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近些年來，由于一些新技術(shù)的興起，如機(jī)械合金化、粉末注射成形、溫壓成形、噴射成形、微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、自蔓延高溫合成、燒結(jié)硬化等，使得粉末冶金材料和技術(shù)得到了各國的普遍重視，其應(yīng)用也越來越廣泛。
一、粉末制備技術(shù)的發(fā)展
粉末冶金材料和制品不斷增多，質(zhì)量不斷提高，要求提供的粉末的種類也越來越多。為了滿足對(duì)粉末的各種要求，出現(xiàn)了各種各樣生產(chǎn)粉末的新方法。從過程的實(shí)質(zhì)來看，現(xiàn)有制粉方法大體上可歸納為兩大類，即機(jī)械法和物理化學(xué)法。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。但隨著科技的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)在粉末的制備過程中正起著越來越重要的作用。
1、機(jī)械合金化（MechanicalAlloying，MA）
機(jī)械合金化是由 Benjamin 等提出的一種制備合金粉末的高能球磨技術(shù)。它是在高能球磨條件下，利用金屬粉末混合物的反復(fù)變形、斷裂、焊合、原子間相互擴(kuò)散或發(fā)生固態(tài)反應(yīng)形成合金粉末。機(jī)械合金化是在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)合金化，不經(jīng)過氣相、液相，不受物質(zhì)的蒸氣壓、熔點(diǎn)等物理特性因素的制約，使過去用傳統(tǒng)熔煉工藝難以實(shí)現(xiàn)的某些物質(zhì)的合金化和遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)、非平衡態(tài)及新物質(zhì)的合成成為可能，因此機(jī)械合金化的理論和應(yīng)用方面的研究均顯示出十分誘人的前景。MA最初主要用于制備氧化物彌散強(qiáng)化鎳基合金。迄今為止，MA 技術(shù)已廣泛用于研制和開發(fā)各種彌散強(qiáng)化材料、高溫材料、儲(chǔ)氫材料、超導(dǎo)材料、過飽和固溶體、非晶、納米晶、準(zhǔn)晶、難熔金屬化合物、稀土硬磁合金等新材料。目前，MA是一種制備納米晶金屬粉末的重要方法。
2、噴霧干燥（Spray Drying）
噴霧干燥是指用霧化器將一定濃度的原料液噴射成霧狀液滴，并用熱空氣（或其它氣體）與霧滴直接接觸的方式使之迅速干燥，從而獲得粉粒狀產(chǎn)品的一種粉末制備過程。一般噴霧干燥過程包括四個(gè)階段：（1）料液霧化；（2）霧滴與熱干燥介質(zhì)接觸混合；（3）霧滴的蒸發(fā)干燥；（4）干燥產(chǎn)品與干燥介質(zhì)分離。制備的粉末可以根據(jù)需要，成粉狀、顆粒狀、空心球狀或團(tuán)粒狀等。原料液的形式可以是溶液、懸浮液、乳濁液等用泵可以輸送的液體。
采用噴霧干燥可以制備出質(zhì)量均一、重復(fù)性良好的粉料，并且縮短粉料的制備過程，有利于自動(dòng)化、連續(xù)化生產(chǎn)，是大規(guī)模制備優(yōu)良超微粉的有效方法。
二、粉末冶金成形技術(shù)的發(fā)展
目前，粉末冶金技術(shù)正向著高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向發(fā)展。近年來，一系列粉末冶金新的成形技術(shù)層出不窮，并呈現(xiàn)出加速發(fā)展態(tài)勢(shì)，粉末注射成形、溫壓成形、流動(dòng)溫壓成形、噴射成形、高速壓制成形等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，使得粉末高致密化成形技術(shù)得到了很大的發(fā)展。
1、粉末注射成形（PowderInjectionMolding，PIM）
粉末注射成形是傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)和先進(jìn)塑料注射成形相結(jié)合而發(fā)展形成的一門新型粉末冶金近凈成形技術(shù)。它的基本工藝過程是：首先將金屬或陶瓷粉末與有機(jī)粘結(jié)劑均勻混合，用注射成形機(jī)成形，然后將成形坯中的粘結(jié)劑脫離，最后經(jīng)燒結(jié)致密化得到最終產(chǎn)品。該技術(shù)使得粉末冶金工藝在真正意義上實(shí)現(xiàn)了三維復(fù)雜零件的成形能力。而且由于在流動(dòng)狀態(tài)下，均勻填充模腔成形，模腔內(nèi)各點(diǎn)壓力一致，密度一致，消除了傳統(tǒng)粉末冶金壓制成形不可避免的沿壓制方向的密度梯度，可以獲得組織結(jié)構(gòu)均勻、力學(xué)性能優(yōu)異的近凈成形零部件，并且產(chǎn)品的制造成本可以降低到傳統(tǒng)工藝的20%～30%。
PIM作為一種制造高質(zhì)量精密零件的近凈成形技術(shù)，具有常規(guī)粉末冶金和機(jī)加工方法無法比擬的優(yōu)勢(shì)。第一，PIM能制造許多具有復(fù)雜形狀特征的零件，如各種外部切槽、外螺紋、錐形外表面、交叉孔和盲孔、凹臺(tái)與鍵銷、加強(qiáng)筋板、表面滾花等，而這些零件無法用常規(guī)粉末冶金方法制造；第二，PIM制造的零件幾乎不需要再進(jìn)行機(jī)加工，減少了材料的消耗，材料的利用率幾乎可以達(dá)到100%；第三，PIM可以實(shí)現(xiàn)不同材料零部件的一體化制造，并且材料的適應(yīng)性廣，自動(dòng)化程度高。據(jù)初步調(diào)查，單在輕武器行業(yè)中，金屬注射成形技術(shù)有著巨大的潛在市場(chǎng)，有近25%的零部件適合于用粉末冶金注射成形技術(shù)生產(chǎn)。因此，國際上曾將其譽(yù)為最熱門的零部件成形技術(shù)。
粉末注射成形的材料已經(jīng)從早期的鐵基、硬質(zhì)合金、陶瓷等對(duì)雜質(zhì)含量不敏感、性能要求不是非?？量痰捏w系，發(fā)展到了鎳基高溫合金、鈦合金和鈮材料。材料應(yīng)用領(lǐng)域也從結(jié)構(gòu)材料向功能材料發(fā)展，如熱沉材料、磁性材料和形狀記憶合金。材料結(jié)構(gòu)也從單一均勻結(jié)構(gòu)向復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)展。
2、溫壓成形（Warm Compaction）
溫壓成形是從20世紀(jì)90年代新發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。它是采用特制的粉末加熱、粉末輸送和模具系統(tǒng)，將加有特殊潤(rùn)滑劑的混合粉末和模具加熱至130～150℃溫度進(jìn)行剛性模壓，最后采用傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝進(jìn)行致密化的技術(shù)。該技術(shù)是普通模壓技術(shù)的發(fā)展與延伸，被國際粉末冶金界譽(yù)為開創(chuàng)鐵基粉末冶金零部件應(yīng)用新紀(jì)元的新型成形技術(shù)。該技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：能以較低的成本制造出高性能的鐵基等粉末冶金零部件；提高零部件生坯密度；產(chǎn)品具有高強(qiáng)度；便于制造形狀復(fù)雜以及要求精密的零部件；密度均勻等。
目前世界上已推出的受專利保護(hù)的溫壓工藝有瑞典Hoganas AB公司的DensmixTM、美國Hoeganaes公司的AncordenseTM和加拿大Quebec Metal Powder（QMP）的Flomet WPTM等。該技術(shù)目前主要用于生產(chǎn)鐵基合金零件，同時(shí)人們正在研究用這種技術(shù)制備銅基合金、鈦合金等其它材料零件。
近年來，人們?cè)跍貕撼尚蔚幕A(chǔ)上又進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)展了流動(dòng)溫壓（Warm Flow Compaction，WFC）、Ancor MaxTD等工藝。它是以溫壓工藝為基礎(chǔ)并結(jié)合金屬注射成形（Metal Injection Molding，MIM）工藝的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來的。該工藝的顯著特點(diǎn)是將粗粉和一定比例的細(xì)粉以及熱塑性潤(rùn)滑劑進(jìn)行混合，然后按普通溫壓工藝進(jìn)行壓制，最后燒結(jié)制得成品，其關(guān)鍵技術(shù)是提高混合粉末的流動(dòng)性。該工藝具有可成形傳統(tǒng)工藝不能制備的復(fù)雜形狀零件、性能均一、高密度、低成本等特點(diǎn)。利用該工藝可成形形狀非常復(fù)雜的零件，如垂直于壓制方向上的凹槽、孔以及螺紋孔等，而不需要后續(xù)二次機(jī)械加工。
在2002年美國奧蘭多舉行的PM 2002會(huì)議上，美國Hoeganaes公司提出了一種名為Ancor MaxTD壓制技術(shù)。與常規(guī)溫壓相比，該工藝不需要加熱模沖和粉末，只需加熱陰模。并且，陰模的加熱溫度只需60～70℃，采用模內(nèi)筒式加熱器，很容易達(dá)到這一溫度。利用該工藝已成功制造出多種形狀復(fù)雜的高密度、高強(qiáng)度粉末冶金零件。如美國Hoeganaes公司利用該工藝制造出了用于汽車傳動(dòng)裝置上的行星齒輪組中的斜齒輪，其燒結(jié)密度達(dá)到了7.40g/cm3以上。
3、噴射成形（SprayForming）
噴射成形（Spray Forming）技術(shù)，也稱為噴射沉積（Spray Deposition）或噴射鑄造（Spray Casting）技術(shù)，這是20世紀(jì)80年代以來工業(yè)發(fā)達(dá)國家在傳統(tǒng)快速凝固粉末冶金（RS/PM）工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全新的先進(jìn)材料制備與成形技術(shù)。噴射成形技術(shù)的基本原理是用高壓惰性氣體將金屬液流霧化成細(xì)小液滴，并使其沿噴嘴的軸線方向高速飛行，在這些液滴尚未完全凝固之前，將其沉積到一定形狀的接收體上成形。這樣，通過合理地設(shè)計(jì)接收體的形狀和控制其運(yùn)動(dòng)方式，便可以從液態(tài)金屬直接制備出具有快速凝固組織特征，整體致密的圓棒、管坯、板坯、圓盤等不同形狀的沉積坯。
與傳統(tǒng)RS/PM工藝相比，噴射成形技術(shù)的最大特點(diǎn)就是從合金熔煉到形成特定形狀的塊體材料可通過一步操作完成，省略了傳統(tǒng)RS/PM工藝過程中粉末貯存、運(yùn)輸、壓實(shí)、燒結(jié)等多道工序，減少了材料在多環(huán)節(jié)制備過程中被氧化的可能性，降低了材料制備成本。與傳統(tǒng)鑄造工藝相比，由于噴射成形工藝過程中材料凝固速度大幅度提高，一般可達(dá)103～106℃/s，因此所制備材料的晶粒更加細(xì)小、組織更加均勻，且能夠抑制高合金化材料中的宏觀及微觀偏析，有利于使材料獲得更佳的力學(xué)性能?？捎脟娚涑尚渭夹g(shù)制備的產(chǎn)品種類繁多，產(chǎn)品形狀主要有：棒坯、管坯、板坯、環(huán)、盤等；涉及合金種類有：鋁基合金、銅基合金、鎳基高溫合金、鋼、硅基合金等；涉及應(yīng)用領(lǐng)域有：汽車、電子、航空航天和其它普通工業(yè)等。
4、高速壓制成形（HighVelocityCompaction，HVC）
高速壓制技術(shù)是瑞典Hoganas AB公司在2001年推介的一種新技術(shù)。高速壓制生產(chǎn)零件的過程和傳統(tǒng)的壓制過程工序相同；混合粉末加進(jìn)送料斗中，粉末通過送粉靴自動(dòng)填充模腔壓制成形之后，零件被頂出并轉(zhuǎn)入燒結(jié)工序。所不同的是高速壓制的壓制速度比傳統(tǒng)壓制高500～1000倍，壓機(jī)錘頭速度高達(dá)2～30m/s，液壓驅(qū)動(dòng)的錘頭質(zhì)量達(dá)5～1200kg，粉末在0.02s之內(nèi)通過高能量沖擊進(jìn)行壓制，壓制時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波。通過附加間隔0.3s的多重沖擊能達(dá)到更高的密度。與傳統(tǒng)壓制相比，高速壓制的鐵基零件密度可提高0.3g/cm3左右，因而抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度能相應(yīng)地提高20%～25%。高速壓制壓坯的徑向彈性后效很小，故脫模壓力較小，并且壓坯密度均勻，其偏差小于0.01g/cm3。該技術(shù)可以制得質(zhì)量達(dá)5kg以上的大型壓坯以及高徑比達(dá)到3的壓坯。同時(shí)，HVC技術(shù)還具有高生產(chǎn)率和低成本等特點(diǎn)。
該技術(shù)適用于制備閥門、簡(jiǎn)單齒輪、氣門導(dǎo)筒、主軸承蓋、輪轂、齒輪、法蘭、軸套與軸承套圈和凸輪凸角機(jī)構(gòu)等產(chǎn)品。目前正在繼續(xù)研究生產(chǎn)形狀更復(fù)雜的部件。
三、粉末冶金燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展
粉末冶金燒結(jié)是指粉末或粉末壓坯在適當(dāng)?shù)臏囟群蜌夥諚l件下加熱所發(fā)生的現(xiàn)象或過程。燒結(jié)工藝是決定粉末冶金制品性能的重要環(huán)節(jié)，一直是人們研究的重點(diǎn)；各種促進(jìn)燒結(jié)的方法不斷涌現(xiàn)，如微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、自蔓延高溫合成、燒結(jié)硬化等。
1、微波燒結(jié)（Microwave Sintering，MWS）
微波燒結(jié)是一種利用微波加熱來對(duì)材料進(jìn)行燒結(jié)的方法，它始于20世紀(jì)70年代。燒結(jié)中微波不僅僅只是作為一種加熱能源，其本身也是一種活化燒結(jié)過程。微波燒結(jié)技術(shù)是利用材料吸收微波能轉(zhuǎn)化為內(nèi)部分子的動(dòng)能和熱能，使得材料整體均勻加熱至一定溫度而實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)的一種方法，是快速制備高質(zhì)量的新材料和制備具有新的性能的傳統(tǒng)材料的重要技術(shù)手段。同常規(guī)燒結(jié)方法相比，由于微波能直接被吸收轉(zhuǎn)化為熱能，因此微波燒結(jié)的能量利用率高；同時(shí)，微波可對(duì)物相進(jìn)行選擇性加熱，從而獲得新材料和新結(jié)構(gòu)；并且微波燒結(jié)還具有快速加熱、燒結(jié)溫度低、細(xì)化材料組織、改進(jìn)材料性能、安全無污染等優(yōu)點(diǎn)，因而被稱為新一代燒結(jié)方法。與傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝生產(chǎn)的工件相比，用微波燒結(jié)制成的工件具有較高的密度、硬度和強(qiáng)韌性。短時(shí)間燒結(jié)產(chǎn)生均勻的細(xì)晶粒顯微結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙很少，因而具有更好的延展性和韌性。微波加熱能使工件加熱均勻，加熱速度可以高達(dá)1500℃/min，對(duì)某些材料甚至可以以很少的輸入能量實(shí)現(xiàn)2000℃以上的高溫。由于微波對(duì)大多數(shù)粉末陶瓷材料有很大的穿透性，可以均勻地加熱工件，減小高溫?zé)Y(jié)過程中的溫度梯度，從而降低由膨脹不均勻產(chǎn)生的材料變形，使迅速升溫成為可能，而且在高溫下停留的時(shí)間可以大幅度縮短，抑制晶粒的長(zhǎng)大，改善材料的物理、力學(xué)性能。到目前為止，微波燒結(jié)技術(shù)已經(jīng)成為熱固結(jié)高性能功能陶瓷、工程陶瓷、磁性材料和硬質(zhì)合金等材料的有效方法。
2、放電等離子燒結(jié)技術(shù)（Spark Plasma Sintering，SPS）
放電等離子體燒結(jié)（SPS）也稱作等離子體活化燒結(jié)（Plasma Activated Sintering，PAS）或脈沖電流熱壓燒結(jié)（Pulse Current Pressure Sintering），是20世紀(jì)90年代以來國外開始廣泛研究的一種快速燒結(jié)新工藝。它最早源于1930年美國科學(xué)家提出的脈沖電流燒結(jié)原理，但直到日本于1988年研制出第一臺(tái)工業(yè)型SPS裝置，該技術(shù)才真正引起世人的關(guān)注。由于它融等離子體活化、熱壓、電阻加熱為一體，具有燒結(jié)時(shí)間短、溫度控制準(zhǔn)確、易自動(dòng)化、燒結(jié)樣品組織均勻、致密度高等優(yōu)點(diǎn)，僅在幾分鐘之內(nèi)就使燒結(jié)產(chǎn)品的相對(duì)理論密度接近100%，而且能抑制樣品顆粒的長(zhǎng)大，提高材料的各種性能。
將瞬間、斷續(xù)、高能脈沖電流通入裝有粉末的模具上，在粉末顆粒間即可產(chǎn)生等離子放電，由于等離子體是一種高活性離子化的電導(dǎo)氣體，因此，等離子體能迅速消除粉末顆粒表面吸附的雜質(zhì)和氣體，并加快物質(zhì)高速度地?cái)U(kuò)散和遷移，
導(dǎo)致粉末的凈化、活化、均化等效應(yīng)。SPS的工藝優(yōu)勢(shì)在于：加熱均勻，升溫速度快，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品組織細(xì)小均勻，能保持原材料的自然狀態(tài)，可以得到高致密度材料，可以燒結(jié)梯度材料以及復(fù)雜形狀制品。
近年來，國內(nèi)外用SPS制備新材料的研究主要集中在傳統(tǒng)燒結(jié)工藝難以制備的材料和一些新型材料或制件，包括納米材料、功能梯度材料、精細(xì)陶瓷材料、生物材料、氧化物超導(dǎo)材料、形狀記憶合金、多孔材料、金屬間化合物以及Al粉、純WC粉、純AlN粉等。此外，SPS技術(shù)還可以用于制備金屬基復(fù)合材料（MMC）、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRC）、MnZn鐵氧體、Fe基軟磁合金等磁性材料、金屬Cu、Fe、Ni材料、MoSi2C復(fù)合制件等。
3、自蔓延高溫合成（Self—Propagation High—Temperature Synthesis，SHS）技術(shù)
自蔓延高溫合成（SHS），也稱燃燒合成（Combustion Synthesis，CS），它是一種利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，最終合成所需材料或制品的新技術(shù)。自1967年蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并提出自蔓延高溫合成的概念以來，自蔓延高溫合成在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的研究和開發(fā)，并在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。SHS技術(shù)具有高效、節(jié)能、投資少、產(chǎn)品質(zhì)量高、生產(chǎn)成本低、設(shè)備及工藝通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為多種材料及制品制備的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。自蔓延高溫合成自問世以來，已開發(fā)出6大類相關(guān)技術(shù)和工藝，即SHS制備粉體技術(shù)、SHS燒結(jié)技術(shù)、SHS致密化技術(shù)、SHS熔鑄技術(shù)、SHS焊接技術(shù)及SHS涂層技術(shù)。采用SHS技術(shù)可以制備常規(guī)方法難以得到的結(jié)構(gòu)陶瓷、梯度材料、超硬磨料、電子材料、涂層材料、金屬間化合物、復(fù)合材料以及高溫超導(dǎo)等高技術(shù)結(jié)構(gòu)材料和功能材料，也可以制備特種耐火材料、鐵合金等工業(yè)用材。目前，SHS粉末技術(shù)已成功地應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)，SHS離心法制備鋼管涂層也已成為一種逐漸成熟的工業(yè)技術(shù)。
4、燒結(jié)硬化（Sinter Hardening）
燒結(jié)硬化工藝是20世紀(jì)90年代開發(fā)出來的一種粉末冶金新工藝，其原理為粉末冶金制品在燒結(jié)冷卻階段，通過快速冷卻，使其顯微組織全部或部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，提高產(chǎn)品的硬度和強(qiáng)度。由于燒結(jié)硬化省去了燒結(jié)后的熱處理，既降低了生產(chǎn)成本，又避免了傳統(tǒng)工藝中經(jīng)燒結(jié)冷卻出爐后，再經(jīng)淬火導(dǎo)致的高熱應(yīng)力和零件變形等缺點(diǎn)，使得零件的尺寸公差和性能穩(wěn)定性得以提高。
近年來，已研發(fā)生產(chǎn)了多種用于燒結(jié)硬化的低合金鋼粉，使得在燒結(jié)爐的冷卻帶發(fā)生馬氏體相變成為可能。用于燒結(jié)硬化較廣的鋼粉是預(yù)合金化的低合金鋼粉，含有改善燒結(jié)鋼淬硬性的鎳、鉬、錳、鉻等合金元素。為了提高合金的淬透性，合金元素必須固溶在基體中。預(yù)混合、部分合金化和混合元素粉末材料依靠燒結(jié)時(shí)的擴(kuò)散過程來影響材料的合金化。因此，通常預(yù)合金粉末比混合元素粉末、部分合金化粉具有更好的淬透性。目前，燒結(jié)硬化材料在許多不同的工業(yè)和產(chǎn)品加工行業(yè)中都有潛在的應(yīng)用。
四、結(jié)束語
粉末冶金是提高材料性能和發(fā)展新材料的重要手段，已經(jīng)成為當(dāng)代材料科學(xué)發(fā)展的前沿領(lǐng)域。粉末冶金新材料、新技術(shù)、新工藝的不斷出現(xiàn)，必將促進(jìn)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和國防工業(yè)的快速發(fā)展，也必將帶給材料工程和制造技術(shù)光明的前景。近年來，我國粉末冶金行業(yè)得到了快速發(fā)展，技術(shù)水平和工藝裝備均比以前有了很大的提高，但與國外先進(jìn)技術(shù)水平相比仍存在較大差距。因此，大力開展粉末冶金新材料、新技術(shù)新工藝的研究，對(duì)提高我國粉末冶金產(chǎn)品的檔次和技術(shù)水平，縮短與國外先進(jìn)水平的差距具有非常重要的意義。
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