粉末冶金材料特性的應用案例解析

1、粉末冶金材料特性應用實例——粉末冶金多孔材料,主要內(nèi)容,一、粉末冶金的技術特點,二、粉末冶金材料的應用與分類,三、粉末冶金材料特性的應用 ——粉末冶金多孔材料,（一）粉末冶金多孔材料簡介,（二）粉末冶金多孔材料的特點,（三）粉末冶金多孔材料的作用,（四）幾種典型粉末冶金多孔材料制備技術和特性,（五）新型金屬多孔材料制備技術和應用,（六）粉末冶金多孔發(fā)汗結(jié)構的滲透性能和力學性能,一、粉末冶金的技術特點,粉末冶金具有獨特的化學組成和機械

2、、物理性能，而這些性能是用傳統(tǒng)的熔鑄方法無法獲得的。運用粉末冶金技術可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油軸承、齒輪、凸輪、導桿、刀具等，是一種少無切削工藝。 1、粉末冶金技術可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的鑄造組織。在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導材料、新型金屬材料（如Al-Li合金、耐熱Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高溫

3、結(jié)構材料等）具有重要的作用。,2、可以制備非晶、微晶、準晶、納米晶和超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優(yōu)異的電學、磁學、光學和力學性能。3、可以容易地實現(xiàn)多種類型的復合，充分發(fā)揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷復合材料的工藝技術。4、可以生產(chǎn)普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分離膜材料、高性能結(jié)構陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。5、可以實現(xiàn)近凈形成形和自動

4、化批量生產(chǎn)，從而，可以有效地降低生產(chǎn)的資源和能源消耗。6、可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進行材料再生和綜合利用的新技術。,二、粉末冶金材料的應用與分類,1、應用： 汽車、摩托車、紡織機械、工業(yè)縫紉機、電動工具、五金工具、電器、工程機械、各種粉末冶金（鐵銅基）零件。2、分類： 粉末冶金多孔材料、粉末冶金減磨材料、粉末冶金摩擦材料、粉末冶金結(jié)構零件、粉末冶金工

5、模具材料、和粉末冶金電磁材料和粉末冶金高溫合金等。,三、粉末冶金材料特性的應用 ——粉末冶金多孔材料,粉末冶金多孔材料:又稱多孔燒結(jié)材料。用粉末冶金的方法制造的、由球狀或不規(guī)則形狀的金屬或合金粉末經(jīng)成型、燒結(jié)制成。材料內(nèi)部孔道縱橫交錯、互相貫通，一般有30%～60%的體積孔隙度 ，孔徑1～100微米。透過性能和導熱、導電性能好，耐高溫 、低溫，抗熱震，抗介質(zhì)腐蝕。用于制造過濾器、多孔電極 、滅火裝置、防凍裝置等。常用的金屬或合金有青銅

6、、不銹鋼、鐵、鎳、鈦、鎢、鉬以及難熔金屬化合物等。做成的制品有坩堝狀、碟狀、管狀、板狀、薄膜等。,,（一）粉末冶金多孔材料簡介,（二）粉末冶金多孔材料的特點,1、孔徑和孔隙度均可控制； 2、優(yōu)良的透過性能，且在使用后可以再生，因而使用壽命長； 3、導熱、導電； 4、耐高溫、耐低溫、抗熱震； 5、抗介質(zhì)腐蝕； 6、比表面積大； 7、可焊接和加工等。因此它的綜合性能較傳統(tǒng)的紙質(zhì)、棉和化纖織品、陶瓷、玻璃、金屬絲網(wǎng)等過

7、濾材料為好。,（三）粉末冶金多孔材料的作用,在現(xiàn)代技術中，多孔材料愈益發(fā)揮其重要作用，有兩方面的主要用途。 1、作過濾器用：利用其多孔的過濾分離作用凈化液體和氣體。例如用來凈化飛機和汽車上的燃料油和空氣；化學工業(yè)上各種液體和氣體的過濾；原子能工業(yè)上排出氣體中放射性微粒的過濾等。 2、利用其孔隙的作用，制造多孔電極、滅火裝置、防凍裝置、耐高溫噴嘴等。多孔電極主要在電化學方面應用。滅火裝置是利用其抗流作用而防

8、止爆炸，如氣焊用的火焰防爆器等。防凍裝置是利用其多孔可通入預熱空氣或特殊液體，用來防止機翼和尾翼結(jié)冰。耐高溫噴嘴則是利用表面發(fā)汗而使熱表面冷卻的原理，被稱為發(fā)汗材料。,金屬多孔材料由于其結(jié)構特性,可用于流體凈化、氣體除塵、氣體流態(tài)化、粉料流態(tài)化輸送、發(fā)汗冷卻、強化傳熱、消音降噪、阻燃防爆等不同用途。其中, 尺寸大型化、結(jié)構異型化、多功能一體化、以及高精度、大通量金屬多孔材料的制備及產(chǎn)品應用技術的研究正成為國內(nèi)外多孔材料學界前沿性熱點問題

9、。,（四）幾種典型粉末冶金多孔材料制備技術和特性,燒結(jié)金屬粉末多孔材料是采用金屬或合金粉末為原料, 通過壓制成型和高溫燒結(jié)而成、具有剛性結(jié)構的多孔材料。其孔隙結(jié)構由規(guī)則和不規(guī)則的粉末顆粒堆垛而成, 孔隙的大小和分布以及孔隙率大小取決于粉末粒度組成和加工工藝。圖1 給出燒結(jié)金屬粉末多孔材料典型的微觀結(jié)構, 它具有均質(zhì)結(jié)構特征。,1 、燒結(jié)金屬粉末多孔材料,燒結(jié)金屬粉末多孔材料微觀結(jié)構(a) 和元件(b)Microstructure of

10、 sintered metal powder porous materials (a) and elements (b),根據(jù)成型工藝不同, 燒結(jié)粉末多孔材料有模壓成型、等靜壓成型、軋制成型和擠壓成型等產(chǎn)品 模壓成型工藝適合于各種復雜形狀多孔材料產(chǎn)品的制作, 等靜壓成型工藝用于大尺寸無縫管件的制作, 軋制成型和擠壓成型工藝適合于大批量產(chǎn)品的制作, 可以制備出1～2 mm 厚的薄壁件。 燒結(jié)金

11、屬粉末多孔材料具有最廣泛的應用市場, 包括用于氣體除塵、液體凈化, 氣流穩(wěn)定、流態(tài)化、流態(tài)化輸送、氣體限流以及消音降噪、阻燃防爆等, 可廣泛應用于航天航空、石油化工、醫(yī)藥、食品、電力、能源等領域。,2 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)多孔材料,燒結(jié)金屬絲網(wǎng)多孔材料是由多層金屬編織網(wǎng)疊合后, 經(jīng)過軋制成型和高溫燒結(jié)而形成的具有剛性結(jié)構的多孔材料。這種多孔材料具有非對稱結(jié)構, 由支撐層、保護層和工作層組成。由于其獨特的結(jié)構設計, 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)多孔材料具有流通性

12、好、孔隙分布均勻、整體性好, 剛性好,強度高等特點, 作為過濾材料, 表現(xiàn)出優(yōu)異的反吹(反沖洗) 再生性能。 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)多孔材料廣泛應用于石油化工、冶金、電力、能源等領域的流體過濾、氣流分布控制、流態(tài)化輸送、阻燃防爆等方面。,燒結(jié)金屬絲網(wǎng)多孔材料微觀結(jié)構(a) 和元件(b)Microstructure of sintered metal mesh porous materials (a) and elements (

13、b),3 、燒結(jié)金屬纖維多孔材料,燒結(jié)金屬纖維多孔材料是由金屬纖維迭合后,經(jīng)過壓制成型和高溫燒結(jié)而形成的多孔材料。燒結(jié)金屬纖維多孔材料的突出特點是孔隙率高, 可達到80 % , 具有很好的透氣性。 燒結(jié)纖維多孔材料的精度可達到5～10μm。 燒結(jié)金屬纖維氈多孔材料廣泛應用于化工、電力、冶金、能源等領域的氣體除塵、流體凈化等方面。,燒結(jié)金屬纖維多孔材料微觀結(jié)構(a) 和元件(b)Microstructur

14、e of sintered metal fiber porous materials (a) and elements (b),（五）新型金屬多孔材料制備技術和應用,安泰科技股份有限公司以納米粉體為基礎, 采用粉末冶金方法, 開發(fā)了金屬膜材料專利制備技術。金屬膜材料的精度達到0. 03 μm , 過濾效率達99.999999 %。下圖給出了金屬膜材料的微觀結(jié)構和元件。 產(chǎn)品已用于氣體分離、高純氣體凈化、液體凈化、氣溶膠過

15、濾與凈化等。,1 、金屬膜材料制備技術,金屬膜材料微觀結(jié)構(a) 和元件(b) Microstructure of membrane materials (a) and elements (b),2、非對稱亞微米金屬多孔材料制備技術,傳統(tǒng)的燒結(jié)金屬粉末濾材孔徑一般在3μm 以上, 無論在過濾精度、還是在大通量方面都很難滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展要求。 安泰開發(fā)了新型高精度、大通量亞微米多孔材料。這種新型的濾材采用梯度結(jié)構

16、, 即由骨架層、過渡層和工作層組成復合層結(jié)構。其中, 骨架層支撐過渡層起增強作用,工作層是厚度較薄的小孔層, 起過濾作用。這種新型非對稱亞微米多孔材料具有很高的過濾精度, 同時, 由于高精度的工作層很薄(20μm) , 使得材料的流通性能大大提高,3 、大型、異型結(jié)構粉末冶金多孔材料制備技術,大型、異型結(jié)構粉末冶金多孔材料是多孔材料新的發(fā)展方向。與常規(guī)結(jié)構粉末冶金多孔材料相比, 其在壓制成型、燒結(jié)等工藝設備的實現(xiàn)方面提出了更高要求和挑戰(zhàn)

17、。 目前世界上大型、異型結(jié)構粉末冶金多孔材料主要通過等靜壓成型工藝進行生產(chǎn)制備。其基本特點是: 由于其為各向同性壓制, 壓坯密度比較均勻; 易于實現(xiàn)大型、較長壓坯的成型; 可在較大范圍內(nèi)調(diào)整壁厚; 消除了焊接對多孔材料本身所帶來的影響, 如焊接熱影響區(qū)易出現(xiàn)的缺陷、熱影響區(qū)對材料腐蝕性的影響等。,4 、金屬多孔復合催化材料的研制,多孔復合催化材料是利用多孔材料良好的孔隙分布、優(yōu)異的傳熱特性和發(fā)達的比表面, 與高效催化劑復

18、合制備而成的一種特殊功能材料。它繼承了多孔材料的結(jié)構和功能特性, 具有良好的流體透過能力、豐富的比表面以及可控的流體分布特性, 與催化劑的功效結(jié)合起來可以極大地提高工業(yè)過程的反應速度、提高生產(chǎn)率、降低能耗和簡化工藝過程。 其工藝過程如下: 多孔材料表面處理→ 負載陶瓷膜(γ-Al2O3) →負載催化劑活性組分(Pd 等) 研制的多孔金屬催化蒸餾構件可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CDTECH , 應用于催化蒸餾工藝。,另外, 金屬

19、多孔催化材料和過濾元件的研制,還可以用于高溫氣體的除塵和凈化, 機動車尾氣排放的后處理等。它在對顆粒物進行捕集的同時,還可以反應脫除氣體中NOx , VOC 等有害組分。實現(xiàn)除塵、脫硝等功能一體化。,5 、定向凝固多孔材料制備技術,金屬/ 氣體共晶定向凝固技術(GASAR) 由烏克蘭科學家Shapovalov 發(fā)明。Gasar 技術被認為是生產(chǎn)多孔金屬材料的革命性工藝, 不僅具有比傳統(tǒng)多孔材料優(yōu)異的性能特點, 比如小的應力集中、高的機械

20、性能、良好的導熱能力等, 而且具有比相同材質(zhì)的致密材料高的綜合機械性能(密度低, 比強度、比模量高)。 另外, 該項制備工藝還易于通過改變工藝參數(shù), 實現(xiàn)對氣孔率、氣孔大小和分布的控制。,（六）粉末冶金多孔發(fā)汗結(jié)構的滲透性能和力學性能,用PBR 氣泡孔徑滲透性測定儀檢測多孔結(jié)構的微孔尺寸。平均微孔直徑在3～7 μm。 由于研究的多孔發(fā)汗結(jié)構為非等厚度的回轉(zhuǎn)體結(jié)構，為分析其滲透均勻性，沿橫截面將發(fā)汗冷卻喉襯

21、切割成上、中、下3 個部分，分別測量出每個部位的滲透性,滲透性主要由孔徑和孔隙率決定，對比高溫合金和不銹鋼粉末材料，其平均孔徑（6.8μm，5.64μm）、孔隙率（39%，35%）較為接近，滲透性也相差較小。發(fā)汗冷卻喉襯的滲透性隨孔隙率的增大而增大，孔隙率對滲透性的影響較大。 多孔滲透結(jié)構的抗拉強度隨孔隙率的增大而下降。而不同材料的延伸率隨孔隙率的變化趨勢各不相同。不銹鋼304 和GH22 的延伸率隨孔隙率的增大而降低，

22、而ZrCu 合金的延伸率則隨孔隙率的增大而升高。高溫合金和不銹鋼的抗拉強度和延伸率均遠高于銅合金。,通過對高溫合金、不銹鋼、銅合金3 種材料力學性能的對比，高溫合金在孔隙率偏高的情況下仍顯示了較高的強度優(yōu)勢，且高溫合金具有良好的高溫抗氧化和抗腐蝕性能。 從多孔材料與致密材料的對比情況來看，材料的孔隙率在15%以下，其抗拉強度能達到相同致密材料的50%以上，但延伸率與致密材料相比相差較多，只能達到30%左右，主要因為多孔材

23、料表現(xiàn)為脆性斷裂，對材料的延伸率影響很大。,由于銅合金的導熱率遠高于不銹鋼和高溫合金材料，當作為熱防護材料時銅合金仍具有優(yōu)勢，盡管其強度低于高溫合金和不銹鋼材料，但對于結(jié)構強度要求不是太高的燃燒裝置內(nèi)襯等高熱流強部位，適宜采用銅合金多孔材料； 對于結(jié)構強度要求較高的熱防護裝置，也可以采用高溫合金或不銹鋼多孔材料，由于此時多孔結(jié)構主要用于發(fā)汗冷卻或膜冷卻，這種冷卻方式冷卻效率高，調(diào)整結(jié)構參數(shù)和工作參數(shù)也可以滿足高熱流強的熱

24、防護要求。,結(jié)束語,在過去的幾十年里, 粉末冶金多孔材料得到了快速的發(fā)展, 它的應用滲透到工業(yè)部門的方方面面, 從而推動著相關工業(yè)技術的迅速發(fā)展; 同時由于工業(yè)水平的大幅度提高, 又促進了粉末冶金多孔材料向縱深發(fā)展, 為滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要, 不斷涌現(xiàn)出新的制備工藝和應用技術, 使其成為當代發(fā)展最為迅速的材料科學與工程領域的關鍵技術之一。未來金屬多孔材料將進一步向高精度、大通量、多功能一體化以及尺寸大型化和結(jié)構異型化方向發(fā)展。