关注“材料基”公众号，每期学习一项技能，掌握一个知识。今天的【知识】篇，我们将一起探索粉末冶金新材料的奥秘，特别是粉末冶金高速钢的应用。

粉末冶金高速钢的诞生，成功解决了传统冶金工艺中的难题。由于传统熔炼铸造法不可避免地会产生合金成分不均和粗大莱氏体偏析，粉末冶金工艺的出现消除了这些宏观偏析，使晶粒得到细化，从而显著提高了材料的性能。这使得生产超高合金含量的高速钢成为可能，为工业领域带来了革命性的变化。

美国Crucible Materials公司在1965年率先发明了粉末冶金高速钢，并在1971年投产，年产量高达1200吨。此外，瑞典Soderfors公司也是世界上生产这种钢材的重要厂家之一，其气雾化一热等静压生产线自1970年投产以来，一直保持着领先地位。

法国高速钢公司（Erasteel）所属的瑞典Soderfors厂更是通过钢包精炼法对气雾化前的钢液进行精炼，将非金属夹杂物减少了90%，从而获得了高纯净度的钢材，进一步提升了粉末冶金高速钢的质量。

粉末冶金高速钢凭借其优良的组织和性能，在工具制造领域发挥着至关重要的作用。这得益于快速凝固制粉与热等静压、热挤压致密化工艺的完美结合。相较于常规冶金法，粉末冶金法能够生产出更多高合金、富碳化物的高速钢，且合金总量高达30%以上时仍能保持均匀的组织结构。此外，高钒含量的高速钢也展现出了良好的磨削性，这一特点同样适用于其他高合金工具钢的成分设计。更为值得一提的是，粉末冶金工艺还允许通过加入硫来进一步提高高速钢的可磨削性，且不会损害其力学性能。
粉末冶金高速钢在工具制造领域发挥着关键作用，特别是用于制造模具和异形刀具。它非常适合切削加工各种高强度、高硬度的钢材，如韧性溶硬钢、耐热高合金钢、奥氏体不锈钢、镍基高温合金以及钛铝合金等。在航空工业中，粉末冶金高速钢更是切削加工难加工的高温合金和钛合金的理想选择。此外，这种材料还广泛应用于制造高强度、耐磨损和抗疲劳的结构零件，例如汽车内燃机配件和飞机发动机轴承。值得一提的是，在美国，粉末冶金高速钢的用量已经超过了传统的熔炼高速钢。

接下来，我们将探讨另一类重要的材料——稀土永磁合金。
这类材料由稀土金属（如Sm、Nd、Pr）与过渡金属（如Co、Fe）组成，具有高性能的永磁特性。其发展历程中，出现了多代具有不同特点的稀土永磁材料。例如，1967年出现的SmCo5、1977年出现的Sm2TM17以及1983年出现的Nd-Fe-B，分别被视为第一代、第二代和第三代稀土永磁材料。这些材料的最大磁能积(BH)max各不相同，为各自的性能和应用提供了基础。
1983年6月，日本住友公司突破性地宣布成功研制出新型永磁材料Nd-Fe-B（铷铁硼），其最大磁能积(BH)max高达280kJ/m3（35MGOe），这一成就使其被誉为“永磁之王”。进入90年代，Nd-Fe-B永磁材料的实验室最大磁能积(BH)max水平进一步提升，达到416 kJ/m3（52MGOe）。而在1993年，超高性能的Nd-Fe-B永磁材料问世，其(BH)max更是高达431 kJ/m3（54.2MGOe）。

Nd-Fe-B永磁材料在众多领域发挥着关键作用，包括电机、起动机、音响设备、核磁共振成像、磁悬浮技术、波束控制、机器人技术、测量仪表、办公机械、传感器、磁耦合轴承以及继电器等。
1969年，我国启动了第一代稀土永磁的研究与开发。到了20世纪80年代初，我国已能大规模生产第一代和第二代稀土永磁体，这些材料被广泛应用于行波管等高端磁性器件中。1983年底，钢铁研究总院取得了重大突破，成功研制出Nd-Fe-B材料，其最大磁能积(BH)max达到约240kJ/m3。随后，在1987年，这一数值被进一步提高至415kJ/m3以上。

粉末冶金高温合金也是一项重要的研究领域。
这种材料被称为粉末超合金，是制造新型高推比航空发动机零部件的理想选择。与传统铸锻合金相比，粉末冶金高温合金具有晶粒细小、组织均匀、无宏观偏析、合金化程度高以及屈服强度和疲劳性能优越等特点。此外，其加工性能优异，可实现近终形工艺成形，从而节约材料、降低成本。粉末冶金高温合金主要被用于制造航空发动机的高温承力转动零件，如涡轮盘、压气机盘、鼓筒轴等。这一领域的研究活动广泛，涉及美国、俄国、英国、法国、德国等多个国家，其中美国和俄罗斯处于领先地位。
1969年，M M Allen率先采用粉末冶金技术制成了Astroloy高温合金。随后，在1970年，S M Reichman深入研究了低碳In-100粉末冶金高温合金，并成功赋予其超塑性。到了1972年，美国Pratt-Whitney飞机公司开始使用这种材料制造F-100发动机的压气机盘和涡轮盘等关键部件，这些部件随后被安装在F15、F16等飞机上。仅凭粉末冶金涡轮盘和凝固涡轮叶片这两项创新，F-100发动机的推重比就达到了8，跻身世界先进水平。至1984年，该公司已使用粉末高温合金盘制造了超过3万件产品。

在1988年，GEGE公司又研制出第二代粉末冶金高温合金Rene88DT，这种合金随后在美国军用及民用飞机上得到了广泛应用。到了1997年，P&W公司进一步采用DT-PIN100合金制造出双性能粉末盘，这一创新被装载在第四代战斗机F22的F119发动机上。

与此同时，前苏联在20世纪60年代末也开始研究粉末冶金高温合金。到了1978年，该国正式在军用航空发动机上应用了这种材料。在80年代末，他们又成功研制出IIC-90A民用航空发动机盘件。至1993年，该国已累计生产各类粉末高温合金盘件2.5万个，到1995年，装机使用的盘、轴类件总数更是超过了4万件。

此外，粉末冶金高强度铝合金的研究也取得了显著进展。早在20世纪40年代中期，美国铝工业公司便开始了烧结铝的研究。到了1952年，该公司成功开发出第一代粉末冶金铝合金材料SAP。这种Al-Al2O3弥散强化型合金以其优异的高温强度和热稳定性受到了广泛关注。
70年代，随着快速凝固技术、机械合金化技术以及复合技术的崛起，粉末冶金高强度铝合金应运而生，并在80年代迎来了飞速发展。这些技术的融合使得铝合金的性能实现了质的飞跃，其微观组织显著细化，偏析现象基本消除，从而大大扩展了合金成分的设计范围。结果，铝合金的抗拉强度、弹性模量、耐腐蚀性以及疲劳性能都得到了全面提升，特别是断裂韧性与强度的平衡性得到了显著优化。值得一提的是，快速凝固工艺还能获得亚稳相，并析出细小的弥散体，这是传统的铸锭冶金技术所无法比拟的。

为了满足宇航工业的严苛需求，美国、前苏联、英国、原联邦德国、日本、法国等众多国家都投入了对快速凝固铝合金的研究与开发。其中，美国已经成功商品化了7090（Al-8.0Zn-2.5Mg-1.0Cu-1.5Co）和7091（Al-6.5Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.4Co）等快速凝固铝合金。例如，Lockhead公司的S-3飞机机翼在采用7091合金后，重量减轻了高达116kg。此外，美国Alcoa公司还将快速凝固7090合金应用于波音757-200飞机的主起落架梁撑杆和主起落架舱门等多个关键部件的制造，实现了显著的减重效果。

同样，快速凝固耐磨铝硅合金也在日本和德国得到了广泛应用。日本自80年代起便开始采用快速凝固Al-Si合金粉末来制造汽车发动机的阀门弹簧座和连杆，不仅显著减轻了构件的重量，还大幅提高了发动机的运行速度。住友电工则利用快速凝固高硅Al合金打造了汽车空调压缩机转子和叶片，使得整个压缩机减重40%。而在1997年，德国PEAK公司更是开始批量生产过共晶Al-Si合金棒坯，其最大尺寸达到了Φ300mm×2500mm，这些棒坯经过加工后，被广泛应用于Benz最新一代V8和V12发动机的汽缸衬套制造。

粉末冶金技术还在金刚石-金属工具材料的制备方面发挥了重要作用。
通过粉末冶金方法，可以实现对金刚石颗粒与金属基体的精细复合，从而制造出高性能的工具材料。这些材料在切削、磨削以及钻探等领域发挥着至关重要的作用。
粉末冶金技术在20世纪20年代开始应用于金刚石工具制造领域，逐渐取代了机械卡固法和青铜浇铸嵌镶法，成为行业主导。采用粉末冶金法制造金刚石-金属工具，不仅工艺简便、成本低廉、效率高，而且产品质量上乘。自1930年诞生了以粉末冶金工艺（混合-压制-烧结）制造的金刚石砂轮和锯片后，这些工具便在硬质材料加工中得到了广泛应用。到了20世纪30年代末期，粉末冶金浸渍法被用于制造金刚石地质钻头，进一步拓展了其应用范围。进入40年代，大型复杂型面金刚石石油钻头的出现，更是让其在地质、石油硬地层钻探中大放异彩。
1953年和1954年，瑞典与美国相继成功合成金刚石，其粒度细腻，恰能满足制造磨具的需求。然而，传统的机械卡固法难以塑造出理想的工具形态。于是，粉末冶金法便成为制造人造金刚石工具的得力助手，进一步推动了金刚石工业的发展。粉末冶金技术在此领域的应用广泛，涵盖了砂轮修整、金属研磨、拉丝模制造，以及石油、地质钻探等多个方面。

高温高压烧结技术的出现，使得金刚石聚晶体（PCD）得以诞生，从而打破了磨料级金刚石仅限于制作磨具的局限。这种烧结聚晶体的力学性能超越了天然金刚石，各向同性，耐冲击性强，且能有效利用金刚石加工中产生的微粉。此外，金刚石复合片——烧结金刚石聚晶与硬质合金的复合体，更是集结了二者的优点，展现出卓越的综合性能。

人造金刚石聚晶体的研发历程也颇具传奇色彩。20世纪60年代初，美国GE公司的Da Lai取得了金属黏结剂促使金刚石颗粒直接结合的专利，引发了全球范围内的研究热潮。我国郑州磨料磨具磨削研究所也在这一时期开始对PCD进行研发，并在国际上首次将其应用于岩层锚进，展现了其在工程领域的实用性。

进入80年代，我国又成功研制出人造金刚石/硬质合金复合材料，进一步丰富了金刚石工具的种类与性能。
纳米材料，涵盖纳米粉末、纳米多孔及纳米致密等多种形态，其粉末微粒尺寸通常介于1至100纳米之间。
对这一尺寸范围内的粉末研究，可追溯至19世纪60年代胶体化学的诞生，而20世纪40年代的相关报道则将其称为超细粉末，粒度范围界定为0.01至0.1微米。1962年，久保发现金属超微粒子展现出与宏观物体不同的热性质，从而提出了久保效应。随后，在1963年出版的《New Types of Metal Powders》一书中，介绍了使用60kW电子束炉制备的铁、铝、镍、铜、铬、钾、钮和钨粉，其粒度均小于0.5微米。

到了1984年，R Berringer和H Gleiter等人通过惰性气体蒸发与原位压制、烧结方法成功获得了纳米晶金属块体，并首次提出了纳米晶材料的术语，从而使得纳米粉末材料正式成为工程材料领域的一员。在1990年召开的首届世界纳米科学技术学术会议上，纳米材料科学被正式确立为材料科学的一个新分支。此后，90年代的研究工作取得了显著进展，纳米材料的应用也逐渐增多。

粉末冶金法是制取纳米材料的一种常用方法。通过机械合金化技术，可以合成许多采用熔体快淬、蒸发冷凝等技术难以获得的新型合金材料，且该工艺简单、生产效率高，具有较高的实用化潜力。在制取块体材料方面，采用纳米级粉末在过冷液相区进行烧结是一种有效方法，关键在于防止纳米晶粒在烧结过程中的长大。为此，热压、热等静压、反应热压、微波烧结、放电等离子体烧结、等离子体活化烧结以及激光烧结等技术已被广泛应用于此领域。
纳米颗粒，这一介于原子、分子与宏观物体之间的独特存在，展现出既不同于微观粒子又异于宏观物体的独特性态。其量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应以及宏观量子隧道效应，赋予了纳米颗粒一系列令人瞩目的性质。这些性质在诸多领域，如催化、滤光、光吸收、储氢、传感、磁介质、医疗保健以及结构材料和工具材料等，都展现出广阔的应用前景。正是这些出色的性质，使得纳米粉末材料的开发成为粉末冶金领域的新热点。

非晶态合金粉末材料，作为其中的一种重要类型，也备受关注。
这类合金的原子结构呈现无序状态，类似于液态的“冻结”，因而得名。其制取历史可追溯至1934年，当时JKramer通过蒸发沉积法成功制得非晶态合金。此后，随着电沉积法、熔体快淬-破碎法以及喷雾淬火法的相继出现，非晶态合金的制取技术不断进步。20世纪80年代，非晶态合金更是成为材料学界的明星开发项目，其制取技术和应用研究吸引了众多科研人员的目光。
非晶态合金粉末材料因其独特的性能而备受推崇，这些性能涵盖了磁、电、力学以及耐腐蚀等多个方面。这类材料在磁性材料领域发挥着重要作用，同时还可用于耐磨、耐蚀、结构、涂层、钎焊、储氢等多种应用场合。此外，非晶态合金粉末还是金刚石工具的理想黏结剂以及高效的催化剂。自1978年Alcoa公司通过热压法成功制造出MA87铝合金坯块，并进一步锻造成飞机零件以来，非晶态合金粉末材料的应用日益广泛。1982年，R Ray采用Ni53Mo36Fe9B2非晶态合金粉末材料，通过反玻璃化措施制成了微晶合金，这种合金制成的铝合金铸造模的寿命比H13钢高出1倍。到了1984年，美国Allied公司已推出非晶态合金粉末材料产品，包括低频用铁基非晶磁粉芯PS-21和1~50Hz用镍基非晶磁粉芯PMB-1，标志着非晶态合金粉末在磁粉芯领域的应用已迈入商业化阶段。进入20世纪80年代后，非晶态合金粉末在磁粉芯、磁性流体、黏结磁体等多个领域均展现出广泛的应用前景。
80年代中期，我国冶金部钢铁研究总院通过常规雾化技术，成功研制出M80S20和FCP两种铁基非晶态合金粉末材料。随后，在1989年，上海钢铁研究所进一步探索，以非晶态带材为原料，经过破碎、球磨等工艺，制得了Fe47Ni29V2Si8B14粉末。采用硅树脂作为黏结绝缘剂，通过压制成形，成功制备出高频磁粉芯，该磁粉芯在光通讯的光端机高频扼流圈中发挥了重要作用。