現狀與新動向” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
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編輯：吉利娜
來源：中南大學粉末冶金國家重點實驗室
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