1、3.高性能粉末冶金材料,3.0 概述 孔隙、成分、组织偏析 定义：采用传统的或特殊的粉末冶金方法所制备的性能更高的粉末冶金材料。 高性能(High Performance)： 物理性能：光、电、磁、热、辐射 等 化学性能：耐腐蚀性等 力学性能：强度、韧性 等,使用粉末冶金材料的理由,结构材料：主要考虑其力学性能功能材料：力学性能以外的性能减少偏析 成分偏析：材料不同的部位元素的比例不同 组织偏析：材料不同的部位微观结构不同 细化晶粒 直接成形，减少机加工,达成手段,有效地消除残留在材料内的一切形式的孔隙。 全致密化（Full Density Technology ） （结构材料：力学性能） 热
2、压 热等静压 热锻 热挤压 粉末轧制,粉末高温合金 粉末高速钢 粉末不锈钢 粉末钛合金,达成手段,提高密度、调整最佳组织 （功能材料：物理性能） 以磁性材料为例 粉末颗粒的大小（与一个磁畴相当） 颗粒的形状，容易取向 成分的调整,全致密化技术,全致密化技术(Full Density Technique)：热压、热等静压、热挤压、粉末热煅 近终成形(Near Net Shape Process): 优点：材料与能量的合理利用成分设计的灵活性微观组织的完整性,3.1粉末高温合金 3.1.1总论 定义：以Fe、Co、Ni为基的具有高的室温和高温强度的合金 粉末冶金、高强度、组织均匀、韧性、MA、沉淀
3、强化、弥散强化 3.1.2粉末制备与特性 雾化法、理由、偏析 3.1.2.1 惰性气体雾化 3.1.2.2真空,高温合金,以Fe、Co、Ni为基的具有高的室温与高温强度的合金。Super alloy （超合金，高温合金） 高温合金。铁基、镍基和钴基高温合金的总称。在高温时有很高的持久、蠕变和疲劳强度，其使用温度可达1100左右。其典型组织为：奥氏体基体和弥散分布于其中的强化相，它可以是碳化物相、金属间化合物相或稳定化合物质点。根据合金成分和使用上的需求，可选择电弧炉、感应炉、真空感应炉进行一次熔炼或用真空白耗炉或电渣炉对母合金进行重熔，还有用电子束或低压等离子体作为高热能源进行熔炼的工艺。在铸
4、造工艺上，除常规的精密铸造外，定向结晶和单晶技术已得到广泛应用，快速凝固粉末冶金和机械合金化工艺也是两种制备方法。高温合金广泛应用于航空、航天、舰船、机车、发电以及石油化工等工业中。,典型的高温合金简介,以Ni基高温合金为例 强化机理： 金属间化合物Ni3Al的强度随温度的升高而增大 合金元素的添加Ti、Cr、Co、Mn、W、V、Ta等 弥散强化氧化物质点等,高温合金的制造方法与最高使用温度,3.1.2.3 离心雾化1.旋转电极纯度高、分布窄2.电子束旋转 3.1.2.4 快速凝固1.成分偏析、枝晶（一次枝晶、二次枝晶）2.快速凝固技术 制粉方法： 强制对流冷却离心雾化：熔化 甩出 喷气冷却
5、连续抽丝机械粉碎 超声雾化 无偏析、颗粒细,3.1.3 固结与成形 预合金粉、成形性差、模压 3.1.3.1 HIP及类似工艺 陶瓷模（多孔）、大气压固结（细粉、强化剂、真空）、流动模 3.1.3.2 热压 3.1.3.3 热锻 3.1.3.4 喷雾锻造 3.1.4 沉淀强化高温合金 通过基体中析出和在晶界析出碳化物的高温合金,3.1.5 氧化物弥散强化型高温合金 由热稳定性好的超细氧化物质量均匀、弥散在不同高温合金基体中起补充强化作用的合金。 性能 工艺原料：MA、变形、断裂、耐蚀、方式固结、热机械加工、包套、加热、挤压加工,粉末高温合金,熔融铸造方法的问题 合金元素的偏析（各组元的凝固特性
6、不同） 强化颗粒的偏析（密度的差异、与基体的润湿性） 粉末冶金的工艺 粉末制造 配比混合 成形 烧结,粉末高温合金的制备工艺,粉末高温合金的制备工艺把包括母合金感应熔炼，制粉（氩气雾化、旋转电机雾化等），粉末预处理，粉末装套及封焊，热等静压、热处理等。其中，制粉和热处理是粉末盘制备的关键环节，高纯净度和粒度合适的优质粉末是制备高性能粉末盘的前提，而通过恰当的热处理得到理想的显微组织才能保证合金具有优异的力学性能。,喷射成形,自20世纪80年代初出现的喷射成形(Spray Forming)工艺，近年来也得到了长足进步。,该工艺最大特点是直接将液态金属制取整体致密、组织细化、成分均匀和结构完整并接
7、近零件实际形状的坯件，工序简单、成本较低，相当或高于粉末冶金工艺的强度与持久寿命等。,粉末制备,粉末的制备包括制粉和粉末处理。目前，主要制粉工艺AA法和PREP法都在积极改进工艺，尽量降低粉末粒度和杂质含量，沿着制造无陶瓷、超纯净细粉方向发展(-325目，45 m)。 目前，无陶瓷熔炼技术如等离子体冷壁坩埚熔炼，细粉制造技术如快速凝固旋转技术气体雾化和超声气体雾化等都得到发展。另外，对粉末进行真空脱气和双韧化处理(颗粒界面韧化+热处理强韧化)，提高压实盘坯的致密度和改善材料的强度和塑性，也是一个重要的研究内容。,粉末高温合金的新发展,旋转电极雾化制粉 热等静压,热处理工艺,热处理工艺是制备高性
8、能粉末高温合金的关键技术之一，由于在淬火过程中开裂问题经常发生，因此，如何选择合适的淬火介质或者合理的冷却曲线以及先进的冷却技术是降低淬裂几率是热处理过程中的重要技术环节。如可以选择比水、油或盐浴更佳冷却速度的喷射液体或气体快冷，以及采用两种冷却介质匹配形成高温区冷却速度慢低温区冷却速度快的冷却曲线，还有可以采用二级盐浴冷却等，希望从根本上消除淬火开裂问题，得到低变形、无开裂的高性能粉末高温合金。,计算机模拟技术,计算机模拟技术现在逐渐成为粉末高温合金工艺中非常重要的研究内容。目前，在欧美等国，计算机模拟技术在粉末盘生产的全过程中都得到了应用。如利用计算机模拟预测淬火过程的应力分布及温度场分布
9、情况，优化设计合金成分、热等静压包套、锻造模具等，随着粉末高温合金技术的不断发展，计算机模拟技术的应用将更为广泛。,双性能粉末盘,双性能粉末盘的特点是盘件不同部位具有不同的晶粒组织，可以满足涡轮盘实际工况需要，代表今后涡轮盘制造的发展方向。因此，制备双性能涡轮盘对研制高推重比先进航空发动机非常重要。然而双性能盘的制备技术复杂，工艺难以掌握，所以，如何完善双性能粉末盘的制备工艺以及降低生产成本都将是今后各国研究的重点。,3.2粉末钛合金 比强度、中温强度、耐蚀、资源丰富 冶炼、加工、制造费用高、活性高（Al） 3.2.1合金体系hcp bcc 882.5 元素 稳定 Al、O、N、C 稳定 Mo
10、、V、Nb中 稳定 Sn、Ge、Ca,3.2.2粉末制备 金属热还原（Mg、Na） 熔盐电解 海绵钛 破碎氢化-脆氢 离心雾化 粉末 热还原：TiO2 + 2Cl2 TiCl4 + 2COTiCl4 + 2Mg Ti + 2MgCl2氢化： 吸氢变脆（100ppm） 破碎 脆氢,3.2.3 致密化工艺 3.2.3.1 混合粉法 混料冷压成形真空烧结二次加工 成分灵活、综合效果好、节约成本、动态性能 3.2.3.2 热等静压(HIP) 准等静压 真空热压,3.2.4 性能与应用 孔隙度 预合金粉末略高 应用、耐蚀、高强度、比强度 过滤皿、飞机件 3.3 粉末高速工具钢 含有较多的W、MoCr、M
11、n、V、Co等合金元素，不仅在室温下有高的硬度、强度、耐蚀性和一定的韧性，而且在热处理后能在600保持HRC60 以上的硬度。,混合元素法,将原料钛粉和母合金粉或其他需要添加的元素粉混合后进行模压或冷等静压成形，在真空中烧结。混合元素法制备钛合金时，经415MPa冷压，致密度能够达到85%90%，再经真空烧结，致密度能够达到95%99%，控制粉末粒度能够生产出99%致密的制件。对于粉末冶金钛合金来说，只有彻底清除其中的孔隙，才能够使合金在以疲劳特性为构建性能的领域得到应用。混合元素法生产的零件成本低，但致密度也低。因此，高致密度、高性能的航空产品通常采用预合金法制备。,预合金法,将预合金化的粉
12、末采用陶瓷或金属包套封装后热等静压成形。预合金法主要用来制备全致密化、高性能的航空产品。对于全致密部件，即使是少量的污染也会使疲劳性能大幅度下降，可以用真空雾化或等离子体旋转电极工艺来制造纯净的钛粉。对于预合金法，热等静压是最基本的成形方法，但是真空热压、挤压和快速全方位压制也已被成功利用。,粉末冶金钛合金的新型制造技术 （1）新型制粉技术,雾化制粉技术制备钛粉是将钛或钛合金的液滴通过急剧冷却，形成非晶、准晶、微晶钛粉末。雾化技术对钛粉的应用，无论是对粉末冶金钛合金成分设计还是对合金的显微组织及性能，都产生了深刻的影响。雾化技术主要有二流雾化和离心雾化两类。超声雾化是气体雾化技术中较为先进的一
13、种，用高达2.5马赫的高速高频脉冲气流作为介质，具有很高的雾化效率。离心雾化技术的特点是避免了坩埚与中间包等材料的污染，是目前制备高纯、无污染球形粉末的理想技术，但是生产能力较低，成本较高。,（2）新型钛合金成形技术,钛粉激光成形技术是在惰性气体中采用大功率激光将钛粉或钛合金粉沉积载基体上预成形，制出的部件在数控设备由计算机辅助设计软件控制加工。该技术对制备小批量零件比较经济，与传统的铸造加工相比，该工艺可减少80%的废料，可以降低成本、缩短生产时间。 快速全向压制技术是将预合金粉末压制成致密零件的工艺。快速是指在全负荷下保证雅致的保压时间一般不超过5分钟，全向是指在全负荷下施加于粉末的应力状
14、态近于等静压。 粉末热锻或热轧工艺能够制取相对密度大于98%的材料，克服了一般粉末冶金零件密度低的缺点，且性能优异、材料利用率高。,粉末冶金钛合金的应用,混合元素法钛合金产品主要应用是电化学和其他的耐蚀应用的工业纯钛过滤器、化学加工工业的纯钛零件、Ti-6Al-4V零件、叶轮或旋转装置等形状复杂的零件。 预合金化法在宇航工业应用广泛，例如F-100发动机的连杆臂、F-14飞机身壳体的支撑装置、F-18飞机发动机安装座支撑配件、F-107飞机发动机的径流压气机叶轮等。,粉末冶金钛合金的发展,混合元素法与预合金化法都能够成功地制备钛合金，但成本仍然是推广应用的关键。 与常规钛合金相比，有序的钛铝金
15、属间化合物更难以热加工与机械加工。 钛合金的机械合金化研究仍处于初期阶段，但却展示了最佳作为高温应用的弥散向体积分数的潜力。 颗粒增强钛基复合材料正在设计、基体和颗粒的成分及可生产性3个方向发展。,3.3.1高速钢 牌号 合金元素的作用 W：碳化物形成元素，提高红硬性 Mo：可代替W，热淬性好 Cr：提高淬透性V提高红硬性 Co：使碳化物形成元素进入奥氏体区 C：提高硬度、淬透性,粉末冶金高速钢优异的性能,无偏析、晶粒细小、碳化物细小； 热加工性能好； 可切削性能好； 热处理变形小； 高温硬度、韧性等力学性能好； 扩大高速钢合金含量，开发新的超硬高速钢； 扩大使用领域。,3.3.2粉末高速钢及
16、制造工艺 特点：消除宏观成分与组织的不均匀碳化物颗粒大大减小减小奥氏体长大的倾向 热塑性性好，加工性改善 被磨削性提高23倍 加热时间缩短，淬硬性和回火硬度提高 提高b 、H0、KIC 热处理变形小，仅为十分之一 切削性能、刀具寿命提高24倍 成本越提高50% 铣刀、钻头、绞刀、扩孔刀、罗纹锥,工艺ASP工艺：气雾化预制合金粉、CIP成形 HIPCPM工艺：气雾化预制合金粉、包套HIP高温烧结工艺：预合金粉CIP模压烧结 3.3.3 粉末高速钢的热处理指标,高速钢粉末,高速钢粉末是将原料感应熔化，采用气雾化或水雾化工艺制备的。气雾化不锈钢粉末的松装密度高、颗粒呈球形、含氧量低；水雾化不锈钢粉末
17、呈不规则形状，适合于常规模压与烧结。,ASP工艺,将合金熔体在惰性气体中雾化成粉末，将制得的球形粉末装于薄板制的圆形包套中，尽量使粉末颗粒振动密实，然后将空气抽出，将盖焊接在包套上，以400MPa的压力将包套及置于其内的粉末进行冷等静压。随后，在100MPa、1150下，将包套压制到完全致密。压制后，按常规锻造和轧制将钢坯加工成所要求的尺寸。,冷压烧结法,传统的粉末冶金制品的生产方法，采用水雾化高速钢粉末，经还原退火，用冷模成形，或者在可变形的橡皮模型中使用冷等静压制，制成工具或零件的生坯，然后在保护气氛或真空下烧结致密化。关键技术在于粉末的脱氧处理和烧结温度的合理选择。烧结温度过低达不到10
18、0%的理论密度，过高又会引起晶界熔化过量，碳化物颗粒长大及晶粒粗化。,粉末冶金高速工具钢的热处理 粉末冶金高速工具钢的热处理工艺与轧制高速钢基本相同。化学组成相同的情况下，最佳热处理温度可能不同。热处理工序包括预热、奥氏体化、淬火、回火。 粉末冶金高速工具钢的应用 粉末冶金高速工具钢的应用包括齿轮滚铣刀、创齿刀、剃齿刀、拉刀、铲铣刀、锲形和圆形刀、高级端铣刀等。,齿轮刀具,铣刀类,拉刀类,粉末冶金高速钢的典型产品,航空发动机 涡轮转子,汽车发动机,粉末冶金高速钢的重点应用领域,粉末冶金高速钢是目前国外生产高性能、大尺寸、复杂工模具的主体选材与技术发展手段，目前总的市场需求容量约为2万吨，并在以
19、每年1015%的速度增长；我国目前的市场用量约为5001000吨，全部依赖进口。但是，从粉末高速钢在国外的发展情况来看，随着汽车、飞机制造、能源电力、高铁和大型石化装备等加工制造业向中国的转移，粉末冶金高速钢工模具的应用市场也会加速向中国集中和发展，行业预测的年需求增长率将在1530之间。未来5年，国内对粉末高速钢材料及制品的市场需求总量可达30005000吨，产值规模约为1020亿元。另外，粉末高速钢现代工业技术和产能的建立，及其在国内的应用发展，还能促进我国高档工模具产业和大型加工制造装备能力的整体提升，带动上百亿元的后续产业发展空间。,粉末冶金高速钢具有广阔的应用领域和市场发展空间,3.
20、4 粉末不锈钢 3.4.1 基本知识 Cr：耐蚀 Ni：扩大奥氏体区，提高变形能力 C：提高，形成Cr2C3，降低耐蚀性 V、Nb：晶间耐蚀，保证Cr Mn、N：提高 分类：F M A,3.4.2 粉末不锈钢的制造3.4.3 全致密化,粉末冶金不锈钢的制备,模压-烧结工艺直接生产不锈钢零件，一般采用水雾化不锈钢粉末。 冷等静压-热挤，热等静压工艺生产不锈钢管、棒等材料，一般采用气雾化不锈钢粉末。 注射成形生产三维复杂形状不锈钢零件，一般采用小于20m的雾化粉末。,粉末冶金不锈钢的制备,水雾化是目前制备不锈钢粉末的主要方法，惰性气体雾化法制备的球形粉末主要供给过滤器的生产。 不锈钢属于高合金钢，
21、粉末成形需要较高的压力，在达到相同的致密度时，比普通铁基粉末的压坯强度要低。润滑剂对不锈钢的成形非常重要，它能够明显改善粉末的松装密度、流速，从而影响压坯密度、压坯强度、脱模压力及烧结性能。不锈钢粉末硬度高，对模具磨损大，应当使用硬质合金模具。 烧结时应先在较低的温度（420540）排除润滑剂，以防止产品增碳和降低力学性能及耐腐蚀性。最终烧结温度视不锈钢的牌号而定，当要求产品性能较高时，应采用较高的烧结温度。烧结不锈钢的力学性能与烧结气氛的关系密切。气氛必须是不渗碳的。使用氢气烧结时是通过钯触媒去除氧，再用氧化铝或分子筛除水，但是由于纯氢成本高，所以工业上使用不多。使用分解氨作为烧结气氛时要求
22、其露点为-40-50，会使制品渗氮，虽然会使强度提高，但却使韧性降低。真空烧结时真空度一般维持为10mHg的压力，真空度过高时，钢中Cr的含量会降低，影响性能。,冷等静压-热挤压粉末冶金不锈钢,在感应炉内熔炼。用氮气或氢气制备的成分均匀的不锈钢球形粉末，在保护气氛下冷却，粉末的最大粒径100m，过滤后合格的粉末装入低碳钢的中空环形包套，振实后可以达到70%的理论密度，包套加盖封焊，在400500MPa的压力下冷等静压到85%90%的理论密度，然后在1200左右的温度进行热挤。包套用玻璃润滑，挤压比为4：1或更高，挤压的无缝钢管接近完全致密。,STAMP工艺,用气体水平吹走熔融漏下的液体金属，在
23、距离喷嘴一定距离处将凝固的粉末收集。筛分后将粉末装入薄钢板制的圆筒形包套中，用焊接加工包套密封。将装入包套的粉末加热到1100左右，传送到固结用的液压压机，进行高压固结，密度能够大于95%，STAMP工艺得到的材料纤维组织均匀且各向同性。,粉末冶金高氮不锈钢,氮在铁基固溶体中一个最显著和最有效的作用是稳定面心立方晶格,同时在固溶强化、晶粒细化硬化、加工硬化、应变时效、耐一般腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀方面起积极作用。高氮不锈钢的制备方法主要有熔炼法和粉末冶金法。粉末冶金法生产高氮不锈钢能够细化晶粒、减少成分和组织偏析,获得均匀的合金组元和氮的分布,能较为容易地获得更高的氮含量,可以实现近终成形，制备
24、铸锻方法难以制造的高氮钢制品，它工艺灵活、资金投入低。 目前国内外采用粉末冶金法生产高氮不锈钢主要有下列几种方式:：先制取高氮不锈钢粉末,然后采用模压烧结、粉末锻轧、热等静压等粉末冶金成形方式制备高氮不锈钢制品；将一般不锈钢粉进行模压成形、注射成形等方式加工成生坯后,在烧结过程中进行渗氮处理。 高氮不锈钢粉末的制备工艺有高压氮气熔炼-高压氮气雾化法；常压熔炼-高压氮气雾化法；固态渗氮法。 高氮不锈钢粉末的的成形是粉末冶金高氮不锈钢的另外一个关键问题。主要方法有热等静压、粉末注射成形、烧结-等自由锻造及爆炸成形等。,成分设计,铬是不锈钢中主要的耐蚀元素，而且也提高氮的溶解度，设计铬含量控制在16
25、18wt % . 氮作为固溶元素显著提高奥氏体不锈钢的强度，但并不显著损害钢的塑性和韧性，同时氮提高钢的耐腐蚀性能。氮含量0.9-1.2% 锰是较弱的奥氏体形成元素，但是能强烈稳定奥氏体组织，设计锰含量1012% 钼是形成和稳定铁素体并扩大铁素体相区的元素,钼的耐点蚀及缝隙腐蚀的能力为铬的 3倍左右 ;钢中钼含量为 23% 碳在奥氏体不锈钢中是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区的元素，但是在不锈钢中，碳常常被视为有害元素。碳含量控制应在 0.03%以下 硅的增加降低奥氏体不锈钢的耐蚀性，设计不锈钢中硅含量在0.8%以下； 硫和磷在奥氏体不锈钢中主要被视为有害杂质; 硫含量应低于0.01%，磷含
26、量应控制在0.02%以下。,Nd-Fe-B永磁材料,Nd-Fe-B永磁材料是20世纪80年代后期研究开发出的一类新型永磁材料。它具有比以往任何一种永磁材料更高的磁性能。现代科学技术和信息产业正向着集成化、小型化、超小型化、轻量化、智能化的方向发展，Nd-Fe-B永磁材料的出现，有力地促进了现代科学技术与信息产业的发展，因此在众多的领域得到了广泛的应用。,Nd-Fe-B永磁材料,Nd-Fe-B永磁材料的制造方法有热变形、粘结、烧结等，其中以烧结Nd-Fe-B永磁材料的磁性能最高。烧结Nd-Fe-B永磁材料采用的是粉末冶金的工艺，包括粉末的制备、磁场成形与烧结。,Nd-Fe-B系烧结磁体的制造工艺
27、,工序为熔炼（形成Nd2Fe14B型合金）铸锭（或铸片）破碎（或用RD法直接得到粗粉）微粉破碎（35m）磁场中成形烧结（1050110）时效处理（900500）机加工表面处理充磁。由于该类材料极易氧化，所以从熔炼到制成磁体的过程中都需要在保护气氛中进行。有的磁体还需要进行涂层等表面处理。,对磁粉的要求,粉末的颗粒尺寸小，且尺寸分布要窄，要求34m的颗粒占8090%，不要有小于1m和大于7m的颗粒存在，以保证所有的粉末颗粒都是单晶体。 粉末颗粒呈球状或近似球状。 粉末颗粒的晶体缺陷要尽可能的少。 粉末颗粒表面吸附的杂质和气体要尽可能的少，尤其是含氧量应小于1500ppm。,气流磨制粉,利用气流将
28、粉末颗粒加速到超音速使之相互对撞而破碎。两个颗粒碰撞时，产生巨大的动量，在该动量的作用下，粉末颗粒破碎成更细的粉末。该动量仅有一小部分转变为表面能，大部分转变为声能、热量和晶格畸变能量。为提高制粉效率，气流磨制粉机采用多个喷嘴，以便在磨室内形成一个物料流态化的区域。,模压成形,压力方向与取向磁场方向平行，该方法操作简便，效率高，可以制造轴向取向圆环，设备易于制造，缺点的压力不能过大，否则要破坏晶体取向，使取向读降低。 压力方向与取向磁场方向垂直，该方法的优点的取向度较高，但操作不甚方便，粉末在模腔内均匀填充较困难。,烧结,Nd-Fe-B粉末压坯的相对密度一般为5070%，颗粒间的接触是机械接触，结合强度低，颗粒可能发生弹性与塑性变形。这样的压坯不具备高性能磁体的显微组织。为了提高密度、改变颗粒之间的接触性质、提高强度、是磁体具有高性能磁体的显微组织，必须将压坯进行烧结。它是制造烧结Nd-Fe-B永磁材料的关键技术之一，对Nd-Fe-B永磁材料的性能有非常重要的影响。,
