20世纪30年代,随着难熔金属技术的发展,硬质合金﹑多孔材料和铜-石墨电触头材料制品相继产生。40年代,矿业工程和汽车工业快速发展,研究粉末性质对材料制备过程和材料性能影响关系的粉末冶金学逐渐形成。在粉末冶金材料制备技术取得进步的同时,反应粉末性质与粉末冶金材料性能的研究内容获得了重要发展并日益丰富。粉末冶金学的一部分内容源于冶金物理化学,在金属氧化还原粉末制备方法中引进了自由能热力学和动力学计算判据,在金属雾化制粉过程中引入了冶金学和结晶学知识。在理论研究方面,苏联I.M.费多尔钦科[注]、M.Yu.巴尔申[注],美国I.夏皮罗[注]、F.V.勒尼尔[注],日本川北公夫,中国黄培云和赖和怡等,研究了金属粉末成形过程中压制压力与压坯密度间的关系;美国G.C.库钦斯基[注]、英国J.E.伯克[注]、美国W.D.金捷里[注]、德国W.塞斯[注]等对高温烧结过程原子迁移方式进行深入研究后,确立了金属粉末烧结过程原子迁移致密化原理,奠定了粉末冶金学的基础。
“粉末冶金学”一词在中国始见于80年代中期,由英文“Powder Metallurgy Science”翻译而来,其科学内涵和英国60年代英文“Powder Metallurgy Principle”(粉末冶金原理)基本相近,是粉末冶金研究和实践中总结归纳而形成的科学理论。1985年美国学者R.M.杰曼[注]系统性地提出了粉末冶金学。
粉末冶金学的研究内容主要有:①金属粉末制备过程的基本原理和基本方法。主要有金属粉末还原过程热力学因素和动力学条件、自由能变化判据,雾化过程中粉末粒径与雾化介质速度的关系,晶粒尺寸及非晶结构与冷却速率的关系,电解制粉过程中电极电位与粉末沉积关系中离子浓度与电流密度的关系。②金属粉末成形过程中的基本原理和基本方法。主要有表征压坯密度与压制压力关系的数学物理模型,压坯密度与模具摩擦力之间的关系,常温和高温时在不同应力状态下的粉末颗粒位移和弹塑性变形规律,粉末冷等静压成形、粉末温压成形、粉末挤压成形等特殊成形方法及成形中粉末的致密化行为等。③金属粉末烧结致密化原理。主要有烧结过程热力学因素、烧结动力学、致密化过程原子迁移驱动力、金属粉末烧结过程原子扩散和迁移机理、高温应力状态下金属粉末致密化机理、烧结过程孔隙结构变化和晶粒长大规律、烧结活化能变化方式及假合金烧结热力学条件等。④金属粉末粒径对材料制备过程及材料微观结构和性能的影响。主要研究孔隙度和孔隙结构对粉末冶金材料物理性能、力学性能的影响,以及研究表征孔隙度与材料物理性能、力学性能间关系的系列性数学物理模型。⑤特殊结构和特定性能的新材料设计与研究。主要研究粉末冶金方法在研发新材料方面所具有的特殊性,如先进航空发动机涡轮盘用高温合金材料采用粉末冶金技术制备,即成为兼顾有结构性质和功能性质的新材料。这类合金材料不同于传统铸造合金的固溶强化,主要依靠高剪切模量弥散颗粒钉扎和阻碍位错运动提高合金高温抗蠕变性能,具有更高的耐受温度。
自20世纪80年代以来,粉末冶金学在粉末制备原理及烧结致密化技术方面获得了重要发展。例如,金属雾化快速冷凝非平衡相结构微晶、非晶粉末结构与冷却速率的关系;材料力学性能与粉末粒径、粉末形状之间的相互关系;纳米晶材料的研究与制备;金属粉末增材制造、粉末喷射沉积、粉末注射成形、热等静压、加压烧结热致密化过程压力与密度变化的规律;高温烧结过程晶粒长大的控制方法和原理,等等。
粉末冶金学将继续在研究粉末制备方法、粉末性能和结构对材料性能的影响,以及发现、建立粉体材料成形方式和高温原子迁移方式与材料致密化之间的规律方面获得发展;同时发现和设计新材料以及各种难熔金属材料,制备常规方法难以制备的材料,如偏离相图设计的非平衡材料(航空发动机使用的弥散强化材料等),并能够满足性能要求。