概述
高温铁粉 是由铁基合金制成的专用金属粉末，可在超过 850°C 的高温下工作而不会迅速失去强度。传统的铁粉和钢粉在超过这一临界值后会加速氧化和老化。
通过精心定制粉末化学成分和加工处理，可提高高温强度和耐环境性。需要此类极热结构材料的主要应用领域包括汽车、航空航天、发电设备和化学加工行业。
类型 高温铁粉
各种合金添加物可以改善高热性能：
| 合金类型 | 主要合金元素 | 最高使用温度 |
|---|---|---|
| 奥氏体不锈钢 | 镍、铬、锰 | 950°C - 1050°C |
| 高镍铁合金 | 镍、钴、钼 | 1000°c - 1200°c |
| 强化氧化物分散 | 添加 Y2O3 | 1050°C - 1150°C |
| 铁铝化物 | 铝、铬、钛、硅 | 750°C - 950°C |
高温粉末的生产方法
- 可控快速冷却气体雾化
- 水雾化
- 等离子体球化使不规则粉末变圆
- 用于不锈钢粉的羰基铁工艺
合金类型和成分
特种铁合金粉主要分为四类，设计用于在超过 850°C 的温度下长期使用：
奥氏体不锈钢粉
316L、304L 和 301L 不锈钢等合金含镍，可在 1100°C 高温下保持奥氏体 FCC 晶体结构；含铬，可在高温下通过铬（Cr2O3）表面保护膜实现抗氧化性。
| 合金元素 | 角色 | 重量 % 范围 |
|---|---|---|
| 镍 (Ni) | 奥氏体稳定剂 | 8 – 12% |
| 铬 (Cr) | 抗氧化性 | 16 – 18% |
| 锰 (Mn) | 强度和纹理细化 | 最高 2% |
| 氮 (N) | 加强 | 0.1 – 0.25% |
益处:优异的 "热强度"，易于压实和烧结，成本低于超级合金。
局限性:温度超过 1000°C 时容易发生蠕变，不适合用于承载动态应用。
高镍铁合金
含 25 - 60 wt% 镍的镍铁合金是高温强度、韧性和耐腐蚀性的最佳组合。在高达 1150°C 的高温下，镍的添加可显著降低扩散速度，减少有害的微观结构变化。
其他关键合金元素包括
| 合金元素 | 角色 | 重量 % 范围 |
|---|---|---|
| 镍 (Ni) | 固体溶液强化 | 25 – 60% |
| 铬 (Cr) | 抗氧化性 | 10 – 25% |
| 钴（Co） | 增强高温机械性能 | 10 – 25% |
| 钼（Mo） | 抗蠕变性 | 2 – 6% |
益处:在 1100°C 以上温度下具有无与伦比的机械性能，降解动力学速度较慢。热稳定的微观结构。
局限性:合金价格非常高，孔隙率控制困难，需要进行 HIP 增密。
氧化物分散强化铁合金
在氧化物分散强化合金中，材料基体中嵌入了非常细（50-100 nm）的惰性氧化钇颗粒。这些纳米级氧化物可阻碍位错运动，从而在 1000°C 以上保持强度。
| 合金元素 | 角色 | 重量 % 范围 |
|---|---|---|
| 氧化钇（Y2O3） | 具有热稳定性的纳米氧化物颗粒 | 0.25% – 1% |
| 铬 (Cr) | 耐环境性 | 高达 20% |
| 铝 (Al) | 增强氧化物分散 | 高达 4% |
益处:在 1100°C 以上的工作条件下，具有优异的微观结构稳定性和蠕变强度。
局限性:成本极高，加工困难 - 传统上通过机械合金化和固结法制造。
铝化铁（FeAl）合金
铝含量为 10- 40% 的铝铁合金通过形成持久的氧化铝（Al2O3）保护表层，在高达 900°C 的温度下具有出色的抗氧化和抗硫化性能。铬有助于表面保护。
| 合金元素 | 角色 | 重量 % 范围 |
|---|---|---|
| 铝 (Al) | 抗氧化性 | 10 – 40% |
| 铬 (Cr) | 增强耐环境性 | 5 – 10% |
| 碳，锆（C，Zr） | 硬质合金强化剂 | 高达 0.5% |
益处:环境稳定性强，密度比钢低，与超合金相比易于制造。
局限性:在 750°C 以上强度下降，抗蠕变性差，外加应力会增加虫害现象。
生产方法
利用特殊技术生产出具有适当特性的定制高温铁合金粉末：
气体雾化
- 通过控制熔融金属流的快速冷却，可将合金元素保留在溶液中，而不会形成沉淀物
血浆球体化
- 使用等离子炬将水雾化过程中产生的不规则粉末重新熔化，并重新凝固成球形粉末，非常适用于 AM 方法
多循环烧结-挤压
- 粉末在高温下反复压实、粉碎和筛分，以细化粉末分布，从而实现理想的 MIM 加工性能
机械合金化
- 球磨元素金属粉末在 ODS 合金中形成纳米分散的颗粒和团簇分布
羰基精炼
- 当成本较低的生产方法产生污染时，可生产出纯度极高的金属粉末
生产方法比较
| 方法 | 纯度等级 | 氧气含量 | 形态选项 | 吞吐量（吨/年） |
|---|---|---|---|---|
| 气体雾化 | 中度 | <1000 ppm | 大部分为球形 | 高 >20,000 |
| 水雾化 | 低 | 2000-4000 ppm | 不规则 | 非常高 >50,000 |
| 血浆球体化 | 中型 | 500-2000 ppm | 球形 | 低 <5,000 |
| 机械合金化 | 高 | <1500 ppm | 颗粒形状多变 | 低百 |
| 羰基工艺 | 极高 | <200 ppm | 球状/结节状 | 高 >25,000 |
表征方法
有几种分析方法对高温粉末合金的鉴定至关重要：
化学成分
- 光谱和湿化学技术可确定元素成分和数量--这是合金设计验证所必需的
- 碳、硫、氧、氮含量显示影响材料性能的加工过程引起的污染
颗粒大小和形态
- 激光衍射粒度分析仪可测定从 10 纳米到 3 毫米的全部粒度
- 扫描电子显微镜成像可观察到形状、表面特征、卫星颗粒和孔隙率，有助于进行制造工艺适用性评估和缺陷分析
晶体学
- X 射线衍射显示存在的物相、沉淀状态以及晶体特性的定量分析
- 通过微观结构演变评估热暴露对相分数的影响
粉末性能测试
- 霍尔流量计、表观密度和可压缩性可量化粉末行为，便于处理和加固
应用和用途
所设计的高温铁合金粉末具有独特的高强度、抗蠕变性和缓慢的降解动力学特性，这使其在恶劣的长时间热负荷情况下发挥着至关重要的作用，如
喷气发动机和陆基涡轮机部件
- 不锈钢或高镍合金盘、轴、壳体、齿轮、阀门面900 - 1200°C
核电厂和太阳能发电厂部件
- 高镍钢螺栓、隔热罩、集流管、管道和集流板可耐受超过 1000°C 的高温和腐蚀
汽车和航空航天部件
- 提高内燃机性能的不锈钢涡轮增压器轮毂
石化炼油和裂解设备
- 不锈钢热交换器、换热器、炉盘可在 1100°C 高温下抗翘曲和故障
此外，在生物、化学加工或电气系统中，面对侵蚀性氧化、渗碳和氯化物诱导的腐蚀机制，铁铝合金与传统合金相比具有独特的耐环境性优势，是替代不锈钢和超级合金的绝佳候选材料。
规格和等级
高温粉末合金必须满足化学性质、清洁度、颗粒特征和性能方面的最低规格要求：
合金牌号成分
| 合金类型 | 适用规格 | 成绩示例 |
|---|---|---|
| 奥氏体不锈钢 | AMS 5759、ASTM B898 | 定制 316L、301L、310L |
| 高镍铁合金 | AMS5383、ASTM B162 | IN625、HastelloyTM X、Nimonic® 80A |
| 加强氧化物分散 | 美国标准 B937、B934 | MA956、PM2000 |
| 铁铝化物 | ASTM C1072 | 定制的铁铝牌号 |
关键参数和阈值
| 参数 | 阈值 | 测试方法 |
|---|---|---|
| 氧气含量 | <4000 ppm | 惰性气体聚变 |
| 氮含量 | <1500 ppm | 惰性气体聚变 |
| 平均粒径 | 针对具体应用，量身定制 | 激光衍射 |
| 表观密度 | >2.5 克/立方厘米 | 霍尔流量计漏斗 |
| 水龙头密度 | >3.5 克/立方厘米 | 斯科特容积仪测试 |
| 流量 | >23 秒/50 克 | 霍尔流量计测试 |
采购商与信誉良好的粉末生产商合作，确定特定应用的表征需求以及反映服务条件和生产工艺要求的性能目标。
成本分析
工作温度大于 850°C 的特种高温铁合金粉的价格在很大程度上取决于以下因素：
1.基础材料
- 不锈钢成本最低，而超合金成本最高
2.合金添加剂
- 镍、钴和铼等特殊元素大大增加了材料成本
3.生产方法
- 水雾化和羰基工艺可实现更高的产量和更低的价格
4.额外处理
- 额外的粉末特性改进增加了成本
5.订购数量
- 批量增大可降低单价
| 合金等级 | 定价估算 | 成本因素 |
|---|---|---|
| 316L 不锈钢 | 每公斤 $15 - $30 | 合金成本低，生产率高 |
| 定制高镍合金 | 每公斤 $50 - $250 | 高价值元素，低产量 |
| 加强氧化物分散 | 每公斤 $250 - $1000 | 批量小，采用专门的机械合金工艺 |
| 铁铝化物 | 每公斤 $30 - $100 | 铝和铬含量低于超级合金 |
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高温铁合金的优缺点
优点和优势
可调化学性质和特性
- 可根据特定服务需求定制粉末成分和特性
经济生产可扩展性
- 有成熟的大批量制造方法
制造路线的灵活性
- 与金属 AM、MIM 和冲压烧结技术兼容
有利的成本经济学
- 避免使用贵重元素，使超级合金的成本大大提高
挑战与弊端
属性优化复杂性
- 改善一种特性（如高导电性）可能会对另一种特性（如强度）产生负面影响
熔点限制
- 为保证成分颗粒的稳定性，最大能力上限通常为 1150°C
后期处理要求
- 近乎完全的密度和优异的性能需要热等静压和热处理
有限的高压力-暴露复原力
- 抗蠕变性不如镍、钴或陶瓷基合金
以下是高温不锈钢粉与替代品的比较：
| 参数 | 高温不锈钢 | 镍超合金 | 陶瓷复合材料 |
|---|---|---|---|
| 熔点 | 1400°C | 1350°C | >1800°C |
| 密度 | 7.5 - 8 克/立方厘米 | 8 - 9 克/立方厘米 | >4 克/立方厘米 |
| 费用 | $ | $$$$$ | $$$ |
| 导热性 | 更好 | 更糟 | 类似 |
| 耐环境性 | 良好 | 更好 | 最佳 |
| 易于制造 | 优秀 | 中度 | 贫穷 |
常见问题
问：金属 AM 中高温不锈钢粉末的典型粒度分布是什么？
答：对于选择性激光熔融 (SLM) 和电子束熔融 (EBM) 等粉末床熔融工艺，常见的粒度范围是 15 μm - 45 μm。更细的粒度分布可以提高分辨率，但会影响粉末在层沉积过程中的铺展，并降低流动特性。
问：怎样的气体雾化冷却速率才能保持最佳合金粉末成分？
答：为实现化学稳定性和适当粉末形态的最佳组合，高温不锈钢和超级合金粉末广泛采用每秒 1000 - 3000°C 的凝固速度。
问：为什么氧化物颗粒含量过高会对高温铁合金造成损害？
答：在使用过程中，存在的氧化物会变粗和迁移，形成保护性和稳定性较差的氧化物群，从而加速氧化、硫化、渗碳或氯化环境的侵蚀，缩短部件的使用寿命。在合金开发过程中，必须根据最高暴露温度和工作条件仔细确定和控制氧含量。
问：有哪些方法可以将粉末密度提高到 >95% 理论值？
答：热等静压通常应用于初始 AM 或 MIM 制造后的高温不锈钢或超耐热合金部件，以消除残留孔隙，使材料性能接近相同强化热处理状态下的锻造合金。接近理论密度可确保机械强度。
问：为什么高强度、高导电率铜合金的氮含量控制在 1000 ppm 以下至关重要？
答：拾取氮气会形成非常坚硬、脆性的氮化物相，大大降低热导率和电导率，降低热管理应用的功能，同时降低制造过程中的成型性和延展性。