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粉末冶金:将“散沙”凝聚成力量

来源:羊城晚报     2024年09月20日        版次:A05    栏目:珠江科学大讲堂    作者:李钢

     刘辛

    

  

  文/羊城晚报记者 李钢  图/主办方提供

  

  如何将“一盘散沙”凝聚起来,形成一种造福人类的“力量”?近日,由广州市科学技术局主办,广东科学中心和羊城晚报社联合承办的珠江科学大讲堂第128讲,邀请了广东省科学院新材料研究所副所长刘辛走进广州科学城中学,为师生们作《凝聚粉末的力量》的科普讲座。

  

  可用不同的方式制备金属粉末

  

  刘辛介绍,从本质上来说,沙子是粉末的一种表现形式,而在科学上,对于粉末的定义是:尺寸小于1毫米的离散颗粒的集合体。在日常生活中,粉末无处不在,例如面粉、奶粉等。而在工业领域,金属粉末可是一类极其重要的工业原材料。根据统计,70%以上的工业成品或者中间品是以颗粒形式存在的。

  无论是哪种粉末,在其堆积的状态时都呈现为松散的圆锥体,通过微观观察可以发现,不同的粉末颗粒有各种各样的形状,有球形、圆柱形、针状等。

  在工业应用上,可以用不同的方式去制备金属粉末。

  刘辛介绍说,第一种方式简单而“粗暴”——就是用机械的方式进行粉碎,将一块整体的金属材料变成不规则的粉末,用这样的方式来制备粉末产量大,成本也较低,但是问题就在于制成的粉末形状不规则。

  第二种方式则是化学的方法,利用还原剂将金属氧化物和金属盐类还原。这一方法也是目前工业生产中比较常见的方法。最后一种方式则采用了物理的方法,如工业上经常使用二流雾化法去制备球形粉末,所谓的“二流”是指用高压水或者气体击碎金属的液流,得到球形的粉末。

  刘辛指出,目前金属粉末呈现了高纯化发展的趋势,对于粉末的纯度要求越来越高,其中最大的挑战就是要控制其中的氧含量。

  此外,粉末的尺寸也在变得超细化(纳米化)。纳米粉末在未来会有非常广泛的应用场景,例如在芯片中就会用到纳米镍粉或者纳米银粉。

  “纳米粉末能够极大提升材料或者器件的性能。”并且,科学家们也在不断探索将粉末进行复合化。刘辛介绍,复合化指的是将两种以上的材料复合在一起,带来更多功能化的作用。比如,在碳化钨粉末的表面包裹上一层镍粉,可以提升材料的耐磨性,这个方法在钻头等耐磨材料领域得到了广泛应用。

  

  用粉末冶金技术将粉末凝聚成可用材料

  

  虽然通过各种方式得到了金属粉末,但是毕竟是“一盘散沙”,依然无法使用,那么,如何将粉末变成具有一定强度和性能的工业零部件?刘辛说,这就需要用到粉末冶金技术。

  刘辛说,传统的制造工艺往往是以金属锭为原料,通过熔炼、铸造、锻造、机械加工等手段来制造出所需要的零部件。但这个方法的整个流程很长,而且会造成许多原材料的浪费,其浪费的成本甚至可以达到总成本的80%以上。而通过粉末冶金技术,将作为原料的金属粉末,经过成形和烧结,可以制造出金属零部件。在粉末冶金流程中,有一个非常重要的环节叫作“烧结颈”,通过在微观尺度上实现粉末颗粒之间的相互紧密连接,将粉末凝聚成坚固可用的材料。这种方式大大节约了原材料,也大大缩短了生产流程,同时还能制造出一些结构特别复杂的零部件。

  刘辛说,其实粉末冶金技术的历史非常悠久,3000年前的古埃及人就曾经用碳还原铁的方法制备出了海绵铁。在20世纪初,发明家爱迪生采用了粉末冶金技术制造出了电灯的钨丝,将人类带入了电气照明的时代。

  

  最大的应用市场在汽车领域

  

  刘辛说,粉末冶金技术最大的应用市场其实是在汽车领域,超过半数的汽车零部件都是利用粉末冶金技术制造出来的。有数据显示,美国生产一辆普通的轿车,至少要使用230种、近750个粉末冶金的零件。从20世纪90年代开始,粉末冶金钛合金构件已经出现在了汽车生产中,相比起钢质构件,这种钛合金构件的重量可以减轻55%,而强度更大,堪称“超级钢”。此外,如果了解电动汽车,会听说过“永磁电机”的概念,而其中的“永磁”材料的学名叫铝铁硼,同样是利用粉末冶金技术生产的。

  近十年来,3D打印技术非常热门,并被认为是推动人类第三次工业革命的代表性技术。刘辛说,3D打印技术的原理是以数字模型为基础,通过逐层堆积的方式,将二维材料“堆”出三维的材料。而将这一技术与粉末冶金技术相结合,形成金属粉末3D打印技术,可以在工业领域大显身手。

  刘辛说,这一技术已经在火箭发动机、人体植入物等多方面得到了应用。

  “在商业航天领域,火箭发动机的很多零部件都可以用3D打印技术来制造。相比起传统生产流程,其效率能得到惊人的提升。”刘辛说,在2023年,美国的一家公司成功发射了一艘箭体均由3D打印而成的火箭。根据统计,3D打印技术可以使零件的质量和成本降低30%。

  刘辛还介绍说,其所在单位和医院合作,以钽合金粉为原材料,利用3D打印技术打印出人体的髋关节,并完成了国内首例的置换手术。钽合金比钛合金对人体的生物相容性更好,被认为是最亲和人体的金属。

  刘辛特别提到,除了3D打印技术外,还有一项被称为“粉末注射成形”的技术,也特别适合制作一些复杂的零部件。

  “华为刚刚推出了三折叠手机,这部折叠手机的转轴,其实就是用了粉末注射成形技术来实现的。这一技术比3D打印技术的效率更高,产量更大,而且成本更低。”