粉末冶金包含多种制造半致密、全致密结构件的工艺技术，主要包括：模压烧结（P&S）、金属注射成型（MIM）、金属增材制造（AM）、热等静压/冷等静压（HIP/CIP）、粉末锻造（PF）、挤压、辊压、放电等离子烧结（SPS）等。

其中，前四种工艺技术是粉末冶金行业拓展新应用的核心重点。本文将结合《粉末冶金行业技术路线图》详细介绍各类工艺，以及应对现有与潜在挑战的材料、工艺研发方向，并列举各工艺的应用案例。

1、工艺流程将单质或合金粉末与合金元素、润滑剂、添加剂混合，制备均匀混合料（添加剂可提升零件的切削性、耐磨性、力学性能或润滑性）。大致流程为： 

以铁基材料为例，采用对置冲模将粉末压制成近净成形坯件，典型压制压力为410-550MPa（30-40吨/平方英寸）。随后将压坯在可控气氛炉中烧结，还原颗粒表面氧化物，防止冷却过程中氧化。烧结温度低于基体金属熔点，保温一定时间使原子扩散连接粉末颗粒，随后随炉冷却。 

多数满足功能要求的粉末冶金零件烧结后即可直接使用，也可通过复压、锻造、机加工、振动光饰、浸渗、电镀、热处理等工艺提升性能或增加特征。早期模压烧结零件多为轴套、轴承等简单形状，如今先进工艺可生产复杂轮廓、多台阶的精密零件。

2、挑战与机遇 

汽车行业对内燃机的依赖持续降低，而汽车行业消耗铁基粉末冶金产品超70%，该领域的重大变革给模压烧结工艺带来严峻挑战。若无汽车行业的大规模需求驱动，新材料研发将陷入停滞。应对市场变化、挖掘传统粉末冶金材料的替代用途，成为行业首要任务。

3、材料研发

替代锻造材料的新型材料：需研发性价比高、力学性能媲美锻造材料的高密度零件材料。 

高效精益/低合金钢：优化适配高温烧结的精益/低合金钢，提升疲劳性能。 

钢粉

计算材料工程：通过集成计算材料工程设计新型粉末冶金合金，提升性能、拓展应用。 

高密度材料体系：研发生坯状态下可成形高密度零件的材料体系；铁基零件通常添加0.5-1.0wt%的干润滑剂辅助脱模，但润滑剂的松装密度低，会占用空间影响生坯密度。 

高效润滑剂：研发适配模壁润滑技术的高效润滑剂，实现更高密度、良好脱模性与表面光洁度，最小化尺寸偏差，拓展应用场景。 

软磁复合材料（SMC）：汽车电动化推动粉末冶金行业参与电机及电机零件设计制造，SMC材料为电机叠片组提供三维磁通量与设计替代方案，是电动汽车、家电等领域的关键材料；需加强市场教育、推广、研发与标准制定，加速材料普及。 

无稀土永磁材料：无稀土永磁材料的商业化或是具备战略、可持续与经济价值的机遇，需加强研发与标准制定。 

有限元分析（FEA）建模材料性能：完善适配FEA建模的粉末冶金材料性能数据库，替代零件台架验证；需深入研究裂纹扩展、开发多尺度模型，实现材料精准建模。 

轻质材料：粉末冶金轻质结构件的商业认可度持续提升，需保障粉末性能稳定、降低成本；铝、镁、钛等先进轻质材料可实现减重与性能提升，助力电动汽车与混合动力汽车提升续航。 

金属基复合材料（MMC）：添加陶瓷颗粒增强相可提升金属合金的强度、刚度、耐磨性，同时降低密度与热膨胀系数；铝-碳化硅金属基复合材料应用持续拓展，需加强研发优化陶瓷颗粒与金属基体的结合性能。 

钢铁脱碳：美国能源部明确工业脱碳四大路径：能效提升、工业电气化、低碳燃料/原料/能源、碳捕获利用与封存（CCUS）；粉末冶金行业可通过原料选型、雾化与金属增材制造技术创新、热能/电能/氢能存储应用，助力脱碳目标实现。 

无钴硬质合金与钨重合金：研发性能等效的替代基体材料；硬质合金需解决脆性相规避、疲劳性能保持、涂层适配性、质量管控、可回收性等问题，钨重合金需保障强度与塑性的平衡。 

低脆性钨：持续研发降低块状钨韧脆转变温度的方法，拓展应用场景；可行路径包括铼以外的元素合金化、大变形冷加工、超细晶组织。 

超高纯难熔金属：研发将钨、钼、钽提纯至99.999%以上纯度的工艺，提升电子领域应用性能。 

微结构工程材料：多尺度控制晶粒与相界面，制备高强度、高耐热性的工程材料；需完善新型材料的粉末冶金标准。

4、工艺研发 

智能自动化/机器人：实现低速小批量与高速大批量压制、烧结、机加工的柔性自动化，降低投资与维护成本，提升生产效率。

钛合金固结：研发钛合金零件生产体系，包括可固结烧结的预合金粉末、无污染润滑剂、关键烧结参数管控，保障最终零件结构完整性。 

钛合金粉末

模壁润滑技术：减少粉末混合润滑剂用量，结合模壁润滑技术生产高密度零件；需优化润滑剂在模具中的喷涂控制工艺。 

烧结工艺优化：配合高密度压制技术，升级烧结炉设备，优化气氛与温度控制，研发经济型长寿命炉具，提升零件密度。 

无损检测（NDT）技术：升级无损检测技术，实现内部缺陷与裂纹的高频检测，降低废弃物。 

软磁复合材料（SMC）工艺优化：研发配套工艺与设备，充分发挥材料技术优势。 

磁性粉体

5、模压烧结的典型应用

• 软磁复合材料轴向/横向磁通电机

• 铝基复合材料变速箱行星架

• 电动汽车底盘、内饰、电驱系统阶梯式行星齿轮组及其他零件

• 不锈钢柴油机排气法兰

• 铁铬燃料电池连接件

• 电池多孔电极

• 可变压缩比活塞与连杆

• 风机液压系统与零件

• 可变气门正时（VVT）系统

• 电动助力转向（EPS）

• 变速箱行星架

• 机械二极管/单向离合器

• 粉末锻造螺旋行星齿轮

• 粉末锻造差速器齿轮

• 软磁喷油器磁芯

• 可变排量机油泵

• 制动系统压缩机离合器

• 聚变反应堆屏蔽件

1、工艺流程 

金属注射成型（MIM）可大批量生产复杂形状零件。工艺采用超细金属粉末（通常＜20μm），与粘结剂（热塑性塑料、石蜡等）定制混合为喂料，喂料注入常规注塑机模具型腔。脱模得到生坯后，通过热解或溶剂萃取去除粘结剂，随后在可控气氛炉中烧结成成品。大致流程如下： 

与塑料注塑成型类似，MIM可生产高度复杂的三维精密零件，若采用其他金属成形工艺，需大量后续机加工或组装工序。 

MIM工艺的核心优势：可生产近净成形零件，尺寸控制精准、力学性能优异、多腔模具可实现大批量生产。 

金属注射成型零件

2、挑战与机遇 

锻造、铸造、高速精密机加工等竞争金属成形工艺持续升级，对MIM构成威胁。高精度零件需求持续增长，MIM需发挥复杂近净成形优势。降低MIM零件尺寸偏差，可提升质量成本控制能力，开拓新市场。 

3、材料研发 

低偏差材料性能：研究单质材料、合金与添加剂的相互作用，优化粉末粒径、形状、分布、化学成分及界面张力，是降低尺寸偏差的核心。 

钛合金粉末：研发低成本、可固结烧结的预合金粉末，开拓新应用。 

新型粘结剂：研发降低成形密度与尺寸偏差的粘结剂，提升生产效率、降低废弃物。 

金属-聚合物复合材料：具备复杂形状易成形、无需脱脂烧结、性能组合独特等优势；钨聚合物复合材料广泛应用于配重、渔坠、辐射屏蔽，其他金属聚合物复合材料在磁性、电子领域存在应用机遇。

4、工艺研发 

烧结工艺优化：升级烧结炉设备，优化气氛与温度控制，研发经济型长寿命炉具，提升尺寸精度与重复性。 

MIM钛合金工艺：钛合金MIM零件已小批量生产，需优化工艺管控，保障粉末低杂质、避免粘结剂污染、实现高烧结密度，确保零件结构完整性。 

金属增材制造技术在MIM模具中的应用：MIM模具对产品开发周期总成本与交期影响显著，长交期、设计限制、成本压力，使金属增材制造的设计自由度（如模具随形冷却流道）成为行业优选。 

金属增材制造用于原型件/小批量生产：MIM模具成本高、交期长，不适用于小批量生产；金属增材制造可填补模具开发至经济量产阶段的产能缺口。 

零件设计：优化零件几何形状与材料选型，提升尺寸精度；优化粉末粒径分布提升固含量、减小收缩率，提升小型零件尺寸精度，降低大型零件变形，提升竞争力。 

模具设计：基于粉末-粘结剂相互作用的充模模拟，优化模具设计，降低密度与零件偏差；精准的烧结收缩与变形模拟，可优化模具设计，减少试错成本，实现目标烧结尺寸。

5、金属注射成型的典型应用

• 航空航天零件

• 汽车动力总成与变速箱零件

• 涡轮增压器叶片

• 喷油器喷嘴

• 硬质合金切削工具

• 手机振动马达配重与连接器

• 医疗/牙科及其他精密仪器零件

• 内窥镜与机器人手术器械

• 工业、计算机、办公产品、家电零件

• 高尔夫球杆

• 枪械与弓箭零件

• 手动工具

• 电子封装

• 珠宝与手表零件

• 微金属注射成型（Micro-MIM）零件

• 软磁零件

• 热管理零件

金属增材制造（AM，金属3D打印）有望改变零件的生产、上市周期与结构简化方式。与传统减材制造（机加工去除材料）不同，增材制造直接依据数字模型逐层堆积成形，无需模具。增材制造作为设计与原型工具已应用数十年，近年来重心转向航空航天、医疗/牙科、枪械、汽车、珠宝、消费品、能源等领域的直接零件生产。其持续增长依赖材料、性能、工艺与制造效率的升级。 

金属增材制造零部件

金属增材制造系统种类多样，均采用逐层成形原理，涵盖多种技术、材料与工艺。基于金属粉末的金属增材制造技术包括：粘结剂喷射技术（BJT）、冷喷涂增材制造（CSAM）、定向能量沉积（DED）、材料挤出（MEX）、材料喷射（MJ）、粉末床熔融（PBF）。

1、核心工艺介绍 

粘结剂喷射技术（BJT）：打印头选择性将液态粘结剂喷射到薄层粉末上，形成松散结合的生坯，后续炉中烧结致密；可采用金属、陶瓷、复合材料，依据3D CAD模型分层打印，适用于高产能、大打印面积场景，通用MIM粉末。 

冷喷涂增材制造（CSAM）：高速气流将颗粒低温沉积在基体上，颗粒撞击塑性变形并固相结合，逐层制备全致密金属零件。 

定向能量沉积（DED）：激光/电子束等聚焦能源熔化金属粉末，同步送粉逐层熔覆；混合系统集成CNC机加工，提升设计与尺寸精度。 

材料挤出（MEX）：热塑性塑料与金属粉末混合丝材，加热挤出逐层沉积，打印后需脱脂、烧结至近全致密。 

材料喷射（MJ）：与2D打印类似，打印头喷射悬浮粘结剂的金属材料，逐层沉积；金属颗粒为纳米级，层厚极薄，精度极高，打印后需脱脂、烧结。 

粉末床熔融（PBF）：激光/电子束选择性熔化金属粉末，依据3D CAD模型分层熔覆成形；多热源设备可生产大型零件。

2、挑战与机遇 

金属增材制造可生产其他工艺难以甚至无法制造的复杂异形零件，但要与大批量金属成形工艺竞争，仍需攻克重大挑战。航空航天与医疗行业引领金属增材制造应用，但设备限制、制造周期、商用合金有限、原材料成本高、跨行业验收标准缺失，仍是大批量应用的阻碍。特定应用场景需提升表面光洁度与后处理工艺，满足关键件要求。

3、材料研发

粉末规范制定：明确影响打印设备优化的粉末特性，制定设计工程师可用的材料规范，持续更新新型粉末标准。 

粉末测试方法标准化：制定统一测试方法，保障粉末供应商与零件生产商测试一致性，建立实验室测试与生产性能的关联。 

安全/合规：金属增材制造带来全新的工作场所安全、健康与环境风险，企业需掌握粉末储存、脱粉、溶剂使用等环节的安全风险，遵守国际法规。 

粉末利用率提升：制定最佳实践指南，明确打印余粉的回收标准。 

粘结剂喷射材料升级：提升生坯强度与脱粉性能，避免打印后缺陷。 

材料性能标准制定：头部企业已生产飞行关键金属增材制造零件，但全行业标准化缺失；需制定材料标准，提升航空航天、医疗/牙科、汽车、工业市场认可度，搭建材料数据库。 

材料种类拓展：金属粉末合金组合无限，为增材制造提供广阔机遇，商用材料持续扩容。 

新型合金研发：专为金属增材制造设计的合金（如铝-镁-钪高强合金）性能优异，但需攻克认证难题；高熵合金有望短期落地。 

多材料打印：实现单零件多粉末打印，局部优化力学与化学性能；可打印梯度功能材料，实现性能渐变。 

结构件轻量化：金属增材制造零件可优化承载设计，减少材料用量，实现轻量化。 

高超音速系统：金属增材制造结合高温合金，突破传统制造限制；燃油喷射器与复杂流道可高效混合燃料与氧化剂，不增加组件质量，提升发动机性能。

4、工艺研发 

粉末需求研究：传统热喷涂、MIM级粉末已适配增材制造工艺，需研发球形度高、内部孔隙少、卫星球少、粒径分布优化的粉末，提升流动性与致密度；深入研究前驱体材料对不同金属增材制造工艺的影响，拓展商用粉末适用范围。

3D打印用金属粉

打印速度与零件良率提升：拓展大批量应用需提升打印、清粉、后处理效率，优化打印过程稳定性，降低缺陷、提升良率。 

烧结型增材制造：深入研究增材制造零件的脱脂与烧结工艺，升级烧结炉设备，优化气氛与温度控制，研发经济型长寿命炉具，提升尺寸精度与重复性；活性材料与难熔金属体系仍存在工艺挑战。 

微结构管控：工艺参数、制造方式、后处理影响微结构，进而改变力学与材料性能；微结构直接影响静载、动载下的材料性能，全面掌握微结构可精准评估零件服役性能。 

质量保障：升级在线过程监测技术，优化自动化检测缺陷能力，保障零件质量。 

尺寸精度提升：生产高精度、高表面光洁度的直接可用零件；混合系统（DED/PBF+多轴CNC）是解决方案，但PBF工艺中机加工碎屑混入粉末是难题；多激光PBF可在不降低产能的前提下减小层厚、提升精度；优化粘结剂可控制溢料范围，结合仿真软件精准管控收缩与变形。 

后处理优化：DED/PBF打印零件的支撑结构与基板去除耗时，需研发减少支撑结构的方法，缩短后处理时间；专用设备已实现零件与基板分离、接触面抛光。 

脱粉工艺升级：残留粉末可导致零件灾难性失效，研发自动化脱粉设备、方法与工艺验证方案，满足大批量生产需求。 

粘结剂喷射零件搬运优化：打印态BJT零件需具备足够生坯强度，避免脱脂、烧结过程中搬运开裂。

5、金属增材制造的典型应用

• 航空航天：超10万件喷气发动机燃油喷嘴量产；拓展至其他喷气发动机零件；卫星轻量化、火箭发动机零件（喷嘴、燃烧室、喷射器）、新型运载火箭

• 汽车：PBF工艺售后零件；BJT工艺大批量零件量产；快速原型；制动系统、连杆、活塞、壳体、车架等轻量化组件；定制化轮毂；零件定制化

• 医疗/牙科：医疗影像钨防散射栅格与准直器；髋/膝骨科植入物；牙科定制应用

• 工业/消费品：采矿、油气零件；液压系统、阀门；集成复杂冷热流道的模具；复杂热交换器；体育用品；珠宝

• 国防：维护与修复；现场按需零件生产；轻量化应用 

3D打印金属零部件

1、工艺概况 

粉末冶金行业采用等静压工艺实现以下目标：

• 提升模压烧结、金属注射成型、金属增材制造零件的密度，消除缺陷

• 将金属粉末固结为坯件、棒料、近净成形产品

• 不同粉末冶金材料与产品的扩散连接 

等静压工艺向坯件或容器施加全方位均匀压力，仅流体可实现真正的等静压，流体可渗透复杂几何形状、小孔与缝隙，根据工艺参数选用气体或液体介质。该工艺消除了传统压制中模壁摩擦的影响，提升了给定压力下的平均密度与均匀性。粉末冶金行业等静压工艺主要分为两类，核心均为压力容器。 

冷等静压（CIP）：根据设备设计与尺寸，冷等静压压力最高可达600MPa（87000psi），通常采用水+油等添加剂的液体作为加压介质。工艺分为湿袋法与干袋法。湿袋法：粉末装入聚氨酯、乳胶等弹性模具或密封膜中，放入压力容器，密封后注入液体，模具全方位承受均匀高压；干袋法：压力容器内置弹性膜，隔离液体与模具。生产效率取决于压力、容器尺寸、自动化程度、泵容量等因素，最快可实现每分钟1次循环。 

热等静压（HIP）：标准热等静压设备压力最高200MPa（30000psi），温度最高2000℃（3632℉），温度均匀性与精度优异。因工艺温度高，采用惰性氩气作为压力介质，保护工件与炉具。氩气由储气系统供应，经压缩机通过阀门高压注入压力容器。气体压缩性远高于液体，工艺周期较长（通常数小时），但近期容器设计与冷却技术升级显著缩短了周期。热等静压有效实施的前提是工件表面气密性良好（通常致密度＞92%理论密度），避免表面连通孔隙，保障全致密成形；若无法满足，可采用容器传递压力。

2、挑战与机遇 

金属粉末直接热等静压传统用于涡轮发动机盘等特种零件，烧结件热等静压全致密因成本与周期限制，仅用于关键场景。金属增材制造的发展，推动热等静压需求大幅增长，用于消除火箭发动机、医疗植入物等关键零件的孔隙、优化微结构。热等静压已成功应用于多种金属增材制造材料，但微结构优化仍需进一步研发。 

航空发动机

3、材料研发 

复合材料：热等静压可连接多种材料制备复合材料，但氮化物、氧化物、碳化物、金属间化合物析出，扩散屏障、共晶相、热膨胀失配等是工艺挑战；至少一种材料为粉末时，结合效果与塑性更佳。 

全致密增材制造碳化硅：碳化硅与过渡金属碳化物增材制造零件，因强共价键与离子键，难以热等静压至全致密；可通过硅渗制备反应结合复合材料，但单片碳化硅增材制造零件的热等静压致密化工艺仍需研发。 

细晶组织：热等静压高温长周期易导致晶组织粗化，需研发保持金属增材制造零件细晶组织的工艺。

4、工艺研发 

周期缩短：创新热等静压设备设计（风机、热交换器、高压升级），提升冷却速率，缩短工艺周期。 

热等静压集成热处理：热等静压过程中加热可实现应力消除，热等静压后保温至固溶温度可实现固溶处理，冷却速率超100℃/秒可实现油淬等效热处理。 

热等静压包套制造：探索增材制造技术制备复杂形状热等静压包套（包壳）。

5、热等静压/冷等静压的典型应用 

• 金属、陶瓷、金属基复合材料粉末固结零件

• 增材制造、金属注射成型零件致密化

• 材料与零件扩散连接

• 二冲程柴油机四金属排气门

• 硬质合金

• 溅射靶材

• 医疗植入物

• 采矿、油气零件

• 工具钢棒料

• 航空航天零件

• 军械

资料来源：《粉末冶金行业技术路线图》，图源国内外粉末冶金公司官网。

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