第7章粉末冶金技术.ppt

第七章第七章粉末冶金技术粉末冶金技术 粉末冶金粉末冶金粉末冶金是将金属粉末粉末冶金是将金属粉末(或掺入部分非金或掺入部分非金属粉末属粉末)经过成型和烧结制成金属材料或经过成型和烧结制成金属材料或机械零件的一种工艺方法。机械零件的一种工艺方法。它既可用金属粉末直接制成它既可用金属粉末直接制成(不经切削加不经切削加工，或经少量切削加工工，或经少量切削加工)符合装配要求的符合装配要求的零件，又可制造用一般冶炼方法难以生零件，又可制造用一般冶炼方法难以生产的金属材料和制品。产的金属材料和制品。一、粉末冶金的定义一、粉末冶金的定义 粉粉末末冶冶金金是是以以粉粉末末 (金金属属粉粉末末或或非非金金属属粉粉末末)为为原原料料，经经过过成成形形和和烧烧结结制制造造金金属属或或非非金金属属材材料料、复合材料以及各种类型制品的工艺过程。复合材料以及各种类型制品的工艺过程。实实际际上上，粉粉末末冶冶金金技技术术涉涉及及到到很很多多新新的的理理论论和和技技术术，内内涵涵越越来来越越丰丰富富。粉粉末末冶冶金金已已经经逐逐渐渐发发展展成成一门一门“科学科学”，而非简单的，而非简单的“工艺工艺”或或“技术技术”。二、粉末冶金工艺及技术的特点二、粉末冶金工艺及技术的特点 1.1.传统的粉末冶金工艺传统的粉末冶金工艺粉末冶金工艺的第一步是制取金属粉末、合金粉末、粉末冶金工艺的第一步是制取金属粉末、合金粉末、金属化合物粉末以及包覆粉末，第二步是将原料粉金属化合物粉末以及包覆粉末，第二步是将原料粉末通过成形、烧结以及烧结后的处理制得成品。末通过成形、烧结以及烧结后的处理制得成品。粉末冶金材料和制品的工艺流程举例如图粉末冶金材料和制品的工艺流程举例如图1 1所示所示 (1)(1)传统的粉末制备技术传统的粉末制备技术 对粉末的要求不同，所需要的制备方对粉末的要求不同，所需要的制备方法也不同。物料状态有法也不同。物料状态有固态、液态或固态、液态或气态三种气态三种。u采用固态原料制备粉末采用固态原料制备粉末从固态金属与合金制取金属与合金粉末的方法主从固态金属与合金制取金属与合金粉末的方法主要是机械粉碎法要是机械粉碎法从固态金属氧化物及盐类制取金属与合金粉末的从固态金属氧化物及盐类制取金属与合金粉末的有还原法有还原法制取金属化合物粉末的有还原制取金属化合物粉末的有还原-化合法化合法u在液态下制备粉末的方法在液态下制备粉末的方法从液态金属与合金制金属与合金粉末的雾化法从液态金属与合金制金属与合金粉末的雾化法从金属盐溶液置换和还原制金属、合金以及包覆粉末从金属盐溶液置换和还原制金属、合金以及包覆粉末的置换法、溶液氢还原法的置换法、溶液氢还原法从金属熔盐中沉淀制金属粉末的熔盐沉淀法从金属熔盐中沉淀制金属粉末的熔盐沉淀法从辅助金属浴中析出制金属化合物粉末的金属浴法从辅助金属浴中析出制金属化合物粉末的金属浴法从金属盐溶液电解制金属与合金粉末的水溶液电解法从金属盐溶液电解制金属与合金粉末的水溶液电解法从金属熔盐电解制金属和金属化合物粉末的熔盐电解从金属熔盐电解制金属和金属化合物粉末的熔盐电解法法u在气态下制备粉末的方法在气态下制备粉末的方法从金属蒸气冷凝制取金属粉末的蒸气冷凝法从金属蒸气冷凝制取金属粉末的蒸气冷凝法从气态金属羰基物离解制取金属、合金以及包覆从气态金属羰基物离解制取金属、合金以及包覆粉末的羰基物热离解法粉末的羰基物热离解法从气态金属卤化物气相还原制取金属、合金粉末从气态金属卤化物气相还原制取金属、合金粉末以及金属、合金涂层的气相氢还原法以及金属、合金涂层的气相氢还原法从气态金属卤化物沉积制取金属化合物粉末以及从气态金属卤化物沉积制取金属化合物粉末以及涂层的化学气相沉积法涂层的化学气相沉积法 从过程的实质来看，现有制粉方法大体上可归纳从过程的实质来看，现有制粉方法大体上可归纳为两大类，即为两大类，即机械法机械法机械法机械法和和物理化学法物理化学法物理化学法物理化学法。机械法是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本机械法是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本上不发生变化；上不发生变化；物理化学法是借助化学的或物理的作用，改变原物理化学法是借助化学的或物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的。材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的。粉末的生产方法很多，从工业规模而言，应用最粉末的生产方法很多，从工业规模而言，应用最广泛的是还原法、雾化法和电解法；而气相沉积广泛的是还原法、雾化法和电解法；而气相沉积法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。(2)(2)粉末成形粉末成形成成形形前前要要进进行行物物料料准准备备。物物料料准准备备包包括括粉粉末末的的预预处处理理(如如粉粉末末加加工工、粉粉末末退退火火、粉粉末末的的分分级级、粉粉末末的混合和粉末的干燥等。的混合和粉末的干燥等。成成形形的的目目的的是是制制得得一一定定形形状状和和尺尺寸寸的的压压坯坯，并并使使其其具具有有一一定定的的密密度度和和强强度度。成成形形方方法法基基本本上上分分加加压压成成形形和和无无压压成成形形两两类类;加加压压成成形形中中用用得得最最普普遍遍的的是是模模压压成成形形，简简称称压压制制。其其他他加加压压成成形形方方法法有有等等静静压压成成形形、粉粉末末轧轧制制、粉粉末末挤挤压压等等。粉粉浆浆浇浇注注是是一种无压成形技术。一种无压成形技术。(3)(3)烧结技术烧结技术烧结是粉末冶金的关键工序。成形后的压坯或坯块烧结是粉末冶金的关键工序。成形后的压坯或坯块通过烧结可得到所要求的物理机械性能。通过烧结可得到所要求的物理机械性能。烧结分单元系烧结和多元系烧结。烧结分单元系烧结和多元系烧结。不论单元系或多元系的固相烧结，其烧结温度都比不论单元系或多元系的固相烧结，其烧结温度都比所含金属与合金的熔点低；而多元系的液相烧结，所含金属与合金的熔点低；而多元系的液相烧结，其烧结温度比其中难熔成分的熔点低，但高于易熔其烧结温度比其中难熔成分的熔点低，但高于易熔成分的熔点。成分的熔点。一般来说，烧结是在保护气氛下进行的。除了普通一般来说，烧结是在保护气氛下进行的。除了普通烧结方法外，还有松装烧结、将金属渗入烧结骨架烧结方法外，还有松装烧结、将金属渗入烧结骨架中的熔浸法、压制和烧结结合一起进行的热压等。中的熔浸法、压制和烧结结合一起进行的热压等。2.2.粉末冶金技术的特点粉末冶金技术的特点 粉末冶金在技术上和经济上具有一系列的特点。粉末冶金在技术上和经济上具有一系列的特点。p从制取材料方面来看，粉末冶金方法能生产具有从制取材料方面来看，粉末冶金方法能生产具有特殊性能的结构材料、功能材料和复合材料。特殊性能的结构材料、功能材料和复合材料。能控制制品的孔隙度，例如，可生产各种多孔材料、多孔含油轴能控制制品的孔隙度，例如，可生产各种多孔材料、多孔含油轴承等承等;能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种特殊性能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种特殊性能的材料，例如，钨能的材料，例如，钨-铜假合金型的电触头材料、金属和非金属铜假合金型的电触头材料、金属和非金属组成的摩擦材料等组成的摩擦材料等;能生产各种复合材料，例如，由难熔化合物和金属组成的硬质合能生产各种复合材料，例如，由难熔化合物和金属组成的硬质合金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。pp粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法相粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法相粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法相粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法相比，性能优越比，性能优越比，性能优越比，性能优越:高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好，例如，高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好，例如，粉末高速钢、粉末超合金可避免成分的偏析，保证合粉末高速钢、粉末超合金可避免成分的偏析，保证合金具有均匀的组织和稳定的性能，同时，这种合金具金具有均匀的组织和稳定的性能，同时，这种合金具有细晶粒组织使热加工性大为改善有细晶粒组织使热加工性大为改善;生产难熔金属材料或制品，一般要依靠粉末冶金法，生产难熔金属材料或制品，一般要依靠粉末冶金法，例如，钨、铝等难熔金属，即使用熔炼法能制造，但例如，钨、铝等难熔金属，即使用熔炼法能制造，但比粉末冶金的制品的晶粒要粗，纯度要低。比粉末冶金的制品的晶粒要粗，纯度要低。pp粉末冶金法制造机械零件是一种少切屑，无切屑粉末冶金法制造机械零件是一种少切屑，无切屑粉末冶金法制造机械零件是一种少切屑，无切屑粉末冶金法制造机械零件是一种少切屑，无切屑的新工艺，可以大量减少机加工量，节约金属材的新工艺，可以大量减少机加工量，节约金属材的新工艺，可以大量减少机加工量，节约金属材的新工艺，可以大量减少机加工量，节约金属材料，提高生产率料，提高生产率料，提高生产率料，提高生产率总之，粉末冶金法既是一种能生产具有特殊性能材料总之，粉末冶金法既是一种能生产具有特殊性能材料的技术，又是一种制造廉价优质机械零件的工艺。的技术，又是一种制造廉价优质机械零件的工艺。但粉末冶金在应用上也有不足之处。例如，粉末成本但粉末冶金在应用上也有不足之处。例如，粉末成本高、粉末冶金制品的大小和形状受到一定的限制，烧高、粉末冶金制品的大小和形状受到一定的限制，烧结零件的韧性较差等等。但是，随着粉末冶金技术的结零件的韧性较差等等。但是，随着粉末冶金技术的发展，这些问题正在逐步解决中，例如，等静压成形发展，这些问题正在逐步解决中，例如，等静压成形技术已能压制较大的和异形的制品；粉末冶金锻造技技术已能压制较大的和异形的制品；粉末冶金锻造技术已能使粉末冶金材料的韧性大大提高等。术已能使粉末冶金材料的韧性大大提高等。粉粉末末冶冶金金由由于于其其技技术术上上和和经经济济上上的的巨巨大大优优越越性性，在在国国民民经经济济和和国国防防建建设设中中起起着着非非常常重重要要的的作作用用。美美国国国国家家科科学学基基金金委委员员会会在在向向美美国国总总统统和和国国会会提提交交的的“科科学学展展望望”中中对对粉粉末末冶冶金金和和快快速速凝凝固固技技术术曾曾作作过过如如下下论论述述：“这这些些技技术术的的出出现现和和发发展展，将将对对运运输输、空空间间、能能源源系系统统提提供供大大量量的的经经济济利利益益，并并且且将将加加强强美美国国的的工工业业基基础础，有有可可能能对对美美国国工工业业生生产产局局面面产产生生相相当当大大的的冲冲击击”。世世界界上上许许多多发发达达国国家家把把粉粉末末冶冶金金的的发发展展放放在在重重要要地地位位，将将现现代代粉粉末末冶冶金金称称作作为为“Advanced Metallurgy”(现现代代冶冶金学金学)。三、粉末冶金技术的三、粉末冶金技术的发展现状与趋势发展现状与趋势 (一一一一)制备技术的发展概况制备技术的发展概况制备技术的发展概况制备技术的发展概况二十世纪下半叶以来，粉末冶金有了突破性进展，二十世纪下半叶以来，粉末冶金有了突破性进展，一系列新技术、新工艺大量涌现，例如；超微粉或一系列新技术、新工艺大量涌现，例如；超微粉或纳米粉制备技术，快速冷凝技术，溶胶纳米粉制备技术，快速冷凝技术，溶胶-凝胶技术，凝胶技术，机械合金化，粉末热等静压，热结机械合金化，粉末热等静压，热结/热等静压，粉热等静压，粉末热锻、粉末挤压，粉末轧制，超塑性等温锻造，末热锻、粉末挤压，粉末轧制，超塑性等温锻造，粉末喷射成形，自蔓延高温合成技术，粉末注射成粉末喷射成形，自蔓延高温合成技术，粉末注射成形，流涎成形，爆炸成形，梯度材料复合技术，形，流涎成形，爆炸成形，梯度材料复合技术，CVDCVD，PVDPVD和和PCVDPCVD技术，电火花烧结，反应烧结，超技术，电火花烧结，反应烧结，超固相线烧结，瞬时液相烧结，微波烧结等。固相线烧结，瞬时液相烧结，微波烧结等。1.1.粉末制造技术的发展粉末制造技术的发展近几十年来，粉末制造技术得到迅速发展，特别近几十年来，粉末制造技术得到迅速发展，特别是快速冷凝雾化技术、机械合金化技术、超微粉是快速冷凝雾化技术、机械合金化技术、超微粉末制造技术的产生和发展使粉末制造朝着超微、末制造技术的产生和发展使粉末制造朝着超微、超细、速凝、高纯、均质、成分可控、大规模、超细、速凝、高纯、均质、成分可控、大规模、多品种的方向发展。多品种的方向发展。1)快速冷凝雾化制粉技术。快速冷凝雾化制粉技术。作为粉末冶金新技术，第一个引入注目的技术就作为粉末冶金新技术，第一个引入注目的技术就是快速凝固制粉技术，快速冷凝制取金属粉末是是快速凝固制粉技术，快速冷凝制取金属粉末是指金属或合金的熔滴通过急剧冷却，形成非晶、指金属或合金的熔滴通过急剧冷却，形成非晶、准晶和微晶金属粉末的技术。它的出现无论对粉准晶和微晶金属粉末的技术。它的出现无论对粉末合金成分的设计还是对粉末合金的微观结构以末合金成分的设计还是对粉末合金的微观结构以及宏观特性都产生了深刻影响，它给高性能粉末及宏观特性都产生了深刻影响，它给高性能粉末冶金材料制备开辟了一条崭新道路，有力地推动冶金材料制备开辟了一条崭新道路，有力地推动了粉末冶金的发展。了粉末冶金的发展。快速凝固技术的产生及发展快速凝固技术的产生及发展 (一一一一)快速凝固的内涵快速凝固的内涵快速凝固的内涵快速凝固的内涵 常规铸造合金之所以会出现常规铸造合金之所以会出现晶粒粗大、偏析晶粒粗大、偏析晶粒粗大、偏析晶粒粗大、偏析严重、铸造性能严重、铸造性能严重、铸造性能严重、铸造性能不好不好不好不好等严重缺陷，主要原因是合等严重缺陷，主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小，而这又是由金凝固时的过冷度和凝固速度很小，而这又是由于它们于它们凝固时的冷速很小凝固时的冷速很小凝固时的冷速很小凝固时的冷速很小引起的。因此，要消除引起的。因此，要消除铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的障碍，核心是要提高熔体凝固时的过冷度，从而障碍，核心是要提高熔体凝固时的过冷度，从而提高了合金的凝固速度。提高了合金的凝固速度。实现快速凝固效果的两类方法实现快速凝固效果的两类方法 ：动力学方法动力学方法设法提高熔体凝固时的传热速度从而提高凝固设法提高熔体凝固时的传热速度从而提高凝固时的冷速，使熔体形核时间极短，来不及在乎时的冷速，使熔体形核时间极短，来不及在乎衡熔点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低衡熔点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低温度下凝固，因而具有很大的凝固过冷度和凝温度下凝固，因而具有很大的凝固过冷度和凝固速度。固速度。具体措施：具体措施：l急冷凝固技术急冷凝固技术(Rapidly Quenching Technology或或RQT)l熔体淬火技术熔体淬火技术(Melt Quenching Technology或或MQT)。静力学方法静力学方法 针对通常铸造合金都是在针对通常铸造合金都是在非均匀形核非均匀形核条件下凝固，因条件下凝固，因而针对合金凝固过冷度很小的问题，设法提供而针对合金凝固过冷度很小的问题，设法提供近似均近似均匀形核匀形核的条件。在这种条件下凝固时，尽管冷速不高的条件。在这种条件下凝固时，尽管冷速不高但也同样可以达到很大的凝固过冷度，从而提高凝固但也同样可以达到很大的凝固过冷度，从而提高凝固速度。具体实现这种方法的技术一般称为速度。具体实现这种方法的技术一般称为大过冷技术大过冷技术(Large Undercooling TechnologyLarge Undercooling Technology)。快快速速凝凝固固技技术术急冷凝固急冷凝固大过冷大过冷雾化技术雾化技术 技术特点技术特点:使熔体在离心力、机械力或窝速流体冲使熔体在离心力、机械力或窝速流体冲击力等外力作用下分散成尺寸极小的雾击力等外力作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触状熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中迅速冷却凝固。中迅速冷却凝固。(1)(1)双流雾化法双流雾化法(Twin Fluid Atomization)(Twin Fluid Atomization)这类方法是通过高速、高压工作介质流体对熔体流这类方法是通过高速、高压工作介质流体对熔体流的冲击作用把熔体分离成很细的熔滴，并通过对流的冲击作用把熔体分离成很细的熔滴，并通过对流的方式散热而迅速冷凝。的方式散热而迅速冷凝。熔体凝固的冷速主要取决于工作介质的密度、熔体熔体凝固的冷速主要取决于工作介质的密度、熔体和工作介质的传热能力特别是熔滴的直径决备而熔和工作介质的传热能力特别是熔滴的直径决备而熔滴的直径又受熔体过热温度、熔体流直径、雾化压滴的直径又受熔体过热温度、熔体流直径、雾化压力和喷嘴设计等雾化参数控制。力和喷嘴设计等雾化参数控制。A.A.水雾化法与气体雾化法水雾化法与气体雾化法 根据雾化介质根据雾化介质(气气流、水流流、水流)对金属液对金属液流作用的方式不同，流作用的方式不同，雾化具有多种形式：雾化具有多种形式：平行喷射平行喷射(气流与金气流与金属液流平行属液流平行)垂直喷射垂直喷射(气流或水气流或水流与金属液流互成垂流与金属液流互成垂直方向直方向)水雾化时，控制好以下条件可以得水雾化时，控制好以下条件可以得细粉末细粉末细粉末细粉末：水：水的压力高，水的流速、流量大，金属液流直径小，的压力高，水的流速、流量大，金属液流直径小，过热温度高，金属的表面张力和粘度小，金属液流过热温度高，金属的表面张力和粘度小，金属液流长度短，喷射长度短，喷射顶角适当等。长度短，喷射长度短，喷射顶角适当等。控制好以下条件可以得控制好以下条件可以得球形粉末球形粉末球形粉末球形粉末：金属表面张：金属表面张力要大，过热温度高，水的流速低，喷射顶角大，力要大，过热温度高，水的流速低，喷射顶角大，液流飞行路程长等。液流飞行路程长等。水雾化时，金属液过热温度低水压高，水的流水雾化时，金属液过热温度低水压高，水的流速大以及液滴飞行路程短可以得到显微组织较细且速大以及液滴飞行路程短可以得到显微组织较细且具有致密颗粒结构的粉末。具有致密颗粒结构的粉末。气体雾化所得的粉末多为表面光滑的球气体雾化所得的粉末多为表面光滑的球形，而水雾化法制得的粉末形状不规则。形，而水雾化法制得的粉末形状不规则。但水雾化工艺由于采用了密度较高的水但水雾化工艺由于采用了密度较高的水做雾化工作介质，所以达到的凝固冷速做雾化工作介质，所以达到的凝固冷速要比一般气体雾化法高一个数量级。要比一般气体雾化法高一个数量级。B.B.超声气体雾化法超声气体雾化法(USGA)(USGA)利用速度高达利用速度高达2.52.5马赫的高速高频马赫的高速高频(80(80100kHz)100kHz)脉冲气流代替了水流。这种超声气体由一系列脉冲气流代替了水流。这种超声气体由一系列HartmanHartman冲击波管产生，气体多用氩气等惰性气体冲击波管产生，气体多用氩气等惰性气体以便防止粉末氧化污染。以便防止粉末氧化污染。高速高频脉动气流可以把熔体流分离成更细，高速高频脉动气流可以把熔体流分离成更细，更均匀的熔滴，并且熔体也不是象水雾化方法中更均匀的熔滴，并且熔体也不是象水雾化方法中经过三个阶段，而是直接分离成细小熔滴冷凝成经过三个阶段，而是直接分离成细小熔滴冷凝成粉末。粉末。C.C.高速旋转筒雾化法高速旋转筒雾化法(RSC)(RSC)经感应加热熔化后的熔体流从石英管中喷经感应加热熔化后的熔体流从石英管中喷射到旋转筒内层的冷却液即淬火液中，冷却液射到旋转筒内层的冷却液即淬火液中，冷却液可以选用水、碳氢化合物或低温流体。熔体流可以选用水、碳氢化合物或低温流体。熔体流在旋转的冷却液冲击下雾化分离成熔摘并冷凝在旋转的冷却液冲击下雾化分离成熔摘并冷凝成纤维或粉末，然后在离心力作用下飞出。成纤维或粉末，然后在离心力作用下飞出。由于圆筒旋转的速度高达由于圆筒旋转的速度高达8000800016000r16000rminmin，因此随筒旋转的冷却液可将熔体分离成，因此随筒旋转的冷却液可将熔体分离成较小的熔滴，井消除熔滴外围可能影响传热的较小的熔滴，井消除熔滴外围可能影响传热的气体层，所以采用这种方法可以获得较高的冷气体层，所以采用这种方法可以获得较高的冷速。速。(2)(2)离心雾化法离心雾化法(Centrifugal(Centrifugal Atomization)Atomization)利用机械旋转造成的离心力将金属液流破利用机械旋转造成的离心力将金属液流破碎成微细的液滴，然后冷却凝结成粉末。最碎成微细的液滴，然后冷却凝结成粉末。最早的是旋转圆盘雾化，后来有旋转水流雾化，早的是旋转圆盘雾化，后来有旋转水流雾化，旋转电极雾化，旋转坩埚雾化等。旋转电极雾化，旋转坩埚雾化等。A.A.旋转回盘雾化旋转回盘雾化 从漏嘴从漏嘴(直径直径68mm)mm)流出的金属液流被具有一流出的金属液流被具有一定压力定压力(4(48 8公斤公斤/厘米厘米2 2)的引到转动的圆盘上，被的引到转动的圆盘上，被圆盘上特殊的叶片所击碎，圆盘上特殊的叶片所击碎，并迅速冷却成粉末收集起并迅速冷却成粉末收集起来。通过改变圆盘的转数来。通过改变圆盘的转数(1500(15002500rpm)2500rpm)、叶片、叶片的形状和数目可以调节粉的形状和数目可以调节粉末的粒度。末的粒度。B.B.快速凝固雾化法快速凝固雾化法(RSR)(RSR)这种方法是出以生产快速凝固这种方法是出以生产快速凝固合金著名的美国合金著名的美国PrattPrattWhitneyWhitney公司研究、开发的工艺，也称为公司研究、开发的工艺，也称为离心雾化法离心雾化法(CAF)(CAF)。熔化的合金熔体从石英坩埚中喷熔化的合金熔体从石英坩埚中喷射到一个表面刻有沟槽的圆盘形射到一个表面刻有沟槽的圆盘形雾化器上，圆盘以高达雾化器上，圆盘以高达3500r/min3500r/min的速度旋转，使喷到的速度旋转，使喷到盘上的熔体雾化成细小的熔滴并盘上的熔体雾化成细小的熔滴并在离心力作用下向外喷出，同时在离心力作用下向外喷出，同时惰性气流沿与熔滴运动几乎垂直惰性气流沿与熔滴运动几乎垂直的方向高速流动，使浸没在其中的方向高速流动，使浸没在其中的熔滴迅速凝固成粉末。的熔滴迅速凝固成粉末。(3)(3)机械雾化和其它雾化法机械雾化和其它雾化法 这类雾化方法是通过机械力这类雾化方法是通过机械力的作用或者电场力等其它作用分的作用或者电场力等其它作用分离和雾化熔体然后冷凝成粉末。离和雾化熔体然后冷凝成粉末。A.A.双辊雾化法双辊雾化法双辊雾化法双辊雾化法(Twin Roll Atomization)(Twin Roll Atomization)熔体流在喷入高速相对旋熔体流在喷入高速相对旋转的辊轮间隙时形成空穴并被分转的辊轮间隙时形成空穴并被分离成直径小至离成直径小至3030 m m的熔滴，雾化的熔滴，雾化的熔滴可经气流、水流或固定于的熔滴可经气流、水流或固定于两辊间隙下方的第三个辊轮冷却两辊间隙下方的第三个辊轮冷却凝固成不规则的粉末或薄片。凝固成不规则的粉末或薄片。u普通气体雾化通过高速摄影装置观察到如下阶段：普通气体雾化通过高速摄影装置观察到如下阶段：熔融金属液流熔融金属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体颗粒固体颗粒美国学者美国学者J.TallmadgeeJ.Tallmadgee提出，在普通气体雾化下部喷射区内，提出，在普通气体雾化下部喷射区内，金属液粒的速度金属液粒的速度u(mu(ms)s)为距离顶角高度为距离顶角高度z z的函数在距离顶角的函数在距离顶角0.10.4m内，金属液粒速度的衰减可用内，金属液粒速度的衰减可用u=Aeu=Ae-BZ-BZ(A=18.5(A=18.5，Z=0.8)Z=0.8)来描述根据这个公式，假设气体雾化粗颗粒的冷凝速来描述根据这个公式，假设气体雾化粗颗粒的冷凝速度为度为10102 210103 3K/sK/s，则在，则在0.10.10.4m0.4m区域内，金属液粒速度下降区域内，金属液粒速度下降至至1718m/s，跨越该区蜮的时间为，跨越该区蜮的时间为0.0060.03s，金属液体的温，金属液体的温度降低得比较少，因此只要把熔体稍微过热或熔体具有一定过度降低得比较少，因此只要把熔体稍微过热或熔体具有一定过冷度，则大多数粗颗粒在此区域呈现熔融液粒状态冷度，则大多数粗颗粒在此区域呈现熔融液粒状态u对于旋转盘雾化、超声雾化、双辊雾化等诸多的快对于旋转盘雾化、超声雾化、双辊雾化等诸多的快速凝固制粉装置来说，仍然不能通过破碎成液粒的速凝固制粉装置来说，仍然不能通过破碎成液粒的瞬间将熔体直接冷至固态在旋转盘雾化法中被高瞬间将熔体直接冷至固态在旋转盘雾化法中被高速旋转盘离心雾化的颗粒并未速凝，而主要靠高速速旋转盘离心雾化的颗粒并未速凝，而主要靠高速喷入的氦气快速冷凝而在双辊雾化法中，被双辊喷入的氦气快速冷凝而在双辊雾化法中，被双辊雾化的液粒则是靠淬冷池或第三辊冷凝雾化的液粒则是靠淬冷池或第三辊冷凝(又称三辊又称三辊雾化法雾化法)，即使在超声雾化中，离喷嘴，即使在超声雾化中，离喷嘴1m1m左右区域左右区域仍有颗粒尚未凝固，若在其间设置隔板仍有碎化颗仍有颗粒尚未凝固，若在其间设置隔板仍有碎化颗粒效果特别是粉末制备量较大时，绝大多数快冷粒效果特别是粉末制备量较大时，绝大多数快冷制粉装置均不能在雾化成液粒的瞬间速凝制粉装置均不能在雾化成液粒的瞬间速凝u根据以上分析得知，在熔融金属液流雾化成液粒到急根据以上分析得知，在熔融金属液流雾化成液粒到急冷成固体颗粒前均存在一个熔融金属过冷区域另外，冷成固体颗粒前均存在一个熔融金属过冷区域另外，熔体的冷凝效果不仅取决于熔体接触的热沉的导热速熔体的冷凝效果不仅取决于熔体接触的热沉的导热速率、熔体散热面积，而且取决于熔体和热沉接触时间率、熔体散热面积，而且取决于熔体和热沉接触时间(即熔体和热沉的接触方式即熔体和热沉的接触方式)因此，往往可借助于提因此，往往可借助于提高金属熔液的加热温度，缩短和热沉接触时间，人为高金属熔液的加热温度，缩短和热沉接触时间，人为地制造一个地制造一个“中间待凝区域中间待凝区域”问题的关键是熔融金问题的关键是熔融金属过冷区域和中间待凝区域在制备快速凝固粉末中有属过冷区域和中间待凝区域在制备快速凝固粉末中有何作用，是否能在这个区域进一步雾化粉碎，然后急何作用，是否能在这个区域进一步雾化粉碎，然后急冷凝固，即把一个单纯的快冷过程变成一个雾化冷凝固，即把一个单纯的快冷过程变成一个雾化+粉粉碎碎+急冷的多级过程急冷的多级过程 2)2)机械合金化机械合金化(MA)(MA)技术技术机械合金化制粉工艺是北美国际镍公司机械合金化制粉工艺是北美国际镍公司BenjaminBenjamin等人于等人于19701970年开发成功的一种年开发成功的一种新型制粉工艺。机械合金化是通过各合新型制粉工艺。机械合金化是通过各合金纪元的粉末在高能球磨机中，粉末颗金纪元的粉末在高能球磨机中，粉末颗粒之间、粉末颗粒与磨球之间长时间发粒之间、粉末颗粒与磨球之间长时间发生非常激烈的研磨，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，其过程反复进行，最终达到机械合化，其过程反复进行，最终达到机械合金化的目的。金化的目的。（1 1）机械合金化的特点）机械合金化的特点机械合金化的特点是它所制备的复合粉末其成机械合金化的特点是它所制备的复合粉末其成分可以任意选择和调节。它是一种制造弥散强分可以任意选择和调节。它是一种制造弥散强化复合合金的理想技术，可使得弥散相达到最化复合合金的理想技术，可使得弥散相达到最佳分散度和粒度。目前佳分散度和粒度。目前MAMA技术主要为制造高性技术主要为制造高性能复合材料、弥散强化高温台金提供优质原料。能复合材料、弥散强化高温台金提供优质原料。特别是近年来，采用特别是近年来，采用MAMA技术制造加非晶、准晶技术制造加非晶、准晶和微晶粉末、金属间化台物和纳米粉末引起和微晶粉末、金属间化台物和纳米粉末引起了材料科学界的极大重视。了材料科学界的极大重视。（2 2）机械合金化技术的发展概况机械合金化技术的发展概况 机械合金化机械合金化(Mechanical Alloying(Mechanical Alloying，简称，简称MA)MA)是指金是指金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与球之间长时属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与球之间长时间发生激烈地冲击碰撞，粉末颗粒反复产生冷焊、断裂。间发生激烈地冲击碰撞，粉末颗粒反复产生冷焊、断裂。形成机械合金化粉末的一种制备特殊粉末的工艺。形成机械合金化粉末的一种制备特殊粉末的工艺。机械合金化粉末并不像金属熔铸后形成合金材料那样，机械合金化粉末并不像金属熔铸后形成合金材料那样，后者各组元之间充分达到原子间结合，形成均匀的固溶体后者各组元之间充分达到原子间结合，形成均匀的固溶体和化合物，而前者在大多数情况下，在有限的球磨时间内和化合物，而前者在大多数情况下，在有限的球磨时间内仅仅是各组元在那些相接触的点、线和面上达到或趋近原仅仅是各组元在那些相接触的点、线和面上达到或趋近原子级距离，并且最终得到的只是各组元分布十分均匀的混子级距离，并且最终得到的只是各组元分布十分均匀的混合物和复合物。球磨时间非常长时，在某些体系中也可能合物和复合物。球磨时间非常长时，在某些体系中也可能通过固态扩散，各组元达到原子间结合而形成合金。通过固态扩散，各组元达到原子间结合而形成合金。采用快速凝固技术可以大幅度提高合金采用快速凝固技术可以大幅度提高合金的固溶体极限，机械合金化技术也是如此。的固溶体极限，机械合金化技术也是如此。19851985年年SchwarzSchwarz等人发现在经过机械合等人发现在经过机械合金化的钛和镍粉末中，金化的钛和镍粉末中，TiTi在面心立方在面心立方NiNi中固溶中固溶度高达度高达28wt%28wt%，而平衡相图预测的，而平衡相图预测的TiTi在在NiNi中的中的固溶度为百分之几。固溶度为百分之几。19901990年年PolkinPolkin等人系统报道了由机械合等人系统报道了由机械合金化所引起的固溶度增大现象，他们所研究的金化所引起的固溶度增大现象，他们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，发现了大的固溶度扩展现象。发现了大的固溶度扩展现象。固溶度增大现象固溶度增大现象 机械合金化是少数几种能将两种或多种非机械合金化是少数几种能将两种或多种非互溶相均匀混合的方法之一。实际上弥散强化合互溶相均匀混合的方法之一。实际上弥散强化合金就是如此，金就是如此，BenjaminBenjamin介绍了有限互溶介绍了有限互溶wt%Cuwt%Cu均匀均匀混合物和在液态存在非互溶间隙的混合物和在液态存在非互溶间隙的Cu-PbCu-Pb合金机械合金机械合金化过程。合金化过程。SchlumpSchlump等人发现在等人发现在Fe-W,Cu-TaFe-W,Cu-Ta等非等非互溶合金系中，用机械研磨方法可以生成纳米晶互溶合金系中，用机械研磨方法可以生成纳米晶尺寸的弥散相。尺寸的弥散相。不互溶合金系不互溶合金系问题问题 进入进入9090年代，许多科学工作者又采用机械合金化技术制备年代，许多科学工作者又采用机械合金化技术制备纳米晶材，金属间化合物，功能材料等，使机械合金技术的研纳米晶材，金属间化合物，功能材料等，使机械合金技术的研究又掀起一个新的高潮。究又掀起一个新的高潮。19881988年日本京都大学新宫教授等人首先报导了高能球磨法年日本京都大学新宫教授等人首先报导了高能球磨法制备制备Al-FeAl-Fe纳米晶材料，为纳米晶材料的制备和应用找出一条纳米晶材料，为纳米晶材料的制备和应用找出一条实用化的途径。研究表明，纳米晶材料可通过元素粉末，金属实用化的途径。研究表明，纳米晶材料可通过元素粉末，金属间化合物粉末、非互溶合金系粉末的球磨来合成。目前已在间化合物粉末、非互溶合金系粉末的球磨来合成。目前已在FeFe、CrCr、NbNb、W W、ZrZr、HfHf、RuRu等纯金属粉末中得到纳米晶。在等纯金属粉末中得到纳米晶。在Ag-CuAg-Cu、Al-FeAl-Fe、Fe-CuFe-Cu系中得到纳米结构的固溶体，在系中得到纳米结构的固溶体，在Cu-TaCu-Ta、Cu-WCu-W系系中得到纳米结构的亚稳相；在中得到纳米结构的亚稳相；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等合金体系中得到等合金体系中得到纳米金属间化合物。纳米金属间化合物。MA制备制备纳米材料纳米材料 19891989年年SchafferSchaffer等人发现通过机械合金化等人发现通过机械合金化自蔓燃反应可以将某些金属从它的氧化物中还自蔓燃反应可以将某些金属从它的氧化物中还原出来；原出来；19901990年年AtzmonAtzmon等人发现等人发现Ni-AlNi-Al球磨有球磨有自蔓燃高温合成现象后，自蔓燃高温合成反应自蔓燃高温合成现象后，自蔓燃高温合成反应机械合金化成为研究热点，利用自蔓燃反应，机械合金化成为研究热点，利用自蔓燃反应，缩短了球磨时间，能制备多种金属间化合物。缩短了球磨时间，能制备多种金属间化合物。MA诱发诱发SHS反应反应 近年来，采用机械合金化制备磁性材料、近年来，采用机械合金化制备磁性材料、超导材料、储氢材料、热电材料及功能梯度材料超导材料、储氢材料、热电材料及功能梯度材料等方面的研究取得了突出进展。如，采用等方面的研究取得了突出进展。如，采用MAMA制备制备的的SmSm2 2FeFe1717N Nx x永磁材料，采用永磁材料，采用MAMA制备的含制备的含AgAg添加剂添加剂的的YBaYBa2 2CuCu3 3O Oy y超导材料，采用超导材料，采用MAMA制备的制备的MgMg2 2NiNi、LaNiLaNi5 5储氢材料，采用储氢材料，采用MAMA制备的制备的-Fe-Fe2 2SiSi热电材料都是热电材料都是一些极其重要的研究成果。一些极其重要的研究成果。3)3)超微粉末制备技术。超微粉末制备技术。超微粉末通常是指粒径为超微粉末通常是指粒径为1010100100纳米，纳米，有时亦把粒径有时亦把粒径100nm100nm的微细粒子称为纳的微细粒子称为纳米微粉。纳米微粉具有明显的体积和表米微粉。纳米微粉具有明显的体积和表面效应，因此，它较通常细粉有显著不面效应，因此，它较通常细粉有显著不同的物理、化学和力学特性，作为潜在同的物理、化学和力学特性，作为潜在的功能材料和结构材料，超微粉末的研的功能材料和结构材料，超微粉末的研制已受到了世界各工业国家的重视。制已受到了世界各工业国家的重视。纳米微粉的制造方法有：纳米微粉的制造方法有：溶胶溶胶-凝胶法、沉淀法、凝胶法、沉淀法、电解法、羰基法、冷电解法、羰基法、冷冻冻干燥法、超声粉碎法、蒸干燥法、超声粉碎法、蒸发发-凝聚法、爆炸法、等离子法等凝聚法、爆炸法、等离子法等。制备超微粉末遇到最大困难是粉末的收集和存放。另制备超微粉末遇到最大困难是粉末的收集和存放。另外，湿法制取的超微粉末都需要热处理，因此可能使颗外，湿法制取的超微粉末都需要热处理，因此可能使颗粒比表面积下降，活性降低，失去超微粉的特性，并且粒比表面积下降，活性降低，失去超微粉的特性，并且很难避免和表面上的碳基结合，所以现在一般都倾向于很难避免和表面上的碳基结合，所以现在一般都倾向于采用干法制粉。采用干法制粉。纳米微粉是一种新型的粉末冶金材料和原材料，纳米微粉是一种新型的粉末冶金材料和原材料，其主要应用于高密度磁记录材料、薄膜集成电路其主要应用于高密度磁记录材料、薄膜集成电路的导电材料、微孔过滤器、化学催化剂、汽车用的导电材料、微孔过滤器、化学催化剂、汽车用的还原触媒、超微粒子膜传感器、碳纤维的气相的还原触媒、超微粒子膜传感器、碳