粉末冶金是將金屬粉末制成金屬（或金屬與非金屬混合物）粉末為原料，經(jīng)過成型、燒結等工藝獲得零件和制品的工藝方法。金屬粉末作為工業(yè)的主要原料，廣泛應用于機械、冶金、化工、航空航天材料等領域。金屬粉末是粉末冶金工業(yè)的基礎原料，其產(chǎn)量和質(zhì)量決定著粉末冶金工業(yè)的發(fā)展。

金屬粉末通常是小于1mm的金屬顆粒的集合體，粒度區(qū)間的劃分尚無統(tǒng)一規(guī)定，常用的分類方法是：粒度1000～50μm的顆粒為常規(guī)粉末；50～10μm為細粉末；10～0.5μm為極細粉末；<0.5μm為超細粉末；0.1～100nm為納米粉末。每個粉末顆?？赡苁且粋€晶體，也可能由多個晶體組成，這取決于粒度大小和制備方法。

2.金屬粉末的制備方法

目前工業(yè)上生產(chǎn)粉末的方法有幾十種，但按生產(chǎn)過程的實質(zhì)分析，主要分為機械法和物理化學法兩大類。粉末既可以由固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)金屬直接精煉而得，也可以由不同狀態(tài)的金屬化合物經(jīng)還原、熱解、電解轉變等方法制得。難熔金屬的碳化物、氮化物、硼化物和硅化物，一般可以用化合法或還原化合法直接制備。由于制備方法不同，同一種粉末的形狀、結構、粒度往往有很大差異。

金屬粉末生產(chǎn)方法的選擇取決于原材料、粉末類型、粉末材料的性能要求以及粉末生產(chǎn)效率。隨著粉末冶金制品的應用越來越廣泛，對粉末顆粒的尺寸、形狀和性能的要求也越來越高。因此，粉末制備技術也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新，以滿足顆粒尺寸和性能的要求。

2.1 機械物理法

機械法是借助外加機械力將金屬破碎成所需粒度粉末的加工方法。制備過程中材料的化學成分基本不變。目前常用的方法有球磨法和研磨法，其優(yōu)點是工藝簡單、產(chǎn)量大，可以制備一些常規(guī)方法難以獲得的高熔點金屬及合金的超細粉末。

2.1.1球磨法

機理：球磨法主要分為滾球法和振動球磨法，該方法利用金屬顆粒在不同應變速率下因應變而破碎、細化的機理。

用途：本方法主要適用于制備銻、鉻、錳、鐵鉻合金等粉末。

優(yōu)缺點：優(yōu)點是操作連續(xù)，生產(chǎn)效率高，適用于干磨和濕磨，可制備多種金屬及合金的粉末。缺點是對物料的選擇性不強，粉末制備過程中級配困難。

圖1 150r/min球磨12h(a)、18h(b)、24h(c)所得銻粉樣品的TEM照片

2.1.2 磨削方法

機理：研磨方式是將壓縮氣體經(jīng)特制噴嘴后噴入研磨區(qū)，帶動研磨區(qū)內(nèi)物料相互碰撞、揉搓成粉；氣流膨脹后隨物料上升進入分級區(qū)，達到粒度的物料經(jīng)渦流分級機分選出來，剩余的粗粉返回研磨區(qū)繼續(xù)研磨，直至分離出所需粒度。

用途：廣泛應用于非金屬、化工原料、顏料、磨料、保健藥品等行業(yè)的超細研磨。

優(yōu)缺點：由于研磨法采用干法生產(chǎn)，省去了物料的脫水干燥工序；產(chǎn)品純度高、活性高、分散性好、粒度細且分布窄、顆粒表面光滑。但研磨法也存在設備制造成本高，金屬粉末生產(chǎn)過程中必須使用持續(xù)的惰性氣體或氮氣作為壓縮氣源，耗氣量大，僅適用于脆性金屬及合金的破碎、粉碎等缺點。

2.1.3 霧化法

機理：霧化法一般利用高壓氣體、高壓液體或高速旋轉的葉片，將高溫高壓下的熔融金屬或合金破碎成細小的液滴，然后在收集器中冷凝，獲得超細金屬粉末。此過程不發(fā)生化學變化。霧化是生產(chǎn)金屬及合金粉末的主要方法之一。霧化方法有很多，例如雙流霧化、離心霧化、多級霧化、超聲波霧化技術、緊耦合霧化技術、高壓氣體霧化、層流霧化、超聲波緊耦合霧化和熱氣霧化。

應用：霧化法通常用于生產(chǎn)鐵、錫、鋅、鉛、銅等金屬粉末，以及青銅、黃銅、碳鋼、合金鋼等合金粉末。霧化法滿足了3D打印耗材對金屬粉末的特殊要求。圖3顯示了德國某廠商生產(chǎn)的不銹鋼粉末的微觀結構。

優(yōu)缺點：霧化粉末具有球形度高、粉末粒度可控、氧含量低、生產(chǎn)成本低、適應多種金屬粉末生產(chǎn)等優(yōu)點，已成為高性能及特種合金粉末制備技術的主要發(fā)展方向。但霧化法存在生產(chǎn)效率低、超細粉末產(chǎn)率低、能耗相對較大等缺點。

圖2 德國某廠商3D打印不銹鋼粉末微觀結構

2.2 物理化學法

物理化學法是指在粉體制備過程中，通過改變原料的化學組成或團聚狀態(tài)來生產(chǎn)超細粉體的方法。根據(jù)化學原理不同，可分為還原法、電解法和化學置換法。

2.2.1 還原法

機理：還原法是在一定條件下用還原劑還原金屬氧化物或金屬鹽來制備金屬或合金粉末的方法，是生產(chǎn)中應用最廣泛的制粉方法之一。常用的還原劑有氣體還原劑（如氫氣、分解氨、轉化天然氣等）、固體碳素還原劑（如木炭、焦炭、無煙煤等）和金屬還原劑（如鈣、鎂、鈉等）。以氫氣為反應介質(zhì)的加氫脫氫法是最具代表性的制備方法。它利用原料金屬易加氫的特點，在一定溫度下使金屬與氫氣加氫生成金屬氫化物，然后用機械方法將得到的金屬氫化物破碎成所需粒度的粉末，再在真空條件下脫除破碎后的金屬氫化物粉末中的氫氣，即得到金屬粉末。

用途：主要用于制備Ti、Fe、W、Mo、Nb、W-Re等金屬（合金）粉末。例如，鈦（粉）在一定溫度下開始與氫發(fā)生劇烈反應，當氫含量大于2.3%時，氫化物疏松，易被粉碎成細小顆粒的氫化鈦粉末。在700℃左右溫度下分解，除去鈦粉中溶解的大部分氫，即可得到鈦粉。

優(yōu)缺點：優(yōu)點是操作簡單，工藝參數(shù)容易控制，生產(chǎn)效率高，成本低，適合工業(yè)化生產(chǎn)；缺點是只適用于易與氫發(fā)生反應，吸氫后材料變脆易碎的金屬材料。

2.2.2電解法

機理：電解是通過電解熔融的鹽或鹽水溶液，使金屬粉末在陰極沉積析出的方法。

應用：電解水溶液可生產(chǎn)Cu、Ni、Fe、Ag、Sn、FeNi等金屬（合金）粉末，電解熔鹽可生產(chǎn)Zr、Ta、Ti、Nb等金屬粉末。

優(yōu)缺點：優(yōu)點是制備的金屬粉末純度高，一般單質(zhì)粉末純度可達99.7%以上；另外電解法可以很好地控制粉末粒度，并能生產(chǎn)出超細粉末。但電解粉碎電耗較大，粉碎成本較高。
圖4 超聲波電解制備鐵粉裝置

2.2.3羥基法

機理：某些金屬（鐵、鎳等）與一氧化碳合成金屬羰基化合物，重新加熱分解為金屬粉末和一氧化碳。

應用一個用途：工業(yè)上主要用于生產(chǎn)鎳、鐵的細粉、超細粉及FeNi、FeCo、NiCo等合金粉末。

優(yōu)缺點：這種方式制備的粉末非常細，純度高，但成本較高。

2.2.4 化學置換法

機理：化學置換法是將金屬鹽溶液中活性較低的金屬，根據(jù)金屬的活性，用活性較高的金屬置換出來，再用其他方法對置換得到的金屬（金屬粉末）進行進一步處理、精煉。

用途：本方法主要應用于Cu、Ag、Au等不活潑金屬粉末的制備。

金屬粉末制備方法匯總如表1所示。

3.總結

隨著科技的進步，金屬粉末在冶金、化工、電子、磁性材料、精細陶瓷、傳感器等領域得到了廣泛的開發(fā)和應用，展現(xiàn)出良好的應用前景，金屬粉末呈現(xiàn)出向高純、超細（納米）方向發(fā)展的趨勢。雖然超細金屬粉末的制備方法多種多樣，可根據(jù)用途和經(jīng)濟技術要求選擇不同的方法，但每種方法都存在一定的局限性，存在許多問題需要解決和改進。目前，應用最廣泛的金屬粉末制備方法有還原法、電解法和霧化法；此外，在改進傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的基礎上，也出現(xiàn)了許多新的生產(chǎn)工藝和方法，如真空蒸發(fā)冷凝法、超聲霧化法、旋轉圓盤霧化法、雙輥及三輥霧化法、多級霧化法、等離子體旋轉電極法、電弧法等。在金屬粉末的制備方法中，雖然許多方法已在實踐中得到應用，但仍然存在規(guī)模小和生產(chǎn)成本高等主要問題。為了促進金屬粉末材料的開發(fā)和應用，必須綜合利用不同的方法，取長補短，開發(fā)產(chǎn)量更大、成本更低的工藝方法。