粉末冶金作為一種既古老又充滿活力的先進(jìn)材料制備和成形技術(shù)，起源于古代陶瓷制備技術(shù)和煉鐵技術(shù)，為人類社會的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。18 世紀(jì)中葉，粉末冶金制鉑技術(shù)在歐洲的興起，開啟了古老粉末冶金技術(shù)的復(fù)興時代。直至 1909 年，粉末冶金法延性鎢的問世標(biāo)志著近現(xiàn)代粉末冶金時代的來臨。一百多年來，粉末冶金技術(shù)蓬勃發(fā)展，各種重要新型材料和關(guān)鍵性制品不斷涌現(xiàn)，成為當(dāng)今國民經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)不可或缺的重要工程技術(shù)之一。迄今，粉末冶金技術(shù)已發(fā)展成為材料科學(xué)和工程領(lǐng)域中最具有發(fā)展活力的重點研究方向之一。

　　本文將著重介紹現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域主要材料體系(鐵基、硬質(zhì)合金、磁性材料和粉末高溫合金)和新興成形技術(shù)(增材制造、放電等離子燒結(jié)等)的最新進(jìn)展。

　　1 鐵基粉末冶金材料

　　鐵基粉末冶金材料是以鐵元素為主，添加 C、Cu、 Ni、Mo、Cr、Mn 等合金元素形成的一類鋼鐵材料[4−5]。其中，粉末冶金低合金鋼中合金元素之和一般在 5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以下，已發(fā)展形成 Fe-Cu-C、Fe-Ni-C、 Fe-Ni-Cu-C、Fe-Cr-Cu-C、Fe-Mo-Ni-Cu-C 等多個系列;粉末冶金高合金鋼有粉末不銹鋼和粉末高速鋼兩大類。鐵基制品是粉末冶金行業(yè)生產(chǎn)量最大的一類材料，在一定程度上代表一個國家粉末冶金技術(shù)水平。下面介紹鐵基粉末及其制品的發(fā)展概況。

　　1.1 鐵基粉末 粉末冶金鐵基材料和制品所使用的粉末主要包括純鐵粉、鐵基復(fù)合粉末、鐵基預(yù)合金粉末等。我國鋼鐵粉末的制備技術(shù)不斷發(fā)展，現(xiàn)已開發(fā)出還原法、羰基法、電解法、超高壓水霧化、熱氣體霧化、水汽聯(lián)合霧化、粘結(jié)擴散、預(yù)合金化、預(yù)混合等制備技術(shù)。這些技術(shù)的開發(fā)豐富了我國鐵基粉末品種和質(zhì)量。我國已開發(fā)出應(yīng)用鐵精礦粉生產(chǎn)還原粉、高壓縮性鐵粉(600 MPa 壓制密度達(dá)到 7.24 g/cm3 )、無偏析混合粉、水霧化預(yù)合金鋼粉(Fe-Mo 等)、擴散型合金鋼粉 (Fe-Ni-Mo-Cu 等)、易切削鋼粉(添加 MnS)、燒結(jié)貝氏體鋼粉、電焊條粉、磁性材料用鐵粉、冶金爐料用鐵粉、化工行業(yè)用鐵粉等多種產(chǎn)品，滿足了市場需求。 2017 年萊鋼集團粉末冶金有限公司建成了年產(chǎn) 9 萬 t 高性能水霧化鐵粉的自動化生產(chǎn)線，我國已具備了在一定區(qū)域內(nèi)與國際企業(yè)競爭的實力。我國 2010~2018 年鋼鐵粉末銷量年平均增速約為 10%(見表 1)，2018 年銷量達(dá) 59.5 萬 t，其中年產(chǎn)超萬噸的 11 家鋼鐵粉末公司的總產(chǎn)量已占國內(nèi)總產(chǎn)量的 93%，說明鋼鐵粉末生產(chǎn)的規(guī)模化優(yōu)勢正在顯現(xiàn)。然而，目前國內(nèi)鐵粉行業(yè)的生產(chǎn)與下游行業(yè)需求處于不平衡的狀態(tài)，低檔次鐵粉產(chǎn)量大于需求，而高檔鐵粉卻依然處于供不應(yīng)求的局面，其中預(yù)混合鋼粉、預(yù)合金鋼粉和擴散型合金鋼粉等仍主要依賴進(jìn)口，鋼鐵粉末的質(zhì)量、品種及穩(wěn)定性等仍與國外知名生產(chǎn)企業(yè)(如瑞典 Höganäs 公司、加拿大魁北克金屬粉末公司 (QMP)、美國 Höeganäes 公司、日本 JFE 公司、日本神戶制鋼公司等)存在一定的差距。

　　1.2 P/M 鐵基制品 常規(guī)壓制/燒結(jié)技術(shù)一般可生產(chǎn)密度6.4~7.2 g/cm3 的鐵基制品，用于汽車、摩托車、家電、電動工具等行業(yè)，具有減震、降噪、輕量化、節(jié)能等優(yōu)勢。建國以來，我國鐵基制品行業(yè)得到了國家機械部的高度重視，從無到有艱難創(chuàng)業(yè)。改革開放后，在汽車、摩托車、機械制造等行業(yè)的帶動下，鐵基制品行業(yè)快速發(fā)展，成型壓機、模具設(shè)計及制造、燒結(jié)及熱處理爐等相關(guān)設(shè)備制造和配套能力不斷增強。 隨著中國制造的發(fā)展，對鐵基制品的密度、強度、精度等指標(biāo)提出了更高的要求。鐵基材料的高致密化和強化技術(shù)研究受到重視，相關(guān)技術(shù)包括高速壓制、液相燒結(jié)、微合金化等[6−9]。目前國內(nèi)部分鐵基粉末冶金零件企業(yè)的核心技術(shù)已將溫壓、粉末熱鍛、表面滾壓致密化、生坯可加工、復(fù)壓復(fù)燒、熱等靜壓等應(yīng)用于高致密度、高精度、高復(fù)雜度零件的制備。例如，燒結(jié)后的鐵基齒輪經(jīng)過滾壓致密化處理，與齒部接觸的表面幾乎達(dá)到全致密。齒輪的尺寸精度和表面接觸疲勞強度大大提高，可代替鍛造齒輪。應(yīng)用生坯可加工技術(shù)可以低成本生產(chǎn)出常規(guī)壓制/燒結(jié)難以制備的復(fù)雜形狀的鐵基零部件。經(jīng)過多年的發(fā)展，中國已成為亞洲最大的鐵基粉末冶金制品生產(chǎn)國，產(chǎn)生了東睦新材料集團股份有限公司等龍頭企業(yè)。據(jù)中國機械工業(yè)協(xié)會粉末冶金分會統(tǒng)計(見表 1)，2018 年中國粉末冶金鐵基制品實現(xiàn)產(chǎn)量 19.94 萬 t。近 11 年的數(shù)據(jù)分析平均復(fù)合年增長率約為 10%，但我國鐵基粉末冶金高端產(chǎn)品和企業(yè)規(guī)模還有待突破。

　　1.3 粉末注射成形(MIM)鐵基制品 金屬粉末注射成形技術(shù)(MIM)是以金屬粉末為原料，借助塑料注射成形工藝制造形狀復(fù)雜的小型金屬零部件。20 世紀(jì) 90 年代，中南大學(xué)等單位在國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃等項目的支持下開始 MIM 材料和技術(shù)的研究，發(fā)明了環(huán)保型的粘結(jié)劑和快速溶劑脫脂技術(shù)、發(fā)展了流變學(xué)理論指導(dǎo)喂料設(shè)計，在此基礎(chǔ)上先后開發(fā)出 Fe-Ni、不銹鋼等鐵基材料的系列注射成形制備技術(shù)用于槍械、醫(yī)療器械等零部件的制造。 國內(nèi) MIM 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了十多年的艱難探索，終于在手機行業(yè)的應(yīng)用取得了重要突破，2010 年后 MIM 產(chǎn)業(yè)獲得了快速發(fā)展(見表 1)，據(jù)中國鋼構(gòu)協(xié)會粉末冶金分會不完全統(tǒng)計，中國的 MIM 公司已有 140 家以上，主要分布于珠三角、長三角和京津地區(qū)。2017 年國內(nèi) MIM 行業(yè)產(chǎn)值達(dá)到 54 億元，江蘇精研科技股份有限公司也在 2017 年成功在新三板上市，年產(chǎn)值約 10 億元。

　　2 硬質(zhì)合金

　　硬質(zhì)合金是以過渡族難熔金屬碳化物或碳氮化物作為主體成分的粉末冶金硬質(zhì)材料。因具有較好的強度、硬度、韌性匹配性，硬質(zhì)合金主要用作切削刀具、采掘工具、耐磨零件以及頂錘、軋輥等，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、汽車、航空航天、數(shù)控機床、機械工業(yè)模具、海洋工程裝備、軌道交通裝備、電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、工程機械等裝備制造加工和礦產(chǎn)、油氣資源采掘、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等行業(yè)領(lǐng)域[10]。2015 年歐洲粉末冶金工業(yè)協(xié)會發(fā)布的 2025 歐洲粉末冶金發(fā)展戰(zhàn)略路線圖中明確指出：硬質(zhì)合金是現(xiàn)代制造工業(yè)的脊梁。

　　2.1 超細(xì)晶和超粗晶硬質(zhì)合金 作為世界鎢資源大國，中國硬質(zhì)合金總產(chǎn)量的世界占比已經(jīng)超過 40%。在世界硬質(zhì)合金科技發(fā)展史上，中國制造標(biāo)志性技術(shù)成果的典型代表是紫鎢制備技術(shù)。20 世紀(jì) 90 年代末期，中國硬質(zhì)合金行業(yè)自主研發(fā)的紫鎢制備產(chǎn)業(yè)化技術(shù)屬于國際首創(chuàng)。紫鎢制備技術(shù)是一種以紫色氧化鎢(WO2.72)為原料制備后續(xù)制品的工藝技術(shù)。采用紫鎢工藝制備超細(xì)或納米鎢粉和碳化鎢粉具有生產(chǎn)效率高、成本低、產(chǎn)品質(zhì)量與質(zhì)量穩(wěn)定性可控度高等特點，已成為中國生產(chǎn)超細(xì)或納米鎢粉、碳化鎢粉和超細(xì)晶硬質(zhì)合金的主流工藝。2011 年， GB/T 26725《超細(xì)碳化鎢》國家標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，其中 FWcn30 牌號 WC 粉末的比表面積>7.60 m2 /g，比表面積平均徑<50 nm。隨著超細(xì)晶硬質(zhì)合金晶粒生長抑制機理研究的突破和壓力燒結(jié)工藝的推廣應(yīng)用，超細(xì)晶硬質(zhì)合金的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，目前中國已經(jīng)能夠批量生產(chǎn)具有世界先進(jìn)水平的平均晶粒度約 0.2 μm 的高品質(zhì)超細(xì)晶硬質(zhì)合金。據(jù) 2018 年中國鎢業(yè)協(xié)會硬質(zhì)合金分會發(fā)布的全國硬質(zhì)合金行業(yè)《統(tǒng)計年鑒》報道，26 家中國硬質(zhì)合金企業(yè) 2018 年共生產(chǎn)整體刀具用晶粒度<0.6 μm 超細(xì)晶硬質(zhì)合金棒材 11079.7 t，同比增長 22.46%;其中廈門金鷺特種合金有限公司產(chǎn)量為 4045.3 噸，占比為 36.5%。廈門金鷺特種合金有限公司含 Co 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 12%的 GU25UF 超細(xì)晶硬質(zhì)合金抗彎強度平均值已達(dá) 5000 MPa 以上的水平。 目前，中國高溫還原、高溫碳化制備高純超粗晶 WC 粉末的制備技術(shù)已經(jīng)得到推廣應(yīng)用，中國硬質(zhì)合金企業(yè)生產(chǎn)的合金晶粒度 5~10 μm 的超粗晶硬質(zhì)合金已廣泛應(yīng)用于路面銑刨、采煤、盾構(gòu)施工以及冷鐓模具等。

　　2.2 硬質(zhì)合金材料的發(fā)展趨勢

　　2.2.1 集成計算材料工程 采用基于第一性原理計算、CALPHAD 方法、相場模擬和有限元模擬等計算模擬的集成計算材料工程，可極大地提高難熔金屬與硬質(zhì)合金領(lǐng)域新材料的研發(fā)效率。繼國際知名企業(yè) Sandvik 以后，中南大學(xué)杜勇教授團隊[11−12]開發(fā)了包含 C-Co-Cr-W-Ta-Ti-Nb-N 等元素的難熔金屬與硬質(zhì)合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫。采用該數(shù)據(jù)庫，可以計算各種組元的相平衡，獲得各種物相的熱力學(xué)性質(zhì)和溶解度信息，模擬合金中元素和相的分布狀態(tài)，可為材料與工藝設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。

　　2.2.2 硬質(zhì)合金微結(jié)構(gòu)調(diào)控 過渡族金屬碳化物是硬質(zhì)合金中最常見的添加劑，可用于調(diào)控硬質(zhì)合金微觀組織結(jié)構(gòu)與性能。添加劑在硬質(zhì)合金中賦存狀態(tài)的研究是硬質(zhì)合金材料強化機理和碳化鎢晶粒生長抑制機理研究的基礎(chǔ)，也是硬質(zhì)合金材料與工藝設(shè)計的基礎(chǔ)。早在 1972 年，日本學(xué)者 HAYASHI 等[13]就對 WC-Co 硬質(zhì)合金中 WC 晶粒生長抑制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明，在 1400 ℃ 燒結(jié)溫度下，當(dāng)金屬碳化物的添加量達(dá)到其在液相中的飽和溶解度時，其對碳化鎢晶粒生長抑制效果的排序如下：VC>Mo2C>Cr3C2>NbC>TaC>TiC> ZrC/HfC。在隨后的 30 年內(nèi)，硬質(zhì)合金中碳化鎢晶粒生長抑制機理的研究一直處于不斷探索中。

　　3 粉末冶金磁性材料

　　粉末冶金磁性材料指用粉末成型和燒結(jié)的方法制備的磁性材料，可分為粉末冶金永磁材料和軟磁材料兩大類。永磁材料主要包括釤鈷稀土永磁材料、釹− 鐵−硼系永磁材料、燒結(jié)鋁鎳鈷永磁材料、鐵氧體永磁材料等。粉末冶金軟磁材料主要包括軟磁鐵氧體和軟磁復(fù)合材料等。粉末冶金法制備磁性材料的優(yōu)勢在于，能制備單疇尺寸范圍的磁性微粒，在壓制過程中實現(xiàn)磁粉的一致取向，直接制出接近最終形狀的高磁能積磁體，尤其是對于難加工的硬脆磁性材料而言，粉末冶金法的優(yōu)越性更加突出。

　　3.1 釤鈷(Sm-Co)稀土永磁材料 釤鈷稀土永磁材料包括兩大類，即 SmCo5 永磁合金和 Sm2Co17 型永磁合金，其中，Sm2Co17 型永磁合金具有較為優(yōu)異的綜合磁性能，在工業(yè)上獲得了較為廣泛的應(yīng)用，包括微波通訊、電機工程、微波器件、測量儀表等靜態(tài)或動態(tài)磁路。Sm2Co17 型永磁合金的磁性能來源于其特有的胞狀/片狀納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示[15]。胞內(nèi)主要由富Fe的Sm2(Co,Fe)17菱方相構(gòu)成，胞壁由富 Cu 的 Sm(Co,Cu)5 六方相構(gòu)成，片狀相疊加于胞狀結(jié)構(gòu)之上。該合金的矯頑力機制為疇壁釘扎型， Cu 富集于胞壁相有利于該相磁晶各向異性能的降低，增大 Sm2(Co,Fe)17 相與 Sm(Co,Cu)5 相之間的疇壁能差，并導(dǎo)致矯頑力增大。

　　3.2 燒結(jié)釹−鐵−硼(Nd-Fe-B)系稀土永磁材料 具有優(yōu)異磁性能的燒結(jié) Nd-Fe-B 系稀土永磁材料是第三代稀土永磁材料，被稱為“磁王”。燒結(jié) Nd-Fe-B 系永磁材料主要由 Nd2Fe14B 主相、富 Nd 相、富 B 相和少量的稀土氧化物組成，按成分可以分為三元 Nd-Fe-B 永磁材料和以 Pr、Dy、Tb 取代部分 Nd，以 Co、Al、Cu、Nb、Gd 等取代部分 Fe 而形成的三元以上的永磁體;按磁性能可分為矯頑力不同的 N 型、M 型、H 型、SH 型、UH 型、EH 型和 AH 型永磁體。該材料被廣泛應(yīng)用于電動機、發(fā)動機、音圈馬達(dá)、磁共振成像儀、通訊、控制儀表、音響設(shè)備等方面，尤其是近年來在快速發(fā)展的風(fēng)力發(fā)電、 新能源汽車、變頻空調(diào)等領(lǐng)域的應(yīng)用更推動了該材料的進(jìn)一步發(fā)展。

　　3.3 永磁鐵氧體 鋇鐵氧體和鍶鐵氧體是目前應(yīng)用最廣泛的永磁鐵氧體材料，具有較高的磁能積、矯頑力和剩磁以及寬的磁滯回線，廣泛應(yīng)用于汽車電機、電動工具、家用電器、辦公自動化設(shè)備等領(lǐng)域。目前，永磁鐵氧體的生產(chǎn)廠家主要分布在中國、日本、美國和部分歐洲國家，其中日本 TDK 公司開發(fā)的 FB12 系列產(chǎn)品的磁性能已經(jīng)接近理論值。 高性能的永磁鐵氧體須滿足的條件為：具有高的飽和磁化強度和高的磁晶各向異性。由此，人們研究開發(fā)出了離子取代、共混復(fù)合等技術(shù)，通過調(diào)節(jié)晶體結(jié)構(gòu)來調(diào)控材料的各向異性和磁化強度。比如，WAKI 等[27]開發(fā)出了 La-Co 共同取代的 M 型鍶鐵氧體、LI 等[28] 研究了 Co-Ti 原子等比例取代 Fe 原子的 Ba(CoTi)xFe12−2xO19 鐵 氧 體 、 XIA 等 [29] 制備了 SrFe12O19/CoFe2O4 復(fù) 合 材 料 、 LI 等 [30] 制 備 了 SrFe12O19/Fe-B 復(fù)合材料。這些工作為高性能永磁鐵氧體提供了新的發(fā)展方向。同時，在永磁鐵氧體的制粉過程中，將原料磨細(xì)來增加單疇粒子的體積分?jǐn)?shù)，可以提高永磁鐵氧體的性能。國內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)出了分級研磨或者循環(huán)研磨技術(shù)，將原料球磨到 1 μm 以下，明顯提高了材料的磁性能[31]。另外，通過晶粒生長抑制劑抑制晶粒異常長大，增大單疇離子的比例，同樣提高永磁鐵氧體的磁性能[32]。另外，提高取向度和燒結(jié)密度，同時控制晶粒大小均勻也是提高永磁鐵氧體性能的有效途徑[33]。

　　4 粉末冶金高溫合金

　　粉末冶金高溫合金是以鎳為基體，添加有 Co、 Cr、W、Mo、Al、Ti、Nb、Ta 等多種合金元素的一類具有優(yōu)異的高溫強度、抗疲勞和抗熱腐蝕等綜合性能的合金，是航空發(fā)動機渦輪軸、渦輪盤擋板、渦輪盤等關(guān)鍵熱端部件的材料，加工主要涉及到粉末制備、熱固結(jié)成型和熱處理等過程[42]。目前只有美國、俄羅斯、英國、法國、德國、中國等少數(shù)幾個國家具備粉末冶金高溫合金研發(fā)、生產(chǎn)的能力，其中美國、俄羅斯、英國處于領(lǐng)先的位置。目前，各國已著手設(shè)計開發(fā)使用溫度達(dá)到 815℃的第四代粉末高溫合金[43]。我國在粉末冶金高溫合金領(lǐng)域起步較晚，在成分設(shè)計和工藝路線等方面主要參照歐美和俄羅斯等國的成功經(jīng)驗。從 1977 年開始，鋼鐵研究總院陸續(xù)引進(jìn)、設(shè)計、制造了生產(chǎn)高溫合金用的氬氣霧化制粉裝置、粉末處理設(shè)備、熱等靜壓機、等溫鍛造機，于 1980 年年底基本上建成了一條較完備的粉末高溫合金研制生產(chǎn)線。迄今，我國已研制出 FGH91、FGH95、FGH96、FGH97、 FGH98、FGH98I、FGH99 和 FGH100 等牌號的粉末高溫合金，取得了長足進(jìn)步[42]。在新型粉末高溫合金的研發(fā)上，國內(nèi)一些主要研究機構(gòu)也緊隨國際發(fā)展步伐，開展了第四代粉末高溫合金成分設(shè)計等方面的工作[43]。

　　4.1 粉末高溫合金成分 鎳基粉末高溫合金中涉及的元素種類繁多，高達(dá)十余種，表 3 所列為第四代典型粉末高溫合金的化學(xué)成 分[43]。該類合金成分設(shè)計的主要目標(biāo)是發(fā)展更高的強度、損傷容限、工作溫度(約 815 ℃) 以及更好高溫組織穩(wěn)定性。因此，四代粉末高溫合金的各項性能對比大致如圖 3 所示[44−45]。對于渦輪盤用粉末高溫合金，需要重點考慮不同元素對合金蠕變持久性能，室溫和高溫下的拉伸性能、疲勞性能，熱加工性能、高溫組織穩(wěn)定性等因素的影響。伴隨著相圖計算技術(shù)的發(fā) 展，人們可以通過平衡相圖計算的辦法來實現(xiàn)對沉淀強化相的含量、固溶溫度、硼化物和碳化物的含量、種類，以及有害相的析出量等的有效預(yù)測，避免了大量的合金制備和組織性能測試的時間。例如，RR1000 的成功設(shè)計就是運用CALPHAD進(jìn)行合金設(shè)計的成功例子[46]。

　　4.2 粉末高溫合金的制備和組織調(diào)控 粉末高溫合金的制備涉及到粉末的制備、粉末熱固結(jié)成形、熱機械變形、熱處理等工藝過程，如圖 4 所示，主要采用的加工路線有 3 種[47]：① 制粉+熱固結(jié)成型+熱處理;② 制粉+熱固結(jié)成型+熱鍛造+熱處理;③ 制粉+熱固結(jié)成型+熱擠壓+熱鍛造+熱處理。由于高溫合金中往往含有 Cr、Ti、Al 等難燒結(jié)元素，高溫合金燒結(jié)通常要在高溫高壓環(huán)境中真空封裝后才能進(jìn)行。目前采用的高溫合金粉末固結(jié)工藝有：真空熱壓成形、熱等靜壓成形、熱擠壓、等溫鍛造等。其中，熱等靜壓和熱擠壓工藝使用最為廣泛。成形路線 ①也被稱作直接熱等靜壓成形(As-HIP)，可以用來生產(chǎn)形狀復(fù)雜的制件。然而，As-HIP 工藝生產(chǎn)的渦輪盤往往具有較大的晶粒，并且還容易形成一種難以通過工藝控制去消除的冶金缺陷：原始粉末顆粒邊界(Prior particle boundary, PPB)，即一種在熱固結(jié)過程中沿原始粉末顆粒表面析出的由碳化物、氧化物或碳氧化合物構(gòu)成的網(wǎng)狀組織[48]。

　　4.3 粉末冶金高溫合金的發(fā)展趨勢 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，基于大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)和人工智能對材料成分、工藝進(jìn)行設(shè)計的方法已經(jīng)在高分子、陶瓷等材料中得到了應(yīng)用并取得成功。對于高溫合金而言，由于公開的數(shù)據(jù)量少，成分、工藝、組織等變量多，一直很難通過上述辦法進(jìn)行有效的合金開發(fā)。然而，得益于高通量實驗技術(shù)的發(fā)展，快速獲得海量、可靠的成分−組織、組織−性能、工藝−性能等關(guān)系數(shù)據(jù)成為可能，這為開展機器學(xué)習(xí)打下了堅實的基礎(chǔ)。

　　5 金屬粉末增材制造(3D 打印)

　　金屬粉末增材制造可以分為粉末床激光增材制造 (亦稱選區(qū)激光熔化 SLM)、粉末激光同軸送粉沉積(亦稱激光熔覆沉積 LCD，激光工程近凈成形 LENS)、粉末床電子束增材制造(亦稱電子束選區(qū)熔化 EBM)。美國“America Makes”、歐盟“Horizon 2020”和德國 “INDUSTRIE 4.0”等均將增材制造列為提升國家競爭力的先進(jìn)制造技術(shù)。我國也高度重視增材制造業(yè)的發(fā)展，發(fā)布實施《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計劃 (2015−2016)》，并將其作為《中國制造 2025》、《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的重點發(fā)展領(lǐng)域。在增材制造工業(yè)應(yīng)用方面，德國空客 Airbus、波音 Boeing 等公司走在前列，已經(jīng)將增材制造技術(shù)用于飛機零部件制造(見圖 5)。美國宇航局發(fā)起了金屬 3D 打印技術(shù)在太空發(fā)射系統(tǒng) Space Launch System 運載火箭的應(yīng)用，歐洲航天局推出了涉及歐洲 28 個學(xué)術(shù)和工業(yè)合作伙伴名為 AMAZE 的 3D 打印研發(fā)項目。在我國，北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、華南理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等較早地開展了金屬增材制造相關(guān)基礎(chǔ)研究，在工業(yè)化應(yīng)用方面也各自取得了顯著成績。

　　5.1 金屬粉末增材制造材料 金屬增材制造主要合金材料有鋁合金、鈦合金、鐵基合金、高溫合金、高熵合金、形狀記憶合金等。 5.1.1 鋁合金 激光增材制造鋁合金研究主要聚焦于 4xxx(Al-Si) 系鋁合金，也有部分文獻(xiàn)報道了增材制造 2xxx(Al-Cu)、5xxx(Al-Mg)和 7xxxx(Al-Zn-Mg)系列鋁合金。其中最成熟的體系屬 AlSi10Mg 合金，強度約 370 MPa、伸長率約 6%。宋波等[56]采用 SLM 打印了 AlSi7Mg，揭示了激光快冷與組織性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。在高強鋁合金方面，空客子公司 APWorks 開發(fā)了 3D 打印專用 Al-Mg-Sc 合金，牌號為 Scalmalloy，該合金打印件經(jīng)時效后拉伸強度約 520 MPa、伸長率約12%，APWorks 采用該材料成形了仿生艙門，并與豐田公司開展合作。澳大利亞莫納什大學(xué)吳鑫華院士團隊[57]研發(fā)了新型 Al-Mn-Sc 合金，其力學(xué)性能指標(biāo)優(yōu)于目前已報道的其他 3D 打印鋁合金的。國內(nèi)西工大、南航、華中科大、上海交大、中南大學(xué)也在“十三五” 國家重點專項支持下開展了 3D打印 Al-Mg-Sc 合金基礎(chǔ)研究，性能指標(biāo)與國際先進(jìn)水平保持同步。中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室在 3D 打印鋁合金粉末方面也取得重要進(jìn)展，最大拉伸性能超 520 MPa。國內(nèi)工業(yè)應(yīng)用方面，航空航天是 3D 打印高強鋁應(yīng)用的重點方向;中車工業(yè)也在布局 3D 打印高強鋁在軌道交通上的應(yīng)用，在粉末配方、力學(xué)性能和構(gòu)件試用方面均取得重要進(jìn)展(最大拉伸性能超 520 MPa)。

　　5.2 金屬粉末增材制造的技術(shù)難題 5.2.1 熱裂紋 增材制造成形過程合金熔池內(nèi)高溫度和應(yīng)力梯度，導(dǎo)致打印件易出現(xiàn)熱裂現(xiàn)象。未來解決增材制造熱裂的方向有：熱等靜壓處理來消除打印過程中產(chǎn)生的微裂紋;通過建模和實驗研究應(yīng)力產(chǎn)生規(guī)律，減小打印過程中的殘余應(yīng)力;通過微合金化改變凝固路徑，以及晶粒細(xì)化，降低裂紋敏感性。 5.2.2 疲勞 工件的抗疲勞性能是工件能否得到廣泛應(yīng)用的重要指標(biāo)。在增材制造過程中，通過高能激光束熔化粉末進(jìn)行致密化，由于缺乏壓力的作用，成形工件或多或少存在一定冶金缺陷，而這些冶金缺陷會在循環(huán)受力過程中造成應(yīng)力集中。因此，相同材料增材制造成形樣品的抗疲勞性能略低于鍛造成形的樣品，因為鍛造成形的樣品幾乎全致密，冶金缺陷少。增材制造零件疲勞裂紋一般優(yōu)先形核于內(nèi)孔隙、表面孔隙及粗糙區(qū)域、內(nèi)部凝固微裂紋處。因此增材制造疲勞性能改善成為該領(lǐng)域未來的重要研究方向。

　　6 放電等離子燒結(jié)(SPS)

　　放電等離子燒結(jié)技術(shù)是利用石墨模具的上、下模沖和通電電極將直流脈沖電流和壓制壓力同時施加于粉末體，通過等離子活化和熱塑變形，實現(xiàn)粉末體快速固結(jié)成形的燒結(jié)技術(shù)，又稱等離子活化燒結(jié)、等離子輔助燒結(jié)[72−73]。SPS 技術(shù)的歷史可追溯到 20 世紀(jì) 30 年代美國科學(xué)家提出的脈沖電流燒結(jié)原理。第一臺工業(yè)型用 SPS 裝置于 1988 年研發(fā)成功，并推廣應(yīng)用于新材料研究領(lǐng)域，SPS 技術(shù)作為一種材料制備的新技術(shù)，引起了國內(nèi)外材料學(xué)界的特別關(guān)注。SPS 技術(shù)制備的材料體系包括：難熔金屬、硬質(zhì)合金[74]、超高溫陶瓷[75]、復(fù)合材料[76]、透明陶瓷、納米結(jié)構(gòu)材料、功能梯度材料、非穩(wěn)態(tài)材料等。

　　7 總結(jié)

　　新中國成立 70 周年以來，我國粉末冶金材料和技術(shù)得到了快速發(fā)展，材料體系、成形技術(shù)、工藝裝備、技術(shù)水平、粉末冶金制品的市場份額等均提升明顯。在粉末冶金新材料，包括鐵基粉末冶金材料、硬質(zhì)合金、磁性材料、鎳基粉末冶金高溫合金，以及粉末冶金新型成形技術(shù)，包括粉末增材制造、放電等離子燒結(jié)和熱等靜壓技術(shù)等方面均呈現(xiàn)出嶄新局面。同時，新型相圖計算、有限元方法、第一性原理計算等理論計算方法為粉末冶金材料和技術(shù)的發(fā)展注入了新鮮的血液。

　　RERERENCES

　　[1] 韓鳳麟, 馬福康, 曹勇家. 中國材料工程大典—粉末冶金材料工程[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005: 4−5. HAN Feng-lin, MA Fu-kang, CAO Yong-jia. China’s material engineering Canon—Powder metallurgy material engineering[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2005: 4−5.

　　[2] 黃培云. 粉末冶金原理[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1997: 10.

　　《現(xiàn)代粉末冶金材料與技術(shù)進(jìn)展》來源：《中國有色金屬學(xué)報》，作者：黃伯云，韋偉峰，李松林，張 立，李麗婭，劉 鋒，李瑞迪