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    粉末冶金是一門新興的材料制備技術(shù)。近代粉末冶金興起于19世紀(jì)末20世紀(jì)初。至20世紀(jì)30年代，粉末冶金整套技術(shù)逐步形成，工業(yè)生產(chǎn)初具規(guī)模，對工藝過程及其機(jī)理的研究也取得了一定成果。20世紀(jì)中期，粉末冶金生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，成為現(xiàn)代工業(yè)的重要組成部分。并在此基礎(chǔ)上，為適應(yīng)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展對材料性能和成形技術(shù)提出的更高要求，開發(fā)了多項粉末冶金新工藝，包括：熱等靜壓、燃燒合成、快速凝固、噴射成形、機(jī)械合金化、粉末注射成形、溫壓成形、快速全向壓制、粉末鍛造、熱擠壓、爆炸固結(jié)、大氣壓力燒結(jié)、微波燒結(jié)，等等。本文擬首先對其中幾種重要新工藝的歷史沿革和發(fā)展現(xiàn)狀作一簡要介紹。這些工藝有的已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，有的正處于實用化階段，應(yīng)用前景看好。
1 粉末冶金新工藝
1．1 粉末鍛造(Powder Forging，PF} H20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)的粉末鍛造，是對鐵基粉末冶金材料和零件制造技術(shù)的重大突破。它將粉末冶金工藝與精密鍛造相結(jié)合，使機(jī)械零件達(dá)到全致密和獲得高性能成為可能，適合制造力學(xué)性能高的鐵基結(jié)構(gòu)零件，因而增加了粉末冶金機(jī)械零件的品種，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。粉末鍛造過程中，被加熱到鍛造溫度的粉末壓坯產(chǎn)生物質(zhì)流動，填充陰模模腔，可成形具有較復(fù)雜形狀的零件。粉末鍛造產(chǎn)品密度可達(dá)到7．8 g／cm。(相對密度99．6 9／6)，密度和組織分布均勻，晶粒細(xì)小，力學(xué)性能特別是動態(tài)力學(xué)性能好。例如，粉末鍛造軸承外環(huán)的疲勞壽命是優(yōu)質(zhì)鍛鋼外環(huán)的3．5～4倍，且消除了常規(guī)鑄造材料的各向異性。粉末鍛造產(chǎn)品尺寸精度高，質(zhì)量穩(wěn)定，精加工量小。粉末鍛造工藝節(jié)材、節(jié)能、工序少、生產(chǎn)成本低，例如，汽車傳動定子凸輪成形工序由切削加工的7道減少到粉末鍛造的1道；與機(jī)械加工方法相比，粉末鍛造軸承外環(huán)和錐形滾柱節(jié)約材料5O 9／6；粉末鍛造機(jī)槍加速裝置零件成本降低5O 9／6以上。粉末鍛造溫度比常規(guī)鍛造低100~200℃ ，可節(jié)能和延長模具壽命。其生產(chǎn)過程容易實現(xiàn)自動化。粉末鍛造*初見于1941年，當(dāng)時以海綿鐵粉壓坯通過熱鍛制成高射炮的彈藥供給棘爪，其密度為7．8 g／cm。。
    但此后20年間，這項技術(shù)無甚進(jìn)展。直到1968年，美國GM 汽車公司研制成功粉末鍛造后橋差速器齒輪，并于1970年與Cincinnati公司合作建立世界上*條粉末鍛造自動生產(chǎn)線，粉末鍛造才重新興起。但是，在從實驗室轉(zhuǎn)向工業(yè)生產(chǎn)時，由于受粉末質(zhì)量、模具壽命、缺乏專用設(shè)備等條件的制約，以及主機(jī)廠對粉末鍛造零件能否承受繁重負(fù)荷懷有疑慮，延緩了粉末鍛造的發(fā)展。至8O年代中期，全球汽車工業(yè)的高速發(fā)展為粉末熱鍛技術(shù)提供了機(jī)遇，而且上述問題也逐一得到解決，才使粉末鍛造零件生產(chǎn)規(guī)模明顯擴(kuò)大。Cincin—nati公司至1985年共生產(chǎn)定子凸輪2 000萬件以上。盡管此零件表面要承受高頻應(yīng)力載荷，但使用中從未有過事故。1981年，日本豐田汽車公司全自動粉末鍛造生產(chǎn)線投產(chǎn)，生產(chǎn)連桿和離合器外圈，連桿月生產(chǎn)能力14萬件。至1992年，年生產(chǎn)連桿250萬件，并在當(dāng)時先進(jìn)車型Lexus上大量裝車使用。1986年，美國Ford公司開始生產(chǎn)粉末鍛造連桿，供2種車型的1．9 L四缸發(fā)動機(jī)使用，以后陸續(xù)擴(kuò)大到其他型號的發(fā)動機(jī)。至1991年，該公司采用的粉末鍛造連桿不少于1 000萬件，耗用鐵粉1 000 t以上。據(jù)1990年報道，美國Ceracon公司制造的粉末鍛造4601鋼下孔鉆頭(用于鉆井氣動機(jī)構(gòu))，重22．6 kg。
    德國Krebsoge公司于1992年建立了全自動粉末鍛造生產(chǎn)線，連桿的生產(chǎn)率為5 s／件，當(dāng)年粉末鍛造連桿的使用量達(dá)到65萬件。該公司采用粉末鍛造連桿“斷開工藝”，可減少切削加工工序，降低生產(chǎn)成本，提高連桿負(fù)載能力。Kreb—soge公司開發(fā)的Fe—Mo合金鋼，是較為理想的粉末鍛造材料。其合金元素含量低(合金中Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．85 9／6～1．05 9／6)，降低了原料成本，而材料性能很好，熱處理態(tài)極限拉伸強(qiáng)度達(dá)1 600MPa，伸長率接近1O 。粉末鍛造主要用于生產(chǎn)汽車零件，如：發(fā)動機(jī)連桿、變速器凸輪、軸承圈、同步器齒環(huán)、發(fā)動機(jī)閥座、離合器轂、鏈鋸鏈輪、棘輪、手動扳手，以及各種齒輪，等等。汽車連桿是發(fā)動機(jī)中承受強(qiáng)烈沖擊和高動態(tài)應(yīng)力的典型零件，粉末鍛造連桿可靠性高，已在大量使用中得到證明。粉末鍛造技術(shù)由于其產(chǎn)品性能和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢，發(fā)展前景令人樂觀。
    1976年，中國科學(xué)院金屬研究所與沈陽汽車齒輪廠合作，用Fe-Mo共還原粉末研制成粉末鍛造汽車行星齒輪，并投入生產(chǎn)。1977年，中南工業(yè)大學(xué)與益陽粉末冶金研究所合作，用霧化Cu—Mo低合金鋼粉制成拖拉機(jī)傳動齒輪，并投入生產(chǎn)。同年，武漢鋼鐵公司粉末冶金廠與武漢工學(xué)院用粉末鍛造制成25 kg的大型傘齒輪。1979年，益陽粉末冶金研究所建成拖拉機(jī)粉末鍛造密封環(huán)生產(chǎn)線。
    1．2 熱等靜壓(Hot Isostatic Press。HIP)E ]熱等靜壓是在冷等靜壓(CIP)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。冷等靜壓又稱液靜壓或水靜壓，出現(xiàn)較早。1913年，MADDEN獲冷等靜壓技術(shù)的專利。1936年，美國應(yīng)用冷等靜壓技術(shù)制造鎢鉬條材，1942年用于制造鎢鉬管材。此后不久，德國應(yīng)用冷等靜壓技術(shù)制造大型鎢制品。1935年以后陶瓷工業(yè)在廣泛應(yīng)用冷等靜壓技術(shù)生產(chǎn)火花塞的瓷絕緣子和壓電陶瓷等特殊陶瓷制品。前西德在2O世紀(jì)7O年代用冷等靜壓制造出d 300 mm×1 400 mm、質(zhì)量為140kg的異形不銹鋼過濾器，以及超大型絕緣電瓷。冷等靜壓能夠成形凹形、空心和長細(xì)比大等復(fù)雜形狀坯件，坯件密度均勻，強(qiáng)度較高，在粉末冶金成形工藝中占有重要地位。我國在2O世紀(jì)5O年代末建立了冷等靜壓實驗裝置。如果說冷等靜壓是粉末成形的一種特殊方法，那么，熱等靜壓技術(shù)則在開發(fā)新材料和改進(jìn)現(xiàn)有材料方面大顯神威。已用熱等靜壓制造和處理的材料有：工具鋼、高溫合金、硬質(zhì)合金、稀土永磁、彌散強(qiáng)化和纖維強(qiáng)化鋁合金、鈦合金、鈹、難熔金屬、復(fù)合材料，等等。此外，熱等靜壓技術(shù)還用來消除鑄錠內(nèi)部缺陷和修復(fù)貴重部件。
    熱等靜壓技術(shù)始于1955年，當(dāng)時美國BatteleColumbus實驗室的DAYTON R等4名科學(xué)家，為了解決核燃料元件制造中鋯包覆鋯鈾合金的問題，提出了“氣壓連接”的設(shè)想，建立了*臺實驗室用熱等靜壓機(jī)。其壓力缸以304不銹鋼鍛成，以氦為工作介質(zhì)，樣件置于缸體容器中，施加的等靜壓力使包套與芯棒緊密接觸，在840～900℃保溫24~36 h，通過擴(kuò)散使界面連接。至1960年該所采用氣壓連接技術(shù)成功制造了350根核燃料元件。
    2O世紀(jì)6O年代，熱等靜壓技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，向高材料制備和加工的方向發(fā)展，并逐漸進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)。1965年，美國Kennametal公司與Battelle研究所合作，對硬質(zhì)合金件進(jìn)行致密化處理。1967年建立年產(chǎn)50t硬質(zhì)合金的熱等靜壓生產(chǎn)線，所生產(chǎn)的硬質(zhì)合金品種約占公司全部品種的一半，產(chǎn)品強(qiáng)度和使用壽命大幅度提高，還生產(chǎn)了許多用常規(guī)工藝難以制造的制品。1969年，瑞典ASEA公司建立了*臺預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)的Quintus冷熱等靜壓設(shè)備，成為以后等靜壓設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)形式。2O世紀(jì)6O年代末7O年代初，美國坩鍋公司和瑞典通用電氣公司采用熱等靜壓技術(shù)生產(chǎn)粉末高速鋼，消除了合金元素的偏析，大幅度提高了合金元素的含量。7O年代，熱等靜壓技術(shù)被用于制造粉末冶金高溫合金渦輪盤和粉末冶金鈦合金結(jié)構(gòu)件。俄羅斯采用熱等靜壓技術(shù)制備了尺寸為90 cm×115 cm，質(zhì)量為300 kg的高溫合金件，其強(qiáng)度達(dá)1 600 MPa。
    1978年，日本住友特殊金屬公司采用熱等靜壓技術(shù)生產(chǎn)鐵氧體，獲得高密度、細(xì)晶粒Mn—Zn鐵氧體，將維氏硬度和抗彎強(qiáng)度都提高了15 。將熱等靜壓與快速凝固、機(jī)械合金化、燃燒合成等新技術(shù)結(jié)合，是制取粉末冶金新材料的有效途徑。據(jù)1999年北京國際熱等靜壓會議報道，美、俄對機(jī)械合金化Ti一47．5Al一3Cr納米粉進(jìn)行熱等靜壓，所獲材料保持納米晶粒，具有超塑性。日本將熱等靜壓與燃燒合成相結(jié)合，制取了致密梯度材料和陶瓷材料。熱等靜壓技術(shù)發(fā)展很快。1976年，全世界擁有熱等靜壓設(shè)備99臺，1980年為188臺，1988年猛增到800臺。隨著熱等靜壓技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，對其產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益提出了更高要求，促使一些大型化設(shè)備相繼建成并投入使用。瑞典ABB公司制造的大型熱等靜壓機(jī)的工作室尺寸為d 1 600 mm×2 500 mm、*高工作壓力105 MPa、*高工作溫度1 260℃ 。
    我國熱等靜壓技術(shù)的開發(fā)始于2O世紀(jì)6O年代。1966年，中國科學(xué)院金屬研究所首次采用螺旋式熱等靜壓機(jī)制備稀有金屬材料和連接核材料。1979年，*臺預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞式熱等靜壓設(shè)備在冶金部鋼鐵研究總院投產(chǎn)，有效缸體尺寸d 270mmX 700 mm。1990年，由川西機(jī)器廠與冶金部鋼鐵研究總院聯(lián)合設(shè)計、川西機(jī)器廠制造的“雙2000”小型熱等靜壓機(jī)面市，該機(jī)工作壓力200 MPa，工作溫度2 000℃ 。同期，鋼鐵研究總院首次出El熱等靜壓機(jī)，其熱區(qū)工作尺寸為d 450 mm×1 000mm。1988年全國擁有熱等靜壓設(shè)備25臺，1998年達(dá)63臺。我國對熱等靜壓技術(shù)在粉末固結(jié)、擴(kuò)散連接、燒結(jié)制品和鑄件致密化等方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，研制了高性能結(jié)構(gòu)材料、復(fù)合材料、高溫超導(dǎo)材料、金屬間化合物、功能陶瓷材料、生物陶瓷等新材料，制訂了硬質(zhì)合金、粉末冶金高溫合金、稀貴金屬致密化處理的熱等靜壓生產(chǎn)工藝和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
    1．3 快速凝固(Rapid Solidification。RS) lJ快速凝固技術(shù)是通過將金屬和合金熔體快速冷卻凝固制備材料的一種方法，金屬和合金在快速凝固過程中，其組織結(jié)構(gòu)和固溶能力發(fā)生很大變化。快速凝固技術(shù)是細(xì)化組織、消除偏析、提高合金固溶度，及制取非晶態(tài)粉末材料、微晶級和納米晶級合金材料的有效手段。快速凝固冷卻速率的上限為10 K／s或更高，而對其下限目前尚無定論，一般認(rèn)為應(yīng)不低于1OK／s，但也有人將冷卻速率為1O。～10。K／s的氣霧化和1O。～10 K／s的水霧化列入快速凝固范圍之內(nèi)。快速凝固制粉的方法包括：雙流霧化法(氣霧化、超聲氣體霧化、超高壓水霧化)，離心霧化法(旋轉(zhuǎn)電極、旋轉(zhuǎn)盤、旋轉(zhuǎn)杯)，機(jī)械作用力霧化法(雙輥或三輥霧化、電流體動力霧化DUWEZ槍法、多級霧化、快速旋轉(zhuǎn)罩霧化)，電火花刻蝕法，以及等離子霧化，等等。其中，旋轉(zhuǎn)盤法和電火花刻蝕法的冷卻速率為10 K／s，超聲氣體霧化、旋轉(zhuǎn)杯霧化的冷卻速率可超過10 K／s，電流體動力霧化為10 K／s，DUWEZ槍法可達(dá)10。K／s。早在二戰(zhàn)時期，德國便采用霧化制粉技術(shù)制取鐵粉，以補(bǔ)充Hametag鐵粉供應(yīng)之不足。1958年，蘇聯(lián)SALLI I V報道了他所發(fā)明的快速凝固裝置，研究了二元合金的相互固溶度和亞穩(wěn)相形成等問題。1960年，DUWEZ P用液態(tài)噴霧淬火法首次獲得非晶態(tài)合金Au 。Si。。。2O世紀(jì)5O年代初，亞音速氣流霧化法得到普遍應(yīng)用。這是一種初級的快速凝固制粉法，冷凝速率為1O。～10。K／s，但是以后逐步發(fā)展成為一種新型的快速凝固制粉方法，如可使熔體冷凝速率大于1O K／s的緊耦合氣體霧化法。1976年，美國Pratt—Whitney飛機(jī)公司發(fā)明了旋轉(zhuǎn)盤霧化法，冷卻速率為1O ～1O K／s，隨后投入工業(yè)生產(chǎn)，生產(chǎn)了200多種高溫合金粉末。超聲霧化法為瑞典人發(fā)明，據(jù)1983年報道，美國麻省理工學(xué)院的GRANT H T對其作了改進(jìn)。該法冷卻速率達(dá)到1O ～10 K／s，所得粉末粒度范圍窄，已用于工業(yè)生產(chǎn)低熔點合金。高壓水霧化法冷凝速率為1O。～10 K／s，主要用于制備合金鋼粉。前蘇聯(lián)建成了年產(chǎn)8 000 t的世界上*大的高壓水霧化廠。我國陳振華和黃培云等人提出了多級快冷裝置，將雙流霧化與多次旋轉(zhuǎn)盤、旋轉(zhuǎn)輥粉碎結(jié)合起來。其冷凝速率為1O ～10 K／s，粉末平均粒度為5 fm、形狀為球形和類球形，生產(chǎn)效率2～5 kg續(xù)生產(chǎn)。
    如果將霧化列入快速凝固，則用霧化法制取鐵粉是其早期的研究成果。而粉末冶金高速鋼、粉末冶金高溫合金、粉末冶金高強(qiáng)度鋁合金是其2o世紀(jì)60~70年代快速凝固技術(shù)研究取得的3項重大果。快速凝固對發(fā)展鎳合金、鈦合金、鐵合金、銅合金和非晶態(tài)合金也作出了貢獻(xiàn)。ANDERSONR E于1980年報道，在受力大小相同的情況下，快速凝固RSP185合金的蠕變溫度比精密鑄造定向凝固加Hf的MAR—M200合金高83℃ ；并能用其制造內(nèi)冷式渦輪葉片。1980年，GRANT N J等報道，快速凝固Cu—Ni—Ti合金的合金化元素分布均勻，內(nèi)氧化后的TiO。彌散體含量高，合金長時間高溫(達(dá)1000℃)暴露仍具有很好的穩(wěn)定性。1983年，CHAUDHRY A R報道，加入Ti改進(jìn)的316L不銹鋼，其TiC含量提高5倍。據(jù)1983年SASTRYs M L等報道，快速凝固Ti-6A1-3Ni合金彈性模量達(dá)115 GPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)1 010 MPa。前蘇聯(lián)將快速凝固作為一種制造高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料的先進(jìn)工藝來研究，研究工作側(cè)重鎳基合金和鈦合金粉末以及鋼、鈷合金、鋁合金及金屬間化合物粉末的制備。2o世紀(jì)8O年代初，用快速凝固鎳基高溫合金粉制造飛機(jī)燃?xì)馕佪啺l(fā)動機(jī)零件。1991年，余揮等人報道，快速凝固T15高速鋼粉末組織中不存在萊氏體共晶，與普通氫氣霧化相比，其碳化物晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化，晶粒尺寸平均0．11 fm。快速凝固法制備塊體材料的關(guān)鍵是保持其亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)。致密化方法有：沖擊波固結(jié)法、超高壓固結(jié)法、熱加工固結(jié)法(熱擠壓、熱鍛、熱等靜壓)及液相燒結(jié)法等。快速凝固與噴射成形、低壓等離子沉積相結(jié)合，是制取高性能塊體材料的可行途徑。
    1．4 燃燒合成(Combustion Synthesis。CS)~12-14]燃燒合成*初稱為自蔓燃高溫合成，興起于2O世紀(jì)6O年代。其實，人們早就發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的放熱現(xiàn)象和反應(yīng)過程的自蔓延特點。如1825年發(fā)現(xiàn)非晶鋯在室溫下燃燒并生成氧化鋯，1865年發(fā)現(xiàn)鋁熱反應(yīng)，等等。但是，直到2O世紀(jì)6O年代，才將燃燒合成發(fā)展成為一項制備材料的新技術(shù)。1967年，前蘇聯(lián)科學(xué)院化學(xué)物理研究所BROVINSKAYA等發(fā)現(xiàn)鈦硼混合物自蔓燃燒合成現(xiàn)象。6O年代末，發(fā)現(xiàn)許多金屬和非金屬難熔化合物的燃燒合成現(xiàn)象，并將這種依靠自身反應(yīng)發(fā)熱來合成材料的技術(shù)稱為自蔓燃高溫合成。1972年，自蔓燃高溫合成開始用于粉末的工業(yè)生產(chǎn)，前蘇聯(lián)化學(xué)物理研究所建造了年產(chǎn)難熔金屬粉末10~20 t的實驗設(shè)備。1975年開始研究把自蔓燃高溫合成與燒結(jié)、熱壓、熱擠、軋制、爆炸、堆焊和離心鑄造結(jié)合，直接制造陶瓷、金屬陶瓷和復(fù)合管材等致密材料。1976年，前蘇聯(lián)開發(fā)出200多種自蔓燃高溫合成材料。1979年，碳化鈦粉末和二硅化鉬加熱元件投入工業(yè)生產(chǎn)。此外，這種合成技術(shù)還用來生產(chǎn)耐火材料、形狀記憶合金、硬質(zhì)合金等多種材料。1977年，Ju—GANsON E J獲得制造陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管的美國專利。8O年代，日本ODAwARA用鋁熱一離心法制造出長5．5 m、內(nèi)徑165 mm的大尺寸陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管，應(yīng)用于輸送鋁液和地下熱水。1996年，前蘇聯(lián)建成年產(chǎn)量1 500 t鐵氧體的燃燒合成連續(xù)生產(chǎn)線。1987年，前蘇聯(lián)建立了SHS研究中心— — 蘇聯(lián)科學(xué)院宏觀動力學(xué)研究所，由創(chuàng)始MERZHA—NOV A G任所長。前蘇聯(lián)在自蔓燃高溫合成材料及其制造技術(shù)和應(yīng)用上取得了巨大成就。2O世紀(jì)8O年代以后，自蔓燃高溫合成技術(shù)開始世界范圍的發(fā)展。美、中、日和歐洲將自蔓燃高溫合成與不同致密化技術(shù)結(jié)合，開發(fā)了一系列材料反應(yīng)加工技術(shù)，將材料合成與加工一步完成，稱之為非常規(guī)自蔓燃高溫合成技術(shù)，包括反應(yīng)球磨、反應(yīng)燒結(jié)、反應(yīng)熱壓、反應(yīng)熱等靜壓、反應(yīng)爆炸固結(jié)、反應(yīng)滲透、反應(yīng)涂層、反應(yīng)焊接、反應(yīng)熱噴涂、反應(yīng)冶金、反應(yīng)鑄造、反應(yīng)熱擠、反應(yīng)熱軋、反應(yīng)鍛壓，等等。這些加工技術(shù)的點燃模式和燃燒波傳播模式都與前蘇聯(lián)發(fā)展的自蔓燃高溫合成有所不同。隨著自蔓燃高溫合成內(nèi)涵的擴(kuò)展，許多學(xué)者認(rèn)為“燃燒合成”比“自蔓燃高溫合成”更能反映過程的實質(zhì)。
    燃燒合成的反應(yīng)溫度高，使雜質(zhì)充分揮發(fā)，產(chǎn)品純度高；反應(yīng)時間短，容易獲得微米級、亞微米級甚至納米級粉末；致密化溫度低，勿需高溫爐，節(jié)能。燃燒合成以其工藝的特點而成為制備高性能、特殊結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的先進(jìn)技術(shù)。例如，反應(yīng)燒結(jié)、反應(yīng)熱壓和反應(yīng)熱等靜壓用于金屬間化合物的制備，可克服粉末制備困難、成形性和燒結(jié)性差的缺點；可制取具有梯度孔隙度和孔徑的過濾材料；用燃燒合成法制取有機(jī)物，具有節(jié)能、節(jié)省設(shè)備、工序少、污染小等優(yōu)點。燃燒合成產(chǎn)品已有：磨料、高溫潤滑劑、二硅化鉬加熱體、硬質(zhì)合金、形狀記憶合金、難熔金屬碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物、氫化物、金屬間化合物、高溫結(jié)構(gòu)合金、復(fù)合材料、梯度材料、耐火材料、鐵氧體、過濾材料、納米材料、有機(jī)物及環(huán)保材料，等等。利用燃燒合成技術(shù)可實現(xiàn)不同材質(zhì)包括鋼、高熔點金屬、石墨、陶瓷的2個部件的自焊和互焊，以及金剛石與基座之間的焊接。我國于2O世紀(jì)8O年代開始這項技術(shù)的研究，現(xiàn)在研究單位已達(dá)2O多家。9O年代中期，開發(fā)了陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管和不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合鋼管，并將陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品用于輸送煤灰渣、礦粉和焦炭等。9O年代末，研制出自蔓燃高溫快速加壓密實材料制備系統(tǒng)(SHS／QP)，實現(xiàn)材料合成與致密化一步完成。
    1．5 噴射成形(Spray Forming。SF)Ds-2o]噴射成形或稱霧化沉積，是制造金屬材料的一種新技術(shù)。噴射成形技術(shù)的創(chuàng)新在于，將液態(tài)金屬霧化(快速凝固)與霧化熔滴沉積(熔滴動態(tài)致密固化)結(jié)合，在一步冶金操作中直接將液態(tài)金屬轉(zhuǎn)化為一定形狀的、具有快速凝固組織、整體致密(相對密度可高達(dá)99．5 9／6～99．8 9／6)的高性能材料成形坯或半成形坯。噴射成形不但可明顯改善材料組織，而且材料受污染少。噴射成形M2高速鋼，其碳化物晶粒細(xì)小(2～3 m)且分布均勻，熱處理性能好，可磨削性比同類鑄錠鋼提高6O 9／6。噴射成形12 9／6 Cr不銹鋼鍛造制品，與鑄鍛材料相比，其伸長率由7 提高到19 ，面縮率由17％提高到57 ，并增強(qiáng)了材料的耐點蝕性。噴射成形軋輥的一次碳化物晶粒明顯細(xì)化且彌散均勻分布，其壽命為鑄造軋輥的3～5O倍。采用噴射成形制造的青銅合金，綜合性能好，強(qiáng)度高，耐摩擦，電導(dǎo)率高，冷熱加工性好，冷變形后彈性模量低、流變性能高，適合制造彈簧。我國采用噴射成形Zn-27A1—1Cu合金制造滑動軸承，其使用壽命比鑄造ZA27合金高1．5倍，比巴氏合金高1．8倍。噴射成形技術(shù)*早見于1958年BRENNAN J用金屬噴射工藝生產(chǎn)半成品的美國專利。然而，直到1968年才由英國Swansea大學(xué)SINGERT A RE提出噴射成形的概念。其原理是將霧化的金屬液滴噴射在旋轉(zhuǎn)的載體上，形成沉積坯料，隨后熱軋或冷軋成板材。1974年，經(jīng)英國Osprey Metals公司進(jìn)一步研究，發(fā)展成稱為“Osprey Process”的噴射成形技術(shù)，用來制備棒坯和管坯。該公司成功實現(xiàn)了不銹鋼沉積預(yù)制坯鍛造，取得2項專利。2O世紀(jì)8O年代是噴射成形技術(shù)發(fā)展的重要階段，出現(xiàn)了有明確應(yīng)用目的和具體產(chǎn)品對象的系統(tǒng)研究，基本工藝進(jìn)一步優(yōu)化，并逐步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。1980年，英國Aurora鋼鐵公司發(fā)明“控制噴射成形法(CSD)”，可一次霧化生產(chǎn)2 t工具鋼。1985年后，美國麻省理工學(xué)院提出液相動態(tài)壓實法(LDC)，以高壓氣霧化或超聲氣霧化細(xì)小液滴噴射成形，制取鋁、鎂等輕金屬合金。許多公司認(rèn)購了Osprey許可證，建立生產(chǎn)棒、盤、板、管等合金型材的工廠。
    德國Mannesmann Demag公司建立了Osprey法鋼板實驗廠，熔煉爐容量1t，鋼板*大尺寸為1．2 m×2．0 m，厚5～10 ram。據(jù)1985年報道，NSwC購買容量達(dá)5t的噴射成形設(shè)備，所制備的管坯直徑1m、長6 m。1987年，瑞士Alusuisse—Lonza-Services公司的噴射成形工廠開業(yè)，生產(chǎn)尺寸為d 0．25m×1．0 m的鋁圓棒材。美國General Electric公司購買Osprey專利，用于生產(chǎn)鎳基高溫合金。噴射成形為高溫合金航空發(fā)動機(jī)零件成形提供了有效途徑。8O年代后期，Howmet公司引進(jìn)Osprey設(shè)備，制造了多種不同型號發(fā)動機(jī)的環(huán)形件，環(huán)形件*大尺寸d 850 mm×500 mm。90年代噴射沉積工業(yè)應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大。1991年，瑞典Sandvik Steel公司率先應(yīng)用噴射成形技術(shù)生產(chǎn)不銹鋼管和復(fù)合鋼管，熔煉爐容量1．2 t，沉積速率8O～100 kg／min，沉積金屬收得率為8O ～9O ，管的尺寸為d 0．4 m×8m。90年代進(jìn)入工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用階段。1991年，德國Wieland公司和瑞士Swiss Metall Boillat公司開始用噴射成形技術(shù)生產(chǎn)銅合金棒坯，其*大尺寸可達(dá)d 800 mm×2 000 ITlm，壁厚25～50 mm，主要用于制造彈簧、焊接電極和高強(qiáng)度高導(dǎo)電性電觸頭。1992年，日本住友重工業(yè)公司噴射成形軋輥廠開始出售高鉻鑄鐵和高速鋼／碳鋼復(fù)合軋輥。1994年，Osprey公司已經(jīng)授權(quán)25家公司或機(jī)構(gòu)生產(chǎn)噴射成形產(chǎn)品和設(shè)備。1997年，丹麥SteelWorks開始生產(chǎn)D2粉末工具鋼和T15型高速鋼棒坯，后者的尺寸為d 400 mm×1 000 mm，質(zhì)量1 t，年產(chǎn)2 000 t。1998年，噴射成形國際公司采用Spraycast—X工藝制備航空發(fā)動機(jī)環(huán)形件半成品，設(shè)備容量2．7 t，坯的質(zhì)量2．2 t，直徑140 cm，壁厚10 cm。Osprey Metals公司和Danspray公司采用雙霧化技術(shù)，其沉積速率比單霧化技術(shù)提高1倍，氮氣用量減少25 9／6，產(chǎn)品直徑由d 200 mm增加到400 mmj可在50 min內(nèi)噴射沉積出尺寸為d 400mm×2 400 mm，質(zhì)量2．4 t的D2工具鋼坯料。Os—prey Metals等公司擬建立連續(xù)噴射成形車間，實現(xiàn)毛坯原位切割，其年產(chǎn)能力將達(dá)到13萬t。90年代中了反應(yīng)噴射成形工藝，可在復(fù)合材料中形成彌散物，如Cu／TiB 復(fù)合材料中的TiBz粒子。
    噴射成形Al—Si系合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用是這項技術(shù)的突破性進(jìn)展，因為高硅Al—Si合金是無法用熔煉法和常規(guī)粉末冶金法制取的。1995年日本住友輕金屬公司開始生產(chǎn)過共晶A1-Si合金棒坯，棒坯尺寸達(dá)d 250 mm×1 400 mm，年產(chǎn)量1 000 t，主要供給日本Mazda公司制造轎車發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零件，其中A1—17Si一6Fe-Cu—Mg合金擠壓材用于制造Miller循環(huán)發(fā)動機(jī)葉片。1997年德國PEAK公司開始批量生產(chǎn)過共晶Al—Si合金棒坯，沉積速率15 kg／min，*大尺寸 (150~340 mm)x2 500 mm，年產(chǎn)3 000 t；棒坯可加工成Benz汽車*新一代V8和V12發(fā)動機(jī)汽缸襯套。工業(yè)實踐證實了噴射成形的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價值。噴射成形生產(chǎn)效率高，可達(dá)25～2O0 kg／min，產(chǎn)品質(zhì)量可達(dá)2 t以上。與鑄錠冶金工藝(IM)和粉末冶金工藝(PM)相比，Osprey法制造不銹鋼管材的工序分別由IM 工藝的17道和PM 工藝的12道減少到8道，生產(chǎn)成本比PM 降低40 9／6以上。噴射成形技術(shù)通用性強(qiáng)，靈活性大，適合制造多種金屬材料和型材，為顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、涂層材料和覆層雙性能材料提供了有效成形手段，并且可以生產(chǎn)盤、柱、管、環(huán)、板、帶等多種型材產(chǎn)品和半成品坯。歐洲4家公司合作，對噴射成形生產(chǎn)的質(zhì)量為1．2 t的D2冷加工工具鋼(1．5C13CrlMo0．1V)鋼錠進(jìn)行了評估，確認(rèn)了其工業(yè)化生產(chǎn)的可行性。我國對噴射成形的研究始于20世紀(jì)80年代末。研究項目中，鋁合金占有較大比重，此外還包括高溫合金、復(fù)合材料高硅鋼片和軋輥等。中國科學(xué)院金屬研究所建有超聲氣霧化液相動態(tài)壓實(USGA-LDC)試驗裝置，1988年研制成功快速凝固AF10Pb一1Cu合金。北京航空材料研究所研制成功真空感應(yīng)熔煉多功能噴射成形裝置，并用該裝置進(jìn)行高溫合金噴射成形研究。中南大學(xué)于1990年開發(fā)了多層噴射成形工藝和設(shè)備。據(jù)報道，我國用噴射成形法制備的Pb—Al滑動軸承及復(fù)合減摩帶材、冷軋軋輥等已開始進(jìn)入商品化階段。
    1．6 機(jī)械合金化(Mechanical Alloying，MA)n卜 9]機(jī)械合金化是一種用高能球磨法制取粉末新材料的技術(shù)，可以合成常規(guī)方法難以合成的偏離平衡態(tài)的“不可能的”合金(Impossible Alloys)。一些形成熱為正的材料系、在液相和固相都不互溶及熔點相差懸殊的合金材料，可以通過機(jī)械合金化制取。機(jī)械合金化可以顯著提高固溶度，例如，鋯在鋁中500℃ 的固溶度(平衡態(tài))只有0．5 9／5(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，而通過機(jī)械合金化可達(dá)20．19 9／6。概括起來，機(jī)械合金化在科學(xué)技術(shù)上的價值，在于通過下述機(jī)理研制各種新型材料：
    1)細(xì)化彌散相；
    2)細(xì)化顆粒或晶粒使其達(dá)到納米級；
    3)使有序金屬無序化，轉(zhuǎn)變成非晶態(tài)；
    4)增大固溶度，使在液態(tài)和固態(tài)均不互溶及熔點相差懸殊的金屬形成合金；
    5)在低溫下引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。
    機(jī)械合金化技術(shù)起初是為制取氧化物彌散強(qiáng)化和y 相沉淀硬化的鎳基高溫合金而開發(fā)的，隨后發(fā)展成為生產(chǎn)各種彌散強(qiáng)化鎳基、鈷基、鐵基、鈦基和鋁基粉末材料的系統(tǒng)方法。1970年，美國國際鎳公司BENJAMIN J S首先報道用機(jī)械合金化制造氧化物彌散強(qiáng)化鎳基合金(ODS)。所生產(chǎn)的MA754(Ni一20Cr-0．6Y O。)是*個機(jī)械合金化粉末產(chǎn)品，用于制造F一18戰(zhàn)斗機(jī)等3種飛機(jī)燃?xì)馕佪啺l(fā)動機(jī)的葉片。1985年該公司銷售的棒材超過110t。這種合金由于高溫蠕變性能和斷裂性能好、熔化溫度高以及耐環(huán)境性能好，而取代了原先使用的鑄造高溫合金。后來，又開發(fā)了MA738、MA760和MA6000系列商品；并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了鐵基合金材料，如含有大量AI(4．5 )的Fe-Cr-A1彌散強(qiáng)化合金MA956MA957，分別用作耐玻璃腐蝕材料和抗中子輻射的核燃料包殼材料。以上鎳基和鐵基合金于加入氧化物彌散體和鈦、鋁、鉻等活性合金元素，其綜合強(qiáng)度和耐腐蝕性能得到改善。20世紀(jì)70年代初，開發(fā)了IN9021和IN905XL，前者具有高應(yīng)變速率超塑性特性。70年代開發(fā)的氧化彌散強(qiáng)化的鎳基、鐵基、鋁基和鎂基材料，在航空發(fā)動機(jī)、輻射管、熱工部件、熱加工工具、耐海水腐蝕部件和儲氫材料等方面得到應(yīng)用。70年代末80年代初，機(jī)械合金化技術(shù)研究相繼取得許多重大突破。1979年，WHITE用機(jī)械合金化制取超導(dǎo)材料Ni。Sn，發(fā)現(xiàn)球磨后的粉末經(jīng)擴(kuò)散退火后轉(zhuǎn)化成非晶結(jié)構(gòu)。1983年，KOCH 等采用機(jī)械合金化由Ni、Nb的單質(zhì)混合粉直接制得Ni 。Nb 。非晶態(tài)和納米相合金。此后該方法被迅速移植于數(shù)十種合金系的制備。機(jī)械合金化是制取高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度銅合金的有效途徑。1989年，MORRIS M A等以納米晶Cu一5Cr合金粉末經(jīng)熱靜液擠壓固結(jié)，獲得晶粒尺寸為100~200 nm的合金材料，其抗拉強(qiáng)度為800 1000 MPa，導(dǎo)電性為35 9／6～70 IACS。1990年，SCHLUP等報道了用機(jī)械合金化成功制取納米晶材料。80年代另一重大發(fā)現(xiàn)是，用這種方法可以超出相圖的約束，制取多元素過飽和合金。90年代，將機(jī)械合金化與某些高新技術(shù)結(jié)合，衍生出新的技術(shù)，如反應(yīng)球磨技術(shù)、MA-SHS技術(shù)。MCMORMIK P G等利用機(jī)械合金化將金屬氧化物還原成金屬，實現(xiàn)金屬的化學(xué)精煉，尤其適用于Cu—Ti、Zr、Ta和稀土金屬的制備；他們還發(fā)現(xiàn)了機(jī)械合金化過程金屬一氧化物系、Al—Ni系)中的SHS現(xiàn)象。常用機(jī)械合金化設(shè)備有攪拌式球磨機(jī)、行星式球磨機(jī)、振動式球磨機(jī)等。為了減少球磨過程中的污染，開發(fā)了許多新型球磨機(jī)。HASEGAWA M等發(fā)明了摩擦法機(jī)械合金化設(shè)備，用這種設(shè)備研究了Cu—Ti系機(jī)械合金化過程，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速34 r／min、外力98 N條件下，經(jīng)9 h摩擦處理后，粉末基本轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷ЫY(jié)構(gòu)，且無污染。TATSUHIKO A等開發(fā)了反復(fù)擠壓機(jī)械合金化裝置。SZYMANSKIK等開發(fā)了無摩擦機(jī)械研磨機(jī)。澳大利亞科學(xué)儀器公司開發(fā)了Uni—Ball—Mill球磨機(jī)，其特點是以外加磁場控制球磨機(jī)內(nèi)磨球的運動。
    可用機(jī)械合金化制取的材料有：彌散強(qiáng)化合金、鋁合金、金屬基復(fù)合材料、磁性材料、儲氫材料、金屬間化合物、形狀記憶合金、非晶態(tài)材料、納米粉末材料，等等。機(jī)械合金化技術(shù)與液態(tài)急冷法相比，可以制取后者所不能得到的某些非晶態(tài)合金，如Fe—B、Fe—Al、Cu—Ti、Ni—Ti、Al—Ti、Ti—Mn、Zr—Ni、Ti—Ni—Cu、Co—A1、A1一Nb系合金；并更容易制取塊體非晶態(tài)合金材料。
    我國機(jī)械合金化尚處于研究階段。據(jù)1996～1999年哈爾濱工業(yè)大學(xué)報道：機(jī)械合金化制取的納米晶Mg Ni和Mg—Mg Ni復(fù)合材料，晶粒尺寸為1O～2O nm，具有很好的儲氫性能；用機(jī)械合金化制備的Cu一5Cr合金兼有細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用，其晶粒尺寸為100～12O nm，抗拉強(qiáng)度高達(dá)800～1 000 MPa，相對導(dǎo)電率達(dá)55 9／6～7O IACS，而伸長率維持在5％左右。1997年，上海材料研究所和上海交通大學(xué)報道了用機(jī)械合金化制取納米晶材料和亞穩(wěn)態(tài)合金材料的研究結(jié)果：Si。N —Fe合金晶粒尺寸在5O nm以下；原位生成的Al—Al。Ti復(fù)合材料在773 K溫度下，抗拉強(qiáng)度達(dá)78～ 86 MPa，硬度性能仍很穩(wěn)定。同年，浙江大學(xué)報道以機(jī)械合金化制備的非晶態(tài)Mg 。Ni 。儲氫合金，
    其*大電化學(xué)容量達(dá)500 mAh／g，約為晶態(tài)合金的1O倍。1999年，中南大學(xué)報道，用高能球磨法可合成90W一7Ni一3Fe納米晶復(fù)合粉末，并生成超飽和固溶體和非晶結(jié)構(gòu)。
    1．7 粉末注射成形(Powder Injection Molding，MIM)E30-36]粉末注射成形包括金屬注射成形(MIM)和陶瓷注射成形(CIM)，起源于2O世紀(jì)2O年代后期。二戰(zhàn)期間，氣相擴(kuò)散濃縮鈾工藝所采用的鎳過濾管是用有機(jī)黏結(jié)劑成形的。2O世紀(jì)4O年代，用粉末注射成形制造了陶瓷火花塞。5O年代，前蘇聯(lián)用石蠟作黏結(jié)劑成形了陶瓷制品。6O年代以前，PIM技術(shù)主要用于陶瓷件成形。1978年，美國RIVERS R D提出*個金屬注射成形專利。1979年，小WIECH等組建的Par—matech公司有2項粉末注射成形產(chǎn)品(噴氣式客機(jī)鎳螺紋密封環(huán)、液體推進(jìn)火箭發(fā)動機(jī)鈮合金推進(jìn)室和噴射器)獲得國際粉末冶金會議設(shè)計大獎，引起工業(yè)界的注意，并且導(dǎo)致金屬注射成形技術(shù)正式面世。1980年，RAYMOND W 提出*個實用化金屬注射成形專利。超高壓水霧化和高壓惰性氣體霧化技術(shù)，為金屬注射成形解決了細(xì)粉供應(yīng)問題，而粘結(jié)劑成分和脫脂工藝的改進(jìn)顯著縮短了脫脂周期。這樣，金屬注射成形技術(shù)競爭能力大大增強(qiáng)，促使其在80年代中期進(jìn)入蓬勃發(fā)展時期，并且，通過成形高性能材料而進(jìn)入制造技術(shù)的前沿領(lǐng)域。
    1985年以后，美國注射成形生產(chǎn)年增長率達(dá)30% 。 1986年，日本Nippon Seison公司引進(jìn)小WIECH工藝；據(jù)1988年報道，該公司采用金屬粉末注射成形技術(shù)成功制備了質(zhì)量為2．5 kg的渦輪盤和6．8kg合金件的大型零件。1990年，以色列Metaior2000公司引進(jìn)Parmatech技術(shù)，建立了MIM 生產(chǎn)線。90年代初期，美國為推進(jìn)這項技術(shù)，將其列為對美國經(jīng)濟(jì)繁榮和國家持久安全至關(guān)重要的“國家關(guān)鍵技術(shù)”，使美國注射成形產(chǎn)業(yè)在90年代得到迅速展。       
    德國BASF公司于90年代初開發(fā)的Cata—mold催化脫脂技術(shù)，結(jié)合熱脫脂和溶劑脫脂的優(yōu)點，大幅度縮短了脫脂時間，并減少了脫脂時零件的變形，可以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。9O年代末，德國發(fā)明了微型注射成形技術(shù)，可制造尺寸小至50／*m 的金屬零件(如齒輪、渦輪)和質(zhì)量僅0．5 mg的陶瓷件。同期英國Cranfild大學(xué)發(fā)明金屬共注射成形技術(shù)，將標(biāo)準(zhǔn)注射成形技術(shù)和層狀注射成形技術(shù)結(jié)合，一步完成復(fù)雜形狀零部件的成形和表面處理。1986年，世界粉末注射成形產(chǎn)品銷售額近1 000萬美元，1996年增至5億美元，1O年間增長1O倍。2O世紀(jì)中后期，粉末注射成形產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值年增長率為22％ ，并在粉末冶金中占有很大份額。1999年全球粉末注射成形總產(chǎn)值為1O億美元，而傳統(tǒng)粉末冶金為15億美元。1985年，有Parmatech等9家公司從事粉末注射成形生產(chǎn)。1997年全世界粉末注射成形生產(chǎn)廠有225家，1999年達(dá)550家。美國是粉末注射成形產(chǎn)品主要生產(chǎn)國，產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的5O 9／6(歐洲占3O ，亞洲占2O％)，并制訂了粉末注射成形材料的MPIF35標(biāo)準(zhǔn)。我國于2O世紀(jì)8O年代開始進(jìn)行粉末注射成形技術(shù)的開發(fā)，9O年代中期投入生產(chǎn)，但規(guī)模不大。金屬注射成形將塑料注射成形與粉末冶金工藝完美結(jié)合，特別適合制造用常規(guī)粉末冶金方法不能或難以成形的特殊形狀的零件。其工藝特點是，使加熱軟化的注射料在壓力下流動，均勻充填模腔各個部位，將其形狀拷貝下來，從而獲得幾何形狀與模腔完全相同的坯件。其優(yōu)勢在于能以低成本大批量生產(chǎn)復(fù)雜形狀、高精度和高性能的零件。從選擇金屬成形工藝的2個主要決定因素即生產(chǎn)量和零件形狀復(fù)雜程度考慮，金屬注射成形獨占鰲頭，優(yōu)于精密鑄造、模鑄、壓制燒結(jié)和切削加工。當(dāng)零件產(chǎn)量超過5 000件時，金屬注射成形與其它工藝相比，成本至少降低3O 9／6。金屬注射成形零件精度高，是一種近終形和終形成形技術(shù)。在生產(chǎn)條件下零件尺寸精度達(dá)±0．5 ，美國Thermal Precision Tech—nology公司開發(fā)的“精密金屬注射成形”技術(shù)更是高達(dá)±0．1 9／6。金屬注射成形特別適于制造小型零件，一般質(zhì)量在300 g以下，尺寸在12．7 mm以下；但已成功制造出質(zhì)量為2．5 kg的渦輪盤和6．8 kg的合金件。金屬注射成形采用的粉末原料，其粒度在20 Fm以下，活性大，可使燒結(jié)坯達(dá)到高密度(固相燒結(jié)的相對密度可達(dá)95 9／6以上)，且密度分布均勻，因而性能好且各部位一致。適合金屬注射成形的材料多種多樣，現(xiàn)已生產(chǎn)的材料有：鐵、合金鋼、不銹鋼、工具鋼、難熔金屬、硬質(zhì)合金、鈷合金、高溫合金、磁性材料、低膨脹系數(shù)合金、金屬間化合物、金屬陶瓷，等等。粉末注射成形技術(shù)的上述優(yōu)勢，是其得以迅速發(fā)展的根本原因。產(chǎn)品已應(yīng)用于汽車、鐘表、醫(yī)療器械、通用器械、電動工具、五金、工具、計算機(jī)、微電子、辦公機(jī)械、紡織機(jī)械、食品機(jī)械、飛機(jī)、火箭以及武器等領(lǐng)域。 

來源：<<粉末冶金材料科學(xué)與工程>>