高能球磨時間對純鉬微觀組織與力學性能的影響

2022-03-21 04:16:52張國君

中國鉬業 2022年1期

陳璇,李瑞,王娟,李斌,張國君

(西安理工大學材料科學與工程學院，陜西西安710048)

0 引言

鉬具有高熔點(2 620±20 ℃)、高密度(10.2 g/cm3)、高彈性模量(280～390 GPa)、低線性熱膨脹系數(5.8×10-6～6.2×10-6/K)、高耐磨性、良好的導電導熱性能、良好的耐酸堿及耐液體金屬腐蝕等性能[1-2]。因此鉬及其合金作為耐高溫結構材料和功能材料在鋼鐵、冶金、機械、化工、核能、電子、航天航空等各工業領域具有廣闊的應用前景[3]。

目前，粉末冶金技術廣泛應用于鉬及鉬合金的制備[4]。經高能球磨(HEBM)處理后粉末制備的材料具有均勻細小的顯微組織(可達到亞微米級別)，在性能上優于普通方法制備的材料，已成為生產常規手段難以制備的合金及新材料的常用方法[5]。研究表明[6-7]，“高能球磨+熱壓燒結法”可以高效地制備出致密度高且組織細小的鉬合金。通過高能球磨使得粉末顆粒在磨球與磨球之間，磨球和料罐之間反復碰撞、變形、冷焊、破碎，從而細化粉末，增加粉末的比表面積，并使粉末顆粒存在大量的晶格缺陷，使粉體處于高能狀態，可以有效地增大后續燒結的驅動力[8]。因此，高能球磨工藝對粉體的組織以及燒結體的組織與性能具有顯著的影響。

本文以純鉬為研究對象，采用“高能球磨+熱壓燒結法”制備出經過不同時間高能球磨處理的純鉬塊體材料。分析純鉬在球磨和燒結過程中的微觀組織演變，討論高能球磨時間對純鉬粉末組織及燒結體組織與力學性能的影響規律。

1 試驗過程

采用“高能球磨+熱壓燒結法”制備出3種不同球磨時間(0 h、15 h和30 h)的純鉬塊體材料，分別簡稱為Mo、Mo-HEBM15h和Mo-HEBM30h。

1.1 試樣的制備

所采用鉬粉顆粒的平均粒徑為4 μm，粉末純度為99.9%(質量分數)。將鉬粉放入球磨罐中，球料比10∶1，磨罐與磨球均為碳化鎢材質。對球磨罐抽真空后通入氬氣保護粉末，然后將球磨罐置于Retch PM 400型行星式球磨機中進行球磨，轉速為250 r/min。將高能球磨后的粉末裝入石墨模具中，在真空環境下(< 10-3Pa)進行熱壓燒結，燒結溫度為1 700 ℃，壓力為45 MPa，時間為2.5 h。燒結完成后隨爐冷卻，得到直徑為60 mm，厚度為9～10 mm的圓柱形塊體。

1.2 組織表征與性能測試

采用掃描電子顯微鏡(JEM-6700F)對粉末的微觀形貌進行觀察。采用金相顯微鏡觀察燒結體的微觀組織，先將試樣進行機械打磨和拋光，再浸入腐蝕液(20%NaOH和20%K3Fe(CN)6的水溶液)中靜置2～4 min，取出后立即清洗烘干。采用阿基米德排水法測定試樣的密度。采用維氏硬度測量儀測量維氏硬度，所加試驗力為98.07 N，保壓10 s，每個試樣測試5個點，點間距為200 μm，最后取維氏硬度的平均值。按照金屬材料室溫壓縮標準GB/T 7314-2005，采用萬能試驗機對試樣進行室溫壓縮試驗，傳感器量程為100 kN，加載速率為0.15 mm/min，試樣尺寸為5 mm×5 mm×10 mm。測試前對試樣進行打磨，保證試樣表面光滑，尤其是試樣上下兩個端面，必須光滑平整以減少摩擦約束對壓縮試驗的干擾。

2 結果與討論

2.1 微觀組織

初始鉬粉以及球磨15 h和30 h后的鉬粉微觀形貌見圖1。對比圖1(a)和圖1(b)，發現高能球磨15 h后粉末顆粒明顯細化，粉體存在輕微的團聚現象。而當球磨時間為30 h時，粉體中存在一些尺寸較大的團聚體，如圖1(c)中箭頭所指處，說明高能球磨30 h后的粉體中出現了明顯的團聚現象。此外，在更高的放大倍數下觀察高能球磨15 h后的粉末(圖1(d))，發現粉末顆粒不再是初始的近球形，而是呈不規則狀，表面凹凸不平，說明在高能球磨過程中鉬粉末顆粒不但被破碎，而且發生了局部變形。

圖1 鉬粉SEM照片

對燒結后的鉬進行微觀組織觀察，結果見圖2。可以看出未經過高能球磨的鉬粉末燒結后形成了尺寸均勻的等軸晶，平均晶粒尺寸為17 μm，見圖2(a)所示。經過高能球磨15 h和30 h的鉬中晶粒仍基本呈等軸狀，其平均晶粒尺寸顯著減小，但組織中均出現了晶粒尺寸不均勻的現象，見圖2(b)和圖2(c)。尤其是高能球磨30 h的試樣，其組織中出現了較多尺寸在20 μm以上的粗大晶粒。此外，相比未球磨的試樣，高能球磨15 h試樣的致密度明顯提高，而當球磨時間為30 h 時，試樣的致密度略有降低。3種試樣的平均晶粒尺寸和致密度見表1。經過15 h的高能球磨處理，一方面粉末粒度減小，顆粒表面凹凸不平，造成顆粒的表面活性提高；另一方面，高能球磨過程中反復的變形和破碎造成顆粒中的晶粒減小，晶格缺陷和內應力增大，導致顆粒的晶格活性提高。所以在后續的燒結過程中，粉體具有更高的燒結活性，有利于增大燒結體的收縮率。

圖2 不同高能球磨時間的試樣微觀組織金相照片

表1 試樣的平均晶粒尺寸和致密度

為了更準確地說明Mo-HEBM15h和Mo-HEBM30h兩種試樣組織中的晶粒尺寸，分別對其晶粒尺寸分布進行了統計，結果見圖3。從圖3(a)中可以看出,高能球磨15 h的試樣中晶粒尺寸主要在12 μm以下，極少量晶粒的尺寸達20 μm以上。當高能球磨時間達到30 h時，試樣組織中大部分晶粒的尺寸在14 μm以下，尺寸在20 μm以上的晶粒占約20 %。這主要是由于Mo-HEBM30h試樣粉末中存在大尺寸的顆粒團聚體。粉末顆粒的表面在球磨過程中發生冷焊，造成顆粒的團聚，便會增加粉末壓制和燒結的困難，不利于燒結體的致密化和組織的均勻性。可見高能球磨時間對于鉬燒結后的微觀組織至關重要。

圖3 不同高能球磨時間的試樣晶粒尺寸統計結果

2.2 力學性能

對3種試樣進行室溫壓縮試驗，其工程應力應變曲線見圖4(a)所示，從圖4(a)可以看出相比未高能球磨的試樣，粉末經過高能球磨后的試樣具有更高的屈服強度和更明顯的應變硬化效應。取殘余變形量為0.2 %時的強度值作為試樣的屈服強度。3種試樣的屈服強度及維氏硬度值見圖4(b)。Mo-HEBM15h試樣的屈服強度較未球磨的試樣提高了71 %，同時硬度提高了12 %。當高能球磨時間從15 h增至30 h，試樣的屈服強度雖然略微降低，但仍高出未球磨試樣27 %。