CN105396894A - 用于z箍缩准球形丝阵的无弯折超细钨丝的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于Z箍缩准球形丝阵的无弯折超细钨丝的制备方法，超细钨丝的直径在4μm~10μm之间并且在厘米量级范围内无弯折现象，包括以下步骤：对原料丝进行热拉拔以使直径控制在大于等于16μm的范围；进行多道次的电解腐蚀工艺，采用极限单道次减径方法使得连续电化学腐蚀后超细钨丝在弯折跨度略增加的情况下保持力学性能；在退火热处理中，将成品钨丝复绕在石英玻璃管上置于热处理炉中加热至480℃下保温10分钟并随炉冷却，期间对石英玻璃管抽真空并充入高纯氩气或高纯氮气作为保护气体，使成品钨丝发生再结晶但断裂强度无显著降低。采用本发明方法制得的超细钨丝与传统工艺相比，具有自由状态下无明显弯折，且断裂强度更好的优点。

Description

用于Z箍缩准球形丝阵的无弯折超细钨丝的制备方法

技术领域

本发明属于超细钨丝加工工艺和Z箍缩靶材料制备领域，具体涉及一种用于Z箍缩准球形丝阵的无弯折超细钨丝的制备方法。

背景技术

利用等离子体快箍缩（Z箍缩）产生的强X光辐射驱动DT燃料靶丸内爆，实现惯性约束聚变（ICF）的物理构想被认为是一条简洁高效、技术可行的聚变能源新途径。在Z箍缩实验研究中，要获得高X光产额，须使丝阵负载的初始半径和线质量达到最优化。超细钨丝（直径常为3μm~10μm）是最常应用的丝阵靶材料，而钨丝的直径参数、直线度及力学性能参数是钨丝响应靶需求的重要技术指标。特别的，Z箍缩准球形丝阵负载要求钨丝具有细的直径、无弯折形貌（至少在20mm的有效范围内无弯折）及较高的断裂强度。

由于钨丝的物理特性，直径为4μm~10μm的钨丝（Z箍缩准球形丝阵常用钨丝直径）难以通过塑性变形获得。通常其制备过程分为如下三个步骤：采取拉拔的方法将钨丝的直径减小到约12μm（称之为黑钨丝），再利用连续电化学腐蚀的方法将钨丝直径进一步降低（称之为白钨丝），若需要去应力处理则会在后面增加热处理工艺。

在拉拔过程和其后的连续电化学腐蚀过程，当生产的钨丝直径逐渐减小时，将会出现卷曲或弯折。弯折可分为尖锐及圆弧状弯折。尖锐弯折在其后的连续电解腐蚀过程和热处理过程均难以消除；而圆弧状弯折可能通过热处理方式加以改善。另外，在连续电化学腐蚀的过程中，钨丝的断裂强度将逐步降低，这也难以满足Z箍缩准球形成型的要求。总之，当钨丝产生尖锐弯折或弯折程度较大时，其后的热处理工艺不仅难以消除弯折，还将降低钨丝力学性能。

特别的，Z箍缩准球形丝阵的成型过程需要微丝在组成丝阵后，收缩两极距离使得钨丝处于自由状态，再对钨丝施加静高压，使得钨丝间同性相斥，从而形成“灯笼”状的准球形丝阵。在此过程中，钨丝若具有尖锐弯折形貌或弯折程度较大，则在通入静高压时丝将无法绷直从而形成准球形；若钨丝的断裂强度较低，则钨丝间相互的斥力会使得钨丝直接断裂。故为了保证Z箍缩准球形丝阵的成型性能，需要在尽可能提高超细钨丝强度的情况下消除弯折。钨丝弯折的程度可以用弯折跨度来描述。弯折跨度的定义为：钨丝在自然放置状态下，呈现的波谷与波谷或波峰与波峰之间的距离。则钨丝弯折跨度越大则其弯曲的曲率半径也越大，弯折程度也越小。

工业上虽然广泛采取了拉拔法结合电化学腐蚀的方法制备超细钨丝，但是并未关注钨丝的弯折现象，且采用工业的方法制得的Φ6μm的钨丝断裂强度低于2800MPa。此强度略高于准球形丝阵成型时钨丝需承受的强力，但将传统工艺制得的钨丝进行退火热处理，其强度将进一步降低，从而难以满足Z箍缩准球形丝阵的成型要求。笔者在《超细钨丝连续电解抛光工艺参数优化》文中提出减小电解道次可提高超细钨丝的断裂强度。印协世在《钨丝生产原理、工艺及其性能》书中对钨丝材的再结晶行为进行了描述，但其针对的是Φ100μm以上的钨丝，而当钨丝直径进一步降低时，其再结晶温度以及于此有关的热处理温度均会不同。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种用于Z箍缩准球形丝阵的无弯折超细钨丝的制备方法，以使得利用本工艺制得的超细钨丝无弯折现象并具有较高的断裂强度。

为了实现以上目的，本发明提供了一种用于Z箍缩准球形丝阵的无弯折超细钨丝的制备方法，所述的超细钨丝的直径在4μm~10μm之间并且在厘米量级范围内无弯折现象，该方法包括以下步骤：

S1:对原料丝进行热拉拔以使直径控制在大于等于16μm的范围，以使得第一道次电解腐蚀后具有大的弯折跨度；

S2:进行多道次的电解腐蚀工艺，采用极限单道次减径方法使得连续电化学腐蚀后超细钨丝在弯折跨度略增加的情况下保持力学性能；

S3:在退火热处理中，将成品钨丝复绕在石英玻璃管上置于热处理炉中加热至480℃下保温10分钟并随炉冷却，期间对石英玻璃管抽真空并充入高纯氩气或高纯氮气作为保护气体，使成品钨丝发生再结晶但断裂强度无显著降低。

作为本发明进一步的改进，选择掺杂钨丝作为电解腐蚀的原料丝，主要添加元素为Mo与K。

作为本发明进一步的改进，所述的步骤S1中，对原料丝进行热拉拔以使直径控制在21μm。

作为本发明进一步的改进，所述的步骤S2中，当成品钨丝的目标直径大于7μm时，以每道次的减径量为35%控制电解参数，直到将钨丝的直径减小到所需；当成品钨丝的目标直径低于7μm时，以每道次的减径量为30%控制电解参数，直到将钨丝的直径减小到所需。

作为本发明进一步的改进，所述的步骤S2中，通过收丝轮与放丝轮控制电解腐蚀工艺，选择收丝轮的直径大于等于原料丝的放丝轮直径。

作为本发明进一步的改进，在第一道次电解腐蚀中，收丝轮的直径大于放丝轮直径约10mm；在其余道次电解腐蚀中，收丝轮的直径等于原料丝的放丝轮直径。

作为本发明进一步的改进，所述的步骤S3中，所述的石英玻璃管的外径与收丝轮的外径相当或略大于收丝轮的外径。

采用此工艺流程制得的超细钨丝在各个道次后均具有较大的弯折跨度，最终退火后制得的钨丝未有明显的弯折，且具有较高的断裂强度。

附图说明

附图1为根据传统工艺制得钨丝及其热处理后的光学显微镜下形貌。

附图2为根据本发明的用于Z箍缩准球形丝阵的无弯折超细钨丝的制备方法的钨丝的光学显微镜下形貌。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。在以下的实施例和对比例中，用弯折跨度（mm）来表示弯折程度，这一数值越大说明工艺效果越好；用断裂强度表示钨丝强度，这一数值越大说明力学性能越好。

本发明的用于Z箍缩准球形丝阵的无弯折超细钨丝的制备方法，超细钨丝的直径在4μm~10μm之间并且在厘米量级范围内无弯折现象，选择掺杂钨丝作为电解腐蚀的原料丝，主要添加元素为Mo（20ppm）及K（85ppm）。超细钨丝的制备及热处理通常分为三个步骤：热拉拔、电解腐蚀及退火热处理。

首先，对原料丝进行热拉拔以使直径控制在合适的原料丝直径（大于等于16μm的范围），以使得第一道次电解腐蚀后具有大的弯折跨度。

进行多道次的电解腐蚀工艺，采用极限单道次减径方法使得连续电化学腐蚀后超细钨丝在弯折跨度略增加的情况下保持力学性能；当成品钨丝的目标直径大于7μm时，以每道次的减径量为35%控制电解参数，直到将钨丝的直径减小到所需；当成品钨丝的目标直径低于7μm时，以每道次的减径量为30%控制电解参数，直到将钨丝的直径减小到所需；另外，通过收丝轮与放丝轮控制电解腐蚀工艺，选择收丝轮的直径大于等于原料丝的放丝轮直径。

在退火热处理中，将成品钨丝复绕在石英玻璃管上，其中石英玻璃管的外径与收丝轮的外径相当或略大于收丝轮的外径，置于热处理炉中加热至480℃下保温10分钟并随炉冷却，期间对石英玻璃管抽真空并充入高纯氩气或高纯氮气作为保护气体，使成品钨丝发生再结晶但断裂强度无显著降低。

以下以实施例的方式分别详细描述各个步骤中的核心技术特征进行描述。

实施例1

以热拉拔法获得不同直径的电解腐蚀原料丝并进行1道次的轻微的电解腐蚀，减径量约0.2μm，放丝轮直径约30mm，收丝轮直径均为20mm，将自然放置状态下水平长度约为5cm的钨丝在显微镜下进行统计，检验电解腐蚀后是否存在尖锐弯折及平均弯折跨度情况，表1列出测量结果。直径小于16μm的原料丝在轻微腐蚀后均出现了尖锐弯折；而直径大于18μm的原料丝在电化学腐蚀后，其平均弯折跨度更长，即表现为更大的卷曲半径；进一步增大原料丝直径在电化学腐蚀后平均弯折跨度差距不大，只是这样会增加钨丝的电化学腐蚀道次，故本发明优先选用热拉拔后直径约21μm的钨丝。

表1原料丝轻微腐蚀后的弯折情况

实施例2

利用直径约为21μm的钨丝进行电解腐蚀，都采用2.0V电解电压，62.8mm/s的收丝速度，放丝轮直径均为30mm但收丝轮直径不同。利用不同尺寸的收丝轮均将钨丝腐蚀至Φ6μm，将自然放置状态下水平长度约为5cm的钨丝在显微镜下进行统计，将所得的平均弯折跨度结果列入表2中。可以看出，钨丝的平均弯折跨度与当收丝轮直径小于放丝轮直径时，平均弯折跨度相差不大，均为2.3mm左右；当收丝轮直径大于放丝轮直径时，其平均弯折跨度的值与收丝轮直径相关；当收丝轮直径超过40mm时，平均弯折跨度效果差异不大。另外，当连续电解腐蚀进一步进行时，该道次的收丝轮将作为随后道次的放丝轮。实验表明，当随后道次的放丝轮直径一直与收丝轮直径相当时，钨丝可以保持平均弯折跨度较长的特征，即在随后的连续电解腐蚀过程中钨丝的平均弯折跨度将与第一道次腐蚀后的平均弯折跨度相当。综合考虑操作的方便和去弯折效果，本发明在第一道次电解腐蚀时选用比放丝轮直径大10mm的收丝轮（即直径为40mm），并在随后道次的电解腐蚀中同样选取直径为40mm的收丝轮。

表2不同收丝轮直径对平均弯折的影响

实施例3

超细钨丝的再结晶温度可通过不同温度热处理后的超细丝的力学性能测试结果表示，当钨丝断裂强度刚开始显著降低时的热处理温度即为钨丝的再结晶温度。热重结果表明，钨丝的再结晶温度在350℃~500℃之间，在此温度区间分别测试不同热处理温度后的Φ5μm钨丝的断裂强度，其中氩气保护且热处理时间为10min，其结果列入表3。可以看出，在热处理温度为450℃到500℃之间时，断裂强度开始显著降低。故本发明选取已发生再结晶并且断裂强度降低不多时的温度480℃作为钨丝的热处理温度；由于10分钟的热处理已可对钨丝弯折产生影响，而后持续加热造成钨丝晶粒继续长大，从而使得钨丝断裂强度降低，为了避免此现象的发生，本发明选取热处理温度约10分钟，并随炉冷却。

表3再结晶温度测试结果

实施例4

采用传统方法获得的Φ6μm钨丝形貌和热处理后的形貌列入图1。传统方法获得的钨丝形貌如图a所示（放大倍数为100倍），其平均弯折跨度较短，且存在尖锐弯折，这使得采用此种钨丝组成准球型丝阵时，在加静电场时无法绷直。对该钨丝进行热处理，热处理温度为480℃，热处理时间为10分钟，所得的形貌结果分别列入图b中（放大倍数为200倍）；通过减少腐蚀道次提高钨丝断裂强度约200MPa，再进行热处理（热处理温度为480℃，热处理时间为10分钟），形貌列入图c中（200倍放大），可以看出，传统工艺制得的钨丝其尖锐弯折有所改善，但其圆弧弯折的跨度提高并不明显；而当钨丝强度提高后，再进行热处理其弯折跨度明显增大。分析认为，弯折跨度与钨丝自身的强度有关，提高钨丝的断裂强度将有助于改善弯折跨度。

实施例5

实验通过控制电解电流并恒定收丝速率，用以增加单道次的减径量。实验发现，当超细钨丝直径大于7μm时，若每道次的减径量超过35%则断丝率超过50%，而减径量小于35%时几乎无断丝现象；当超细钨丝直径在4μm~7μm时，若每道次的减径量超过30%则断丝率超过50%，而减径量小于30%时几乎无断丝现象。实验发现，热拉拔态的钨丝在第一道次腐蚀后其断裂强度将下降约400MPa，其后的每道次的电解腐蚀均会降低钨丝强度到100MPa~200MPa。综合考虑钨丝的断丝率性能并保证钨丝具有较高的强度，故本发明选取以下工艺参数：当超细钨丝直径大于7μm时，以每道次的减径量略小于35%控制电解参数；当钨丝直径低于7μm时，以每道次的减径量略低于30%控制电解参数，直到将钨丝的直径减小到所需。此时每道次电解腐蚀时减径量均达到最大值，从而减少钨丝腐蚀道次，并提高预期制得钨丝的强度。

为保证钨丝强度，需对每道次的电解腐蚀按照极限的减径量进行控制，这就要求电解参数可以控制每道次的减径量。实验表明，每道次钨丝的减径量可由控制电解电流和收丝速率获得。当保持收丝速率恒定时，电解电流与钨丝减径前、后的平方差成正比，如数学表达式（1）所述。当收丝速率恒定时，预期制备的钨丝直径d₁可描述为数学表达式（2）。

（1）

（2）

其中，d₀为电解腐蚀前钨丝直径，d₁为电解腐蚀后钨丝直径，k及C为常数，I为电解电流。在保证不断丝的前提下，每道次电解腐蚀均采用最大的减径量可以有效提高钨丝断裂强度。当恒定收丝速率为62.8mm/s时，通过实验获得式（2）中的常数C，则可再利用此值设计实验参数来进行每道次电解腐蚀。

实施例6

实验数据表明C值为1.32。利用直径约为21μm的原料丝和40mm的收丝轮，若要制备直径为5μm的钨丝，使用如实例3所述的极限单道次腐蚀方法，采用的电解电流参数如表4所示。采用如上方法，制得直径为6μm的超细钨丝只需要3道次，而通常的传统白钨丝制备工艺需要5到7道次，减少的2到4道次的电解腐蚀可提高钨丝的断裂强度约300MPa~600MPa。实际腐蚀后的钨丝直径与实验设计预期获得的钨丝直径相差小于0.2μm，说明通过此方法可以精确控制每道次钨丝的减径量。

表4制备6μm钨丝的电解参数

对比例1

采用本发明所述的方法获得的Φ6μm钨丝的断裂强度为3524MPa，比传统方法制得的同样直径钨丝的断裂强度（约2800MPa）提高约25.8%。这说明利用本发明所述的方法获得的超细钨丝的断裂强度比传统方法更具优势。

对比例2

将通过如发明内容所述的工艺流程生产出的钨丝取5cm段其自由状态下不同区域的形貌观察结果如图2所示，放大倍数均为50倍。可以看出，与传统工艺相比，其尖锐弯折基本已消除；利用本发明所述的方法处理的钨丝的弯折情况极不明显，且基本保持了平直的形貌。可知，采用本发明所述方法在Z箍缩准球形丝阵方面，比传统方法更具优势。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰均涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于Z箍缩准球形丝阵的无弯折超细钨丝的制备方法，所述的超细钨丝的直径在4μm~10μm之间并且在厘米量级范围内无弯折现象，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1:对原料丝进行热拉拔以使直径控制在大于等于16μm的范围，以使得第一道次电解腐蚀后具有大的弯折跨度；

S2:进行多道次的电解腐蚀工艺，采用极限单道次减径方法使得连续电化学腐蚀后超细钨丝在弯折跨度略增加的情况下保持力学性能；

S3:在退火热处理中，将成品钨丝复绕在石英玻璃管上置于热处理炉中加热至480℃下保温10分钟并随炉冷却，期间对石英玻璃管抽真空并充入高纯氩气或高纯氮气作为保护气体，使成品钨丝发生再结晶但断裂强度无显著降低。

2.根据权利要求1所述的用于Z箍缩准球形丝阵的无弯折超细钨丝的制备方法，其特征在于：选择掺杂钨丝作为电解腐蚀的原料丝，主要添加元素为Mo与K。

3.根据权利要求1所述的用于Z箍缩准球形丝阵的无弯折超细钨丝的制备方法，其特征在于：对原料丝进行热拉拔以使直径控制在21μm。

4.根据权利要求1所述的用于Z箍缩准球形丝阵的无弯折超细钨丝的制备方法，其特征在于：所述的步骤S2中，当成品钨丝的目标直径大于7μm时，以每道次的减径量为35%控制电解参数，直到将钨丝的直径减小到所需；当成品钨丝的目标直径低于7μm时，以每道次的减径量为30%控制电解参数，直到将钨丝的直径减小到所需。

5.根据权利要求1所述的用于Z箍缩准球形丝阵的无弯折超细钨丝的制备方法，其特征在于：所述的步骤S2中，通过收丝轮与放丝轮控制电解腐蚀工艺，选择收丝轮的直径大于等于原料丝的放丝轮直径。

6.根据权利要求5所述的用于Z箍缩准球形丝阵的无弯折超细钨丝的制备方法，其特征在于：在第一道次电解腐蚀中，收丝轮的直径大于放丝轮直径约10mm；在其余道次电解腐蚀中，收丝轮的直径等于原料丝的放丝轮直径。

7.根据权利要求5所述的用于Z箍缩准球形丝阵的无弯折超细钨丝的制备方法，其特征在于：所述的步骤S3中，所述的石英玻璃管的外径与收丝轮的外径相当或略大于收丝轮的外径。