球磨時間對制備W-Nb合金粉末特性的影響

鎢作為一種重要的難熔金屬材料，因其高熔點、高導(dǎo)熱系數(shù)、低蒸氣壓、耐輻照損傷等特點，在眾多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用被認(rèn)為是最有前途的聚變反應(yīng)堆用候選材料之一。

然而，由于純鎢材料存在低溫脆性、再結(jié)晶脆性、輻照脆性以及高溫力學(xué)性能較差等問題，限制了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。

研究表明，在鎢中加入鈮可以通過固溶強(qiáng)化有效地改善鎢的室溫和高溫力學(xué)性能，因此W-Nb合金在核工業(yè)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力。

增材制造技術(shù)（又稱3D打印技術(shù)）是一種以逐層疊加的方式制造物體的過程，適用于復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)的直接成形，為鎢基材料復(fù)雜構(gòu)件的成形提供了新的途徑，可解決傳統(tǒng)粉末冶金過程流程長、難以成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的問題。

由于鎢基材料的熔點較高，預(yù)合金粉末的制備難度較大。球磨法是物料在機(jī)械力的作用下發(fā)生混合或合金化的過程，制備流程簡單、成本低、適用性廣。

因此，本文采用機(jī)械球磨的方法，以球形鎢粉和納米鈮粉為原料，制備了增材制造用W-Nb復(fù)合粉末，并采用粉床型電子束增材制造（SEBM）技術(shù)對粉末的適應(yīng)性進(jìn)行驗證。

粉末制備 以粒徑為15~45 μm的球形鎢粉（圖1（a））和粒徑<150 nm 的鈮粉 （圖1（b））為原料， 其中鈮粉的含量為3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

采用行星式球磨機(jī)對兩種粉末進(jìn)行機(jī)械球磨，為保證納米粉末充分分散， 采用無水乙醇作為分散介質(zhì)，球磨時間分別為8h，15h， 24h和36 h.

圖2為不同球磨時間下W-Nb復(fù)合粉末的XRD圖譜， 可以看出W-Nb復(fù)合粉末中同時存在鎢、 鈮相， 鎢鈮兩種元素之間沒有完全發(fā)生固溶反應(yīng)。由于在球磨過程中球體劇烈撞擊粉末， 粉末表面發(fā)生顯微變形， 顯微變形累積到一定程度， 內(nèi)部晶粒開始細(xì)化。

圖3為不同球磨時間粉末的粒度分布和粉末的球形度、 對稱度， 可以看出， 球磨對粒徑的整體分布影響不大。 但是球磨對粉末的球形度和對稱度的影響較明顯， 隨著球磨時間增大，粉末的球形度和對稱度下降。

結(jié)合不同球磨時間W-Nb 復(fù)合粉末的表面形貌（圖4）， 可以看出球磨時間為8 h時， 納米粉末顆粒較小， 表面能較大， 粉末之間仍有較明顯的吸附團(tuán)聚現(xiàn)象； 當(dāng)球磨時間為15 h時， 球形鎢粉并未發(fā)生明顯變化， 納米鈮粉充分分散， 并均勻分布在球形鎢粉表面； 繼續(xù)增大球磨時間鎢粉表面開始出現(xiàn)變、 破損， 鎢粉表面的鈮粉發(fā)生一定的粘結(jié)；

當(dāng)球磨時間達(dá)到36 h時， 球形鎢粉破損嚴(yán)重。

隨球磨時間增大， 塑/脆兩種粉末的變化過程如圖5所示。

結(jié)合上述分析， 球磨15 h后W-Nb復(fù)合粉末的綜合性能最佳。 采用SEBM技術(shù)對該粉末進(jìn)行成形性驗證，結(jié)果表明： 粉末的流動鋪展性好， 滿足成形過程要求。

圖6為不同重復(fù)使用次數(shù)后W-Nb合金粉末形貌， 可以看出納米鈮粉和球形鎢粉之間的吸附強(qiáng)度可避免在粉末鋪展過程中發(fā)生不同密度粉末的團(tuán)聚、 分層現(xiàn)象。 循環(huán)使用3次后， 粉末仍保持吸附狀態(tài)（圖6（c））， 流動性、 均勻性等仍滿足成形過程要求。

表1為粉末原料和粉床電子束增材制造W-Nb合金的化學(xué)成份， 可以看出， 成形后樣品的O， Nb元素的含量略有降低， 主要是由于納米鈮粉吸附了一定的氧， 在粉床電子束成形的高溫環(huán)境下少量的吸附氧被去除， 同時， Nb元素在高溫熔池內(nèi)部也有少量的揮發(fā)。

圖9（a）為SEBM成形W-Nb合金顯微形貌， 可見合金沿成形方向形成典型的柱狀晶組織。晶粒平均尺寸為25.10 μm， 晶粒分布如圖9（b）所示。

1.通過機(jī)械球磨可以將納米鈮粉均勻分散并吸附在微米級球形鎢粉表面， 形成包覆型復(fù)合粉末。

2. 隨著球磨時間的增長粉末主要發(fā)生以下變化：

a） 球形鎢粉形貌不變， 納米鈮粉之間發(fā)生明顯的團(tuán)聚；

b） 球形鎢粉形貌不變， 納米鈮粉充分分散且在球形鎢粉表面吸附；

c） 吸附在球形鎢粉表面的鈮粉之間發(fā)生一定的冷焊， 球形鎢粉表面開始出現(xiàn)少量破損；

d） 鈮在鎢中發(fā)生一定的固溶， 但是球形鎢粉大量破損。

3. 采用SEBM 技術(shù)對復(fù)合粉末成形適應(yīng)性進(jìn)行了驗證。 復(fù)合粉末鋪展均勻、 穩(wěn)定， 成形樣品成分均勻， 晶界處不存在明顯的鈮元素富集

通過球磨的方式可以讓納米粉末包覆在微米粉末表面，并通過噴粉的方式進(jìn)行SEBM技術(shù)成型。但對于SLM等通過鋪粉進(jìn)行打印成型的方式，包覆層容易被刮刀反復(fù)剮蹭而脫落。并且包覆粉在打印后的篩分過程中也容易脫落，粉末重復(fù)使用時，包覆效果和使用性能無法得到保證。

鋮豐材料研發(fā)出新型粉末表面包覆工藝，使用物理沉積法在金屬及陶瓷微米粉表面包覆增強(qiáng)相。高把持力包覆層能夠保證粉末在鋪粉打印和篩分過程基本不會剝離，保證復(fù)合材料粉末使用的一致性和可循環(huán)性。

【增材制造用W-Nb合金粉末的制備與應(yīng)用】

文章編號：0258-7076（2023）10-1453-07