粉末冶金材料特性的应用案例

典 型 粉 末 冶 金 多 孔 材 料 制 备 技 术 和 特 性 （ 五 ） 新 型 金 属 多 孔 材 料 制 备 技 术 和 应 用 粉 末 冶 金 具 有 独 特 的 化 学 组 成 和 机 械 、 物 理 性能 ， 而 这 些 性 能 是 用 传 统 的 熔 铸 方 法 无 法 获 得 的 。运 用 粉 末 冶 金 技 术 可 以 直 接 制 成 多 孔 、 半 致 密 或全 致 密 材 料 和 制 品 ， 如 含 油 轴 承 、 齿 轮 、 凸 轮 、导 杆 、 刀 具 等 ， 是 一 种 少 无 切 削 工 艺 。 1、 粉 末 冶 金 技 术 可 以 最 大 限 度 地 减 少 合 金 成 分偏 聚 ， 消 除 粗 大 、 不 均 匀 的 铸 造 组 织 。 在 制 备 高性 能 稀 土 永 磁 材 料 、 稀 土 储 氢 材 料 、 稀 土 发 光 材料 、 稀 土 催 化 剂 、 高 温 超 导 材 料 、 新 型 金 属 材 料（ 如 Al-Li合 金 、 耐 热 Al合 金 、 超 合 金 、 粉 末 耐 蚀不 锈 钢 、 粉 末 高 速 钢 、 金 属 间 化 合 物 高 温 结 构 材料 等 ） 具 有 重 要 的 作 用 。 2、 可 以 制 备 非 晶 、 微 晶 、 准 晶 、 纳 米 晶 和 超 饱 和 固 溶体 等 一 系 列 高 性 能 非 平 衡 材 料 ， 这 些 材 料 具 有 优 异 的电 学 、 磁 学 、 光 学 和 力 学 性 能 。3、 可 以 容 易 地 实 现 多 种 类 型 的 复 合 ， 充 分 发 挥 各 组 元材 料 各 自 的 特 性 ， 是 一 种 低 成 本 生 产 高 性 能 金 属 基 和陶 瓷 复 合 材 料 的 工 艺 技 术 。4、 可 以 生 产 普 通 熔 炼 法 无 法 生 产 的 具 有 特 殊 结 构 和 性能 的 材 料 和 制 品 ， 如 新 型 多 孔 生 物 材 料 ， 多 孔 分 离 膜材 料 、 高 性 能 结 构 陶 瓷 磨 具 和 功 能 陶 瓷 材 料 等 。5、 可 以 实 现 近 净 形 成 形 和 自 动 化 批 量 生 产 ， 从 而 ， 可以 有 效 地 降 低 生 产 的 资 源 和 能 源 消 耗 。6、 可 以 充 分 利 用 矿 石 、 尾 矿 、 炼 钢 污 泥 、 轧 钢 铁 鳞 、回 收 废 旧 金 属 作 原 料 ， 是 一 种 可 有 效 进 行 材 料 再 生 和综 合 利 用 的 新 技 术 。 1、 应 用 ： 汽 车 、 摩 托 车 、 纺 织 机 械 、 工 业 缝 纫 机 、电 动 工 具 、 五 金 工 具 、 电 器 、 工 程 机 械 、 各 种粉 末 冶 金 （ 铁 铜 基 ） 零 件 。2、 分 类 ： 粉 末 冶 金 多 孔 材 料 、 粉 末 冶 金 减 磨 材 料 、粉 末 冶 金 摩 擦 材 料 、 粉 末 冶 金 结 构 零 件 、 粉 末冶 金 工 模 具 材 料 、 和 粉 末 冶 金 电 磁 材 料 和 粉 末冶 金 高 温 合 金 等 。 粉 末 冶 金 多 孔 材 料 :又 称 多 孔 烧 结 材 料 。 用 粉 末冶 金 的 方 法 制 造 的 、 由 球 状 或 不 规 则 形 状 的 金 属 或合 金 粉 末 经 成 型 、 烧 结 制 成 。 材 料 内 部 孔 道 纵 横 交错 、 互 相 贯 通 ， 一 般 有 30% 60%的 体 积 孔 隙 度 ，孔 径 1 100微 米 。 透 过 性 能 和 导 热 、 导 电 性 能 好 ，耐 高 温 、 低 温 ， 抗 热 震 ， 抗 介 质 腐 蚀 。 用 于 制 造 过滤 器 、 多 孔 电 极 、 灭 火 装 置 、 防 冻 装 置 等 。 常 用 的金 属 或 合 金 有 青 铜 、 不 锈 钢 、 铁 、 镍 、 钛 、 钨 、 钼以 及 难 熔 金 属 化 合 物 等 。 做 成 的 制 品 有 坩 埚 状 、 碟状 、 管 状 、 板 状 、 薄 膜 等 。 1、 孔 径 和 孔 隙 度 均 可 控 制 ； 2、 优 良 的 透 过 性 能 ， 且 在 使 用 后 可 以 再 生 ， 因 而使 用 寿 命 长 ； 3、 导 热 、 导 电 ； 4、 耐 高 温 、 耐 低 温 、 抗 热 震 ； 5、 抗 介 质 腐 蚀 ； 6、 比 表 面 积 大 ； 7、 可 焊 接 和 加 工 等 。 因 此 它 的 综 合 性 能 较 传 统 的纸 质 、 棉 和 化 纤 织 品 、 陶 瓷 、 玻 璃 、 金 属 丝 网 等过 滤 材 料 为 好 。 在 现 代 技 术 中 ， 多 孔 材 料 愈 益 发 挥 其 重 要 作用 ， 有 两 方 面 的 主 要 用 途 。 1、 作 过 滤 器 用 ： 利 用 其 多 孔 的 过 滤 分 离 作 用净 化 液 体 和 气 体 。 例 如 用 来 净 化 飞 机 和 汽 车 上 的燃 料 油 和 空 气 ； 化 学 工 业 上 各 种 液 体 和 气 体 的 过滤 ； 原 子 能 工 业 上 排 出 气 体 中 放 射 性 微 粒 的 过 滤等 。 2、 利 用 其 孔 隙 的 作 用 ， 制 造 多 孔 电 极 、 灭 火装 置 、 防 冻 装 置 、 耐 高 温 喷 嘴 等 。 多 孔 电 极 主 要在 电 化 学 方 面 应 用 。 灭 火 装 置 是 利 用 其 抗 流 作 用而 防 止 爆 炸 ， 如 气 焊 用 的 火 焰 防 爆 器 等 。 防 冻 装置 是 利 用 其 多 孔 可 通 入 预 热 空 气 或 特 殊 液 体 ， 用来 防 止 机 翼 和 尾 翼 结 冰 。 耐 高 温 喷 嘴 则 是 利 用 表面 发 汗 而 使 热 表 面 冷 却 的 原 理 ， 被 称 为 发 汗 材 料 。 金 属 多 孔 材 料 由 于 其 结 构 特 性 ,可 用 于流 体 净 化 、 气 体 除 尘 、 气 体 流 态 化 、 粉 料流 态 化 输 送 、 发 汗 冷 却 、 强 化 传 热 、 消 音降 噪 、 阻 燃 防 爆 等 不 同 用 途 。 其 中 , 尺 寸 大型 化 、 结 构 异 型 化 、 多 功 能 一 体 化 、 以 及高 精 度 、 大 通 量 金 属 多 孔 材 料 的 制 备 及 产品 应 用 技 术 的 研 究 正 成 为 国 内 外 多 孔 材 料学 界 前 沿 性 热 点 问 题 。 典 型 粉 末 冶 金 多 孔 材料 制 备 技 术 和 特 性 烧 结 金 属 粉 末 多 孔 材 料 是 采 用 金 属 或 合 金粉 末 为 原 料 , 通 过 压 制 成 型 和 高 温 烧 结 而 成 、具 有 刚 性 结 构 的 多 孔 材 料 。 其 孔 隙 结 构 由 规 则和 不 规 则 的 粉 末 颗 粒 堆 垛 而 成 , 孔 隙 的 大 小 和分 布 以 及 孔 隙 率 大 小 取 决 于 粉 末 粒 度 组 成 和 加工 工 艺 。 图 1 给 出 烧 结 金 属 粉 末 多 孔 材 料 典 型的 微 观 结 构 , 它 具 有 均 质 结 构 特 征 。 烧 结 金 属 粉 末 多 孔 材 料 微 观 结 构 (a) 和 元 件 (b)Microstructure of sintered metal powder porous materials (a) and elements (b) 烧 结 金 属 粉 末 多 孔 材 料 性 能 指 标 Performance of sintered metal powder porous materials型 号 平 均 孔 径/ m 相 对 渗 透 性/(Lmin-1cm-2Pa-1) 孔 隙 率/% 强 度/MpaSFM005 5 5 10-5 30 80SFM010 10 1.5 10 -4 32 90SFM020 20 5 10-4 32 100 根 据 成 型 工 艺 不 同 , 烧 结 粉 末 多 孔 材 料 有 模压 成 型 、 等 静 压 成 型 、 轧 制 成 型 和 挤 压 成 型 等 产品 模 压 成 型 工 艺 适 合 于 各 种 复 杂 形 状 多 孔 材 料产 品 的 制 作 , 等 静 压 成 型 工 艺 用 于 大 尺 寸 无 缝 管件 的 制 作 , 轧 制 成 型 和 挤 压 成 型 工 艺 适 合 于 大 批量 产 品 的 制 作 , 可 以 制 备 出 1 2 mm 厚 的 薄 壁件 。 烧 结 金 属 粉 末 多 孔 材 料 具 有 最 广 泛 的 应 用 市场 , 包 括 用 于 气 体 除 尘 、 液 体 净 化 , 气 流 稳 定 、流 态 化 、 流 态 化 输 送 、 气 体 限 流 以 及 消 音 降 噪 、阻 燃 防 爆 等 , 可 广 泛 应 用 于 航 天 航 空 、 石 油 化 工 、医 药 、 食 品 、 电 力 、 能 源 等 领 域 。 2 烧 结 金 属 丝 网 多 孔 材 料 烧 结 金 属 丝 网 多 孔 材 料 是 由 多 层 金 属 编 织 网叠 合 后 , 经 过 轧 制 成 型 和 高 温 烧 结 而 形 成 的 具 有刚 性 结 构 的 多 孔 材 料 。 这 种 多 孔 材 料 具 有 非 对 称结 构 , 由 支 撑 层 、 保 护 层 和 工 作 层 组 成 。 由 于 其独 特 的 结 构 设 计 , 烧 结 金 属 丝 网 多 孔 材 料 具 有 流通 性 好 、 孔 隙 分 布 均 匀 、 整 体 性 好 , 刚 性 好 ,强 度高 等 特 点 , 作 为 过 滤 材 料 , 表 现 出 优 异 的 反 吹 (反冲 洗 ) 再 生 性 能 。 烧 结 金 属 丝 网 多 孔 材 料 广 泛 应 用 于 石 油 化 工 、冶 金 、 电 力 、 能 源 等 领 域 的 流 体 过 滤 、 气 流 分 布控 制 、 流 态 化 输 送 、 阻 燃 防 爆 等 方 面 。 烧 结 金 属 丝 网 多 孔 材 料 微 观 结 构 (a) 和 元 件 (b)Microstructure of sintered metal mesh porous materials (a) and elements (b) 烧 结 金 属 丝 网 多 孔 材 料 性 能 指 标 Performance of sintered metal mesh porous materials型 号 平 均 孔 径/ m 相 对 渗 透 性 /(Lmin-1cm-2Pa-1) 孔 隙 率/% 强 度/MpaSSW005 5 2 10-4 21 100SSW010 10 8 10 -4 22 100SSW020 20 2 10-3 24 110 3 、 烧 结 金 属 纤 维 多 孔 材 料 烧 结 金 属 纤 维 多 孔 材 料 是 由 金 属 纤 维 迭 合 后 ,经 过 压 制 成 型 和 高 温 烧 结 而 形 成 的 多 孔 材 料 。 烧结 金 属 纤 维 多 孔 材 料 的 突 出 特 点 是 孔 隙 率 高 , 可达 到 80 % , 具 有 很 好 的 透 气 性 。 烧 结 纤 维 多 孔 材 料 的 精 度 可 达 到 5 10m。 烧 结 金 属 纤 维 毡 多 孔 材 料 广 泛 应 用 于 化 工 、电 力 、 冶 金 、 能 源 等 领 域 的 气 体 除 尘 、 流 体 净 化等 方 面 。 烧 结 金 属 纤 维 多 孔 材 料 微 观 结 构 (a) 和 元 件 (b)Microstructure of sintered metal fiber porous materials (a) and elements (b) （ 五 ） 新 型 金 属 多 孔 材 料 制 备 技 术 和 应 用 安 泰 科 技 股 份 有 限 公 司 以 纳 米 粉 体 为 基 础 , 采 用 粉 末 冶 金 方 法 , 开 发 了 金 属 膜 材 料 专 利 制 备技 术 。 金 属 膜 材 料 的 精 度 达 到 0. 03 m , 过 滤效 率 达 99.999999 %。 下 图 给 出 了 金 属 膜 材 料的 微 观 结 构 和 元 件 。 产 品 已 用 于 气 体 分 离 、 高 纯 气 体 净 化 、 液 体净 化 、 气 溶 胶 过 滤 与 净 化 等 。1 、 金 属 膜 材 料 制 备 技 术 金 属 膜 材 料 微 观 结 构 (a) 和 元 件 (b) Microstructure of membrane materials (a) and elements (b) 2、 非 对 称 亚 微 米 金 属 多 孔 材 料 制 备 技 术 传 统 的 烧 结 金 属 粉 末 滤 材 孔 径 一 般 在 3m 以 上 , 无 论 在 过 滤 精 度 、 还 是 在 大 通 量 方 面 都 很难 满 足 现 代 工 业 发 展 要 求 。 安 泰 开 发 了 新 型 高 精 度 、 大 通 量 亚 微 米 多 孔材 料 。 这 种 新 型 的 滤 材 采 用 梯 度 结 构 , 即 由 骨 架层 、 过 渡 层 和 工 作 层 组 成 复 合 层 结 构 。 其 中 , 骨架 层 支 撑 过 渡 层 起 增 强 作 用 ,工 作 层 是 厚 度 较 薄的 小 孔 层 , 起 过 滤 作 用 。 这 种 新 型 非 对 称 亚 微 米多 孔 材 料 具 有 很 高 的 过 滤 精 度 , 同 时 , 由 于 高 精度 的 工 作 层 很 薄 (20m) , 使 得 材 料 的 流 通 性 能大 大 提 高 3 、 大 型 、 异 型 结 构 粉 末 冶 金 多 孔 材 料 制 备 技 术 大 型 、 异 型 结 构 粉 末 冶 金 多 孔 材 料 是 多 孔 材料 新 的 发 展 方 向 。 与 常 规 结 构 粉 末 冶 金 多 孔 材 料相 比 , 其 在 压 制 成 型 、 烧 结 等 工 艺 设 备 的 实 现 方面 提 出 了 更 高 要 求 和 挑 战 。 目 前 世 界 上 大 型 、 异 型 结 构 粉 末 冶 金 多 孔 材料 主 要 通 过 等 静 压 成 型 工 艺 进 行 生 产 制 备 。 其 基本 特 点 是 : 由 于 其 为 各 向 同 性 压 制 , 压 坯 密 度 比较 均 匀 ; 易 于 实 现 大 型 、 较 长 压 坯 的 成 型 ; 可 在较 大 范 围 内 调 整 壁 厚 ; 消 除 了 焊 接 对 多 孔 材 料 本身 所 带 来 的 影 响 , 如 焊 接 热 影 响 区 易 出 现 的 缺 陷 、热 影 响 区 对 材 料 腐 蚀 性 的 影 响 等 。 4 、 金 属 多 孔 复 合 催 化 材 料 的 研 制 多 孔 复 合 催 化 材 料 是 利 用 多 孔 材 料 良 好 的 孔 隙 分 布 、优 异 的 传 热 特 性 和 发 达 的 比 表 面 , 与 高 效 催 化 剂 复 合 制备 而 成 的 一 种 特 殊 功 能 材 料 。 它 继 承 了 多 孔 材 料 的 结 构和 功 能 特 性 , 具 有 良 好 的 流 体 透 过 能 力 、 丰 富 的 比 表 面以 及 可 控 的 流 体 分 布 特 性 , 与 催 化 剂 的 功 效 结 合 起 来 可以 极 大 地 提 高 工 业 过 程 的 反 应 速 度 、 提 高 生 产 率 、 降 低能 耗 和 简 化 工 艺 过 程 。 其 工 艺 过 程 如 下 : 多 孔 材 料 表 面 处 理 负 载 陶 瓷 膜 (-Al2O3) 负 载 催化 剂 活 性 组 分 (Pd 等 ) 研 制 的 多 孔 金 属 催 化 蒸 馏 构 件 可 以 代 替 传 统 的 CDTECH , 应 用 于 催 化 蒸 馏 工 艺 。 另 外 , 金 属 多 孔 催 化 材 料 和 过 滤 元 件 的 研 制 ,还 可 以 用 于 高 温 气 体 的 除 尘 和 净 化 , 机 动 车 尾 气排 放 的 后 处 理 等 。 它 在 对 颗 粒 物 进 行 捕 集 的 同 时 ,还 可 以 反 应 脱 除 气 体 中 NOx , VOC 等 有 害 组 分 。实 现 除 尘 、 脱 硝 等 功 能 一 体 化 。5 、 定 向 凝 固 多 孔 材 料 制 备 技 术 金 属 / 气 体 共 晶 定 向 凝 固 技 术 (GASAR) 由 乌 克 兰科 学 家 Shapovalov 发 明 。 Gasar 技 术 被 认 为 是 生 产 多孔 金 属 材 料 的 革 命 性 工 艺 , 不 仅 具 有 比 传 统 多 孔 材 料 优异 的 性 能 特 点 , 比 如 小 的 应 力 集 中 、 高 的 机 械 性 能 、 良好 的 导 热 能 力 等 , 而 且 具 有 比 相 同 材 质 的 致 密 材 料 高 的综 合 机 械 性 能 (密 度 低 , 比 强 度 、 比 模 量 高 )。 另 外 , 该 项 制 备 工 艺 还 易 于 通 过 改 变 工 艺 参 数 , 实现 对 气 孔 率 、 气 孔 大 小 和 分 布 的 控 制 。 用 PBR 气 泡 孔 径 渗 透 性 测 定 仪 检 测 多 孔结 构 的 微 孔 尺 寸 。 平 均 微 孔 直 径 在 3 7 m。 由 于 研 究 的 多 孔 发 汗 结 构 为 非 等 厚 度 的 回转 体 结 构 ， 为 分 析 其 渗 透 均 匀 性 ， 沿 横 截 面 将发 汗 冷 却 喉 衬 切 割 成 上 、 中 、 下 3 个 部 分 ， 分别 测 量 出 每 个 部 位 的 渗 透 性 渗 透 性 主 要 由 孔 径 和 孔 隙 率 决 定 ， 对 比 高 温合 金 和 不 锈 钢 粉 末 材 料 ， 其 平 均 孔 径 （ 6.8m，5.64m） 、 孔 隙 率 （ 39%， 35%） 较 为 接 近 ，渗 透 性 也 相 差 较 小 。 发 汗 冷 却 喉 衬 的 渗 透 性 随 孔隙 率 的 增 大 而 增 大 ， 孔 隙 率 对 渗 透 性 的 影 响 较 大 。 多 孔 渗 透 结 构 的 抗 拉 强 度 随 孔 隙 率 的 增 大 而下 降 。 而 不 同 材 料 的 延 伸 率 随 孔 隙 率 的 变 化 趋 势各 不 相 同 。 不 锈 钢 304 和 GH22 的 延 伸 率 随 孔隙 率 的 增 大 而 降 低 ， 而 ZrCu 合 金 的 延 伸 率 则 随孔 隙 率 的 增 大 而 升 高 。 高 温 合 金 和 不 锈 钢 的 抗 拉强 度 和 延 伸 率 均 远 高 于 铜 合 金 。 通 过 对 高 温 合 金 、 不 锈 钢 、 铜 合 金 3 种 材 料力 学 性 能 的 对 比 ， 高 温 合 金 在 孔 隙 率 偏 高 的 情 况下 仍 显 示 了 较 高 的 强 度 优 势 ， 且 高 温 合 金 具 有 良好 的 高 温 抗 氧 化 和 抗 腐 蚀 性 能 。 从 多 孔 材 料 与 致 密 材 料 的 对 比 情 况 来 看 ， 材料 的 孔 隙 率 在 15%以 下 ， 其 抗 拉 强 度 能 达 到 相同 致 密 材 料 的 50%以 上 ， 但 延 伸 率 与 致 密 材 料相 比 相 差 较 多 ， 只 能 达 到 30%左 右 ， 主 要 因 为多 孔 材 料 表 现 为 脆 性 断 裂 ， 对 材 料 的 延 伸 率 影 响很 大 。 由 于 铜 合 金 的 导 热 率 远 高 于 不 锈 钢 和 高 温 合金 材 料 ， 当 作 为 热 防 护 材 料 时 铜 合 金 仍 具 有 优 势 ，尽 管 其 强 度 低 于 高 温 合 金 和 不 锈 钢 材 料 ， 但 对 于结 构 强 度 要 求 不 是 太 高 的 燃 烧 装 置 内 衬 等 高 热 流强 部 位 ， 适 宜 采 用 铜 合 金 多 孔 材 料 ； 对 于 结 构 强 度 要 求 较 高 的 热 防 护 装 置 ， 也 可以 采 用 高 温 合 金 或 不 锈 钢 多 孔 材 料 ， 由 于 此 时 多孔 结 构 主 要 用 于 发 汗 冷 却 或 膜 冷 却 ， 这 种 冷 却 方式 冷 却 效 率 高 ， 调 整 结 构 参 数 和 工 作 参 数 也 可 以满 足 高 热 流 强 的 热 防 护 要 求 。 在 过 去 的 几 十 年 里 , 粉 末 冶 金 多 孔 材 料 得 到 了 快 速的 发 展 , 它 的 应 用 渗 透 到 工 业 部 门 的 方 方 面 面 , 从 而 推动 着 相 关 工 业 技 术 的 迅 速 发 展 ; 同 时 由 于 工 业 水 平 的 大幅 度 提 高 , 又 促 进 了 粉 末 冶 金 多 孔 材 料 向 纵 深 发 展 , 为满 足 工 业 生 产 的 需 要 , 不 断 涌 现 出 新 的 制 备 工 艺 和 应 用技 术 , 使 其 成 为 当 代 发 展 最 为 迅 速 的 材 料 科 学 与 工 程 领域 的 关 键 技 术 之 一 。 未 来 金 属 多 孔 材 料 将 进 一 步 向 高 精度 、 大 通 量 、 多 功 能 一 体 化 以 及 尺 寸 大 型 化 和 结 构 异 型化 方 向 发 展 。 另 外 ,国 际 制 造 业 向 中 国 的 转 移 将 给 中 国 企 业 带 来 很多 机 遇 和 挑 战 , 也 必 将 进 一 步 推 动 金 属 多 孔 材 料 制 备 技术 的 发 展 。