高能球磨時(shí)間對(duì)純鉬微觀組織與力學(xué)性能的影響

陳 璇,李 瑞,王 娟,李 斌,張國(guó)君

(西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710048)

0 引 言

鉬具有高熔點(diǎn)(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(shù)(5.8×10-6～6.2×10-6/K)、高耐磨性、良好的導(dǎo)電導(dǎo)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(jié)構(gòu)材料和功能材料在鋼鐵、冶金、機(jī)械、化工、核能、電子、航天航空等各工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

目前，粉末冶金技術(shù)廣泛應(yīng)用于鉬及鉬合金的制備[4]。經(jīng)高能球磨(HEBM)處理后粉末制備的材料具有均勻細(xì)小的顯微組織(可達(dá)到亞微米級(jí)別)，在性能上優(yōu)于普通方法制備的材料，已成為生產(chǎn)常規(guī)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(jié)法”可以高效地制備出致密度高且組織細(xì)小的鉬合金。通過(guò)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(fù)碰撞、變形、冷焊、破碎，從而細(xì)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(tài)，可以有效地增大后續(xù)燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力[8]。因此，高能球磨工藝對(duì)粉體的組織以及燒結(jié)體的組織與性能具有顯著的影響。

本文以純鉬為研究對(duì)象，采用“高能球磨+熱壓燒結(jié)法”制備出經(jīng)過(guò)不同時(shí)間高能球磨處理的純鉬塊體材料。分析純鉬在球磨和燒結(jié)過(guò)程中的微觀組織演變，討論高能球磨時(shí)間對(duì)純鉬粉末組織及燒結(jié)體組織與力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)過(guò)程

采用“高能球磨+熱壓燒結(jié)法”制備出3種不同球磨時(shí)間(0 h、15 h和30 h)的純鉬塊體材料，分別簡(jiǎn)稱(chēng)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(zhì)量分?jǐn)?shù))。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(zhì)。對(duì)球磨罐抽真空后通入氬氣保護(hù)粉末，然后將球磨罐置于Retch PM 400型行星式球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，轉(zhuǎn)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(huán)境下(< 10-3Pa)進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1 700 ℃，壓力為45 MPa，時(shí)間為2.5 h。燒結(jié)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(cè)試

采用掃描電子顯微鏡(JEM-6700F)對(duì)粉末的微觀形貌進(jìn)行觀察。采用金相顯微鏡觀察燒結(jié)體的微觀組織，先將試樣進(jìn)行機(jī)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(cè)定試樣的密度。采用維氏硬度測(cè)量?jī)x測(cè)量維氏硬度，所加試驗(yàn)力為98.07 N，保壓10 s，每個(gè)試樣測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)GB/T 7314-2005，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行室溫壓縮試驗(yàn)，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(cè)試前對(duì)試樣進(jìn)行打磨，保證試樣表面光滑，尤其是試樣上下兩個(gè)端面，必須光滑平整以減少摩擦約束對(duì)壓縮試驗(yàn)的干擾。

2 結(jié)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(jiàn)圖1。對(duì)比圖1(a)和圖1(b)，發(fā)現(xiàn)高能球磨15 h后粉末顆粒明顯細(xì)化，粉體存在輕微的團(tuán)聚現(xiàn)象。而當(dāng)球磨時(shí)間為30 h時(shí)，粉體中存在一些尺寸較大的團(tuán)聚體，如圖1(c)中箭頭所指處，說(shuō)明高能球磨30 h后的粉體中出現(xiàn)了明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。此外，在更高的放大倍數(shù)下觀察高能球磨15 h后的粉末(圖1(d))，發(fā)現(xiàn)粉末顆粒不再是初始的近球形，而是呈不規(guī)則狀，表面凹凸不平，說(shuō)明在高能球磨過(guò)程中鉬粉末顆粒不但被破碎，而且發(fā)生了局部變形。

圖1 鉬粉SEM照片

對(duì)燒結(jié)后的鉬進(jìn)行微觀組織觀察，結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢钥闯鑫唇?jīng)過(guò)高能球磨的鉬粉末燒結(jié)后形成了尺寸均勻的等軸晶，平均晶粒尺寸為17 μm，見(jiàn)圖2(a)所示。經(jīng)過(guò)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(xiàn)了晶粒尺寸不均勻的現(xiàn)象，見(jiàn)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(xiàn)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(dāng)球磨時(shí)間為30 h 時(shí)，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(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)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(guò)程中反復(fù)的變形和破碎造成顆粒中的晶粒減小，晶格缺陷和內(nèi)應(yīng)力增大，導(dǎo)致顆粒的晶格活性提高。所以在后續(xù)的燒結(jié)過(guò)程中，粉體具有更高的燒結(jié)活性，有利于增大燒結(jié)體的收縮率。

圖2 不同高能球磨時(shí)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(zhǔn)確地說(shuō)明Mo-HEBM15h和Mo-HEBM30h兩種試樣組織中的晶粒尺寸，分別對(duì)其晶粒尺寸分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)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(dá)20 μm以上。當(dāng)高能球磨時(shí)間達(dá)到30 h時(shí)，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(tuán)聚體。粉末顆粒的表面在球磨過(guò)程中發(fā)生冷焊，造成顆粒的團(tuán)聚，便會(huì)增加粉末壓制和燒結(jié)的困難，不利于燒結(jié)體的致密化和組織的均勻性?？梢?jiàn)高能球磨時(shí)間對(duì)于鉬燒結(jié)后的微觀組織至關(guān)重要。

圖3 不同高能球磨時(shí)間的試樣晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 力學(xué)性能

對(duì)3種試樣進(jìn)行室溫壓縮試驗(yàn)，其工程應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)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(jīng)過(guò)高能球磨后的試樣具有更高的屈服強(qiáng)度和更明顯的應(yīng)變硬化效應(yīng)。取殘余變形量為0.2 %時(shí)的強(qiáng)度值作為試樣的屈服強(qiáng)度。3種試樣的屈服強(qiáng)度及維氏硬度值見(jiàn)圖4(b)。Mo-HEBM15h試樣的屈服強(qiáng)度較未球磨的試樣提高了71 %，同時(shí)硬度提高了12 %。當(dāng)高能球磨時(shí)間從15 h增至30 h，試樣的屈服強(qiáng)度雖然略微降低，但仍高出未球磨試樣27 %。

圖4 室溫壓縮試驗(yàn)和維氏硬度測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)不同時(shí)間高能球磨處理的純鉬材料進(jìn)行微觀組織與室溫力學(xué)性能的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

(1)與粉末未高能球磨處理的純鉬相比，高能球磨15 h 后的純鉬材料晶粒尺寸顯著減小，其室溫壓縮屈服強(qiáng)度從365 MPa提高至622 MPa，維氏硬度從168 HV10提高至188 HV10。

(2)當(dāng)高能球磨時(shí)間從15 h增至30 h，純鉬材料的晶粒尺寸增大，且晶粒尺寸分布不均勻，其室溫壓縮屈服強(qiáng)度與維氏硬度均降低。