CN105734332B - 一种孔隙均匀可控的多孔钨块体材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种孔隙均匀可控的多孔钨块体材料的制备方法，其特征在于是以钨粉为原料，经等离子体球化处理、电动振筛处理获得球形钨粉，然后再经放电等离子烧结而获得。本发明结合等离子体球化、电动振筛和放电等离子烧结技术，获得孔隙均匀的多孔钨块体材料，方法简单、易于实现，且通过调节工艺参数可实现产物孔隙的可控，如可获得孔隙率为17％～22.5％、孔隙大小为2～5μm的多孔钨块体材料，制备的多孔钨块体可显著提高材料的浸渗性能，进而大幅度提高钡钨阴极的发射稳定性和使用寿命。

Description

一种孔隙均匀可控的多孔钨块体材料的制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金技术，具体涉及一种孔隙均匀可控的多孔钨块体材料的制备方法。
背景技术
采用多孔钨块体材料做为载体制作的各种电子元器件长期以来广泛应用于航空航天、电力电子及冶金工业，如用于高电流密度的钡钨阴极、离子发动机的发射体、射线束靶材等。在多孔钨材料的各个应用领域中，其孔隙率和孔径大小对材料本身的性能以及以其为载体而制作的元器件的使用性能均具有至关重要的作用。因此，孔隙率可控、孔隙大小及分布均匀、高强度的多孔钨材料是制备高发射电流密度、高稳定性和高使用寿命的电子发射元器件的关键。
李玉涛于2006年公开发表的硕士学位论文“大电流密度钡钨阴极的研究”中通过将钨铜合金硝酸腐蚀去铜的方法制备了多孔钨，其研究结果表明该方法可以获得孔隙细小且相互贯通的多孔钨。但该论文未优化多孔钨的制备工艺。尤为重要的是，该方法工艺复杂且制备的多孔钨的孔隙率、孔隙分布和孔隙尺寸与钨铜合金中的铜含量和分布密切相关。除此之外，多孔钨材料的制备方法还有传统烧结法、反应烧结法和有机基体浸浆法。滕修仁等于1998年27卷第6期《稀有金属材料与工程》上发表的论文“影响多孔钨孔隙度的因素”中尝试性地研究了反应烧结法中不同因素对孔隙率的影响，研究证实了多孔钨孔隙率主要受粉末粒度和烧结温度影响，孔隙率随粉末粒度的降低或烧结温度的升高而降低。但是，传统的反应烧结所需烧结温度高，保温时间长(通常大于2小时)，生产成本高。C.Selcuk等于2005年170卷471-476期《Journal of Materials Processing Technology》上发表的论文“Reactive sintering of porous tungsten:A cost effective sustainable techniquefor the manufacturing of high current density cathodes to be used inflashlamps”研发了一种低温反应烧结多孔钨的新方法。研究结果表明，与传统反应烧结相比，该烧结方法烧结温度低，可制备微孔结构的多孔钨。不过该方法采用的依旧是常规的钨粉，其形状不规则，流动性差，导致多孔钨的孔隙均匀度及孔隙尺寸仍难以有效控制，因而钡钨阴极材料的发射稳定性和实用寿命大打折扣。
综上可知，一种孔隙均匀可控的多孔钨块体材料的制备方法亟待发现。
发明内容
针对现有制备多孔钨块体材料技术中的不足之处，本发明的目的在于通过对原料粉末球化处理并结合放电等离子快速烧结，提供一种孔隙均匀可控的多孔钨块体材料的制备方法，以提高材料的浸渗性能，进而提高钡钨阴极的发射电流密度、稳定性和使用寿命。
本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明孔隙均匀可控的多孔钨块体材料的制备方法，其特点在于：所述多孔钨块体材料是以钨粉为原料，经等离子体球化处理、电动振筛处理获得球形钨粉，然后再经放电等离子烧结而获得；具体包括如下步骤：
步骤1、等离子体球化处理
将钨粉在载气流氩气的作用下送入等离子体球化系统中，以30～70L/min的载气气流量、1.0～10.0g/min的喂料速率进行球化处理，获得球化率大于90％的球形钨粉；
步骤2、电动振筛处理
将步骤1所得球形钨粉置于电动式筛分机的金属筛网中，筛网目数为1250目，振筛5h，过滤掉未球化的钨粉，获得粒径小于10μm且分布均匀的球形钨粉；
步骤3、放电等离子烧结
将步骤2所得球形钨粉装入石墨烧结模具内，再置于放电等离子烧结炉的炉腔内，经放电等离子快速烧结，即获得孔隙均匀可控的多孔钨块体材料；
烧结工艺条件为：
烧结压力为10～50MPa；
烧结加热速率为50～300℃/min；
烧结温度为1700～2000℃；
烧结保温时间为0～10min；
烧结真空度≤5Pa。
优选的，步骤1中的喂料速率为2.0～5.0g/min、载气气流量为50～70L/min，在此条件下可获得球化率大于95％的球形钨粉。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明结合等离子体球化、电动振筛和放电等离子烧结技术，获得孔隙均匀的多孔钨块体材料，方法简单、易于实现，且通过调节工艺参数可实现产物孔隙的可控，如可获得孔隙率为17％～22.5％、孔隙大小为2～5μm的多孔钨块体材料；本发明制备的多孔钨块体可显著提高材料的浸渗性能，进而大幅度提高钡钨阴极的发射稳定性和使用寿命。
2、本发明采用等离子体球化技术制备球形钨粉，与传统的雾化法相比，该方法可制备高熔点的球形金属或陶瓷粉末，所制备的球形粉末不仅球化率高、粒度分布均匀、流动性好，而且操作简单、周期短，优势明显。
3、本发明采用放电等离子烧结技术可实现对多孔钨块体材料的快速烧结，与传统的反应烧结等工艺相比，该方法烧结时间短，且在不添加任何造孔剂的情况下，通过放电效应和粉末颗粒局部高温效应实现粉末颗粒间的点焊接，从而有效控制烧结体的孔隙分布和孔隙率；因此，本发明可显著改善做为钡钨阴极载体的多孔钨的浸渗性能，进而提高钡钨阴极的发射稳定性和使用寿命。
4、本发明优化了原料钨粉末的等离子体球化工艺，如当喂料速率和载气气流量分别优选为2.4g/min和50L/min时，钨粉球化率大于98％、球形度高，经电动振筛处理过滤掉未球化的粉末，获得粒径分布均匀的球形粉末，从而保证烧结多孔钨的孔隙大小、分布均匀。
5、本发明优化了多孔钨块体材料的放电等离子烧结工艺，当加热速率、烧结温度和保温时间分别优选为150℃/min、1850℃和3min时，更能充分发挥放电等离子烧结多孔钨的优势，有效控制材料的孔隙呈开孔结构，且孔隙率为20～22％。
6、在本发明的方法中，因成形过程中不使用造孔剂和成形剂，降低了原材料成本，又因采用等离子体粉末球化和放电等离子烧结相结合，提高了制备效率，减低了制备成本；因此本发明所制备的做为钡钨阴极载体的多孔钨块体材料，不仅有效地降低了成本，而且具有孔隙均匀可控和钡盐浸渗性能优异等特点，具有良好的性价比优势。
具体实施方式
通过如下实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
在下述实施例中所用钨粉原料的粒径分布为1～8μm，平均粒径3.5μm，纯度为96.3％，其余为不可避免的微量元素。
所用等离子体球化系统为加拿大TEKNA Plasma System inc公司生产的TekNano-15感应等离子体系统。
所用放电等离子烧结炉为日本Sinter Land inc公司生产的LABOX-350放电等离子烧结设备，其烧结电流类型为直流脉冲电流，脉冲序列为40:7；
所用石墨烧结模具的内径为Φ20mm。
实施例1
本实施例的多孔钨块体材料按如下步骤进行制备：
步骤1、等离子体球化处理
将100g钨粉在载气流氩气的作用下送入等离子体球化系统中进行球化处理，其中喂料速率为2.4g/min、载气气流量为50L/min、送粉时间为15分钟，制备出的球形钨粉40.5g，粉末球化率为98％。
步骤2、电动振筛处理
将步骤1所得球形钨粉置于电动式筛分机的金属筛网中，筛网目数为1250目，振筛5h，过滤掉未球化的钨粉，获得粒径小于10μm且分布均匀的球形钨粉。
步骤3、放电等离子烧结
称取30g步骤2所得球形钨粉装入石墨烧结模具内，再置于放电等离子烧结炉的炉腔内，经放电等离子快速烧结，其中烧结压力为10MPa、烧结温度为1700℃、烧结加热速度为50℃/min、烧结保温时间为10分钟、烧结真空度为4Pa。烧结后获得多孔钨块体材料，其孔隙率为22.1％，孔隙大小为2～5μm。
实施例2
本实施例的多孔钨块体材料按如下步骤进行制备：
步骤1、等离子体球化处理
将100g钨粉在载气流氩气的作用下送入等离子体球化系统中进行球化处理，其中喂料速率为1.0g/min、载气气流量为70L/min、送粉时间为28分钟，制备出的球形钨粉35.6g，粉末球化率为98％。
步骤2、电动振筛处理
将步骤1所得球形钨粉置于电动式筛分机的金属筛网中，筛网目数为1250目，振筛5h，过滤掉未球化的钨粉，获得粒径小于10μm且分布均匀的球形钨粉；
步骤3、放电等离子烧结
称取30g步骤2所得球形钨粉装入石墨烧结模具内，再置于放电等离子烧结炉的炉腔内，经放电等离子快速烧结，其中烧结压力为20MPa、烧结温度为1810℃、烧结加热速度为100℃/min、烧结保温时间为6分钟、烧结真空度为3Pa。烧结后获得多孔钨块体材料，其孔隙率为20.8％，孔隙大小为2～5μm。
实施例3
本实施例的多孔钨块体材料按如下步骤进行制备：
步骤1、等离子体球化处理
将100g钨粉在载气流氩气的作用下送入等离子体球化系统中进行球化处理，其中喂料速率为4.8g/min、载气气流量为50L/min、送粉时间为15分钟，制备出的球形钨粉44.8g，粉末球化率为98％。
步骤2、电动振筛处理
将步骤1所得球形钨粉置于电动式筛分机的金属筛网中，筛网目数为1250目，振筛5h，过滤掉未球化的钨粉，获得粒径小于10μm且分布均匀的球形钨粉。
步骤3、放电等离子烧结
称取30g步骤2所得球形钨粉装入石墨烧结模具内，再置于放电等离子烧结炉的炉腔内，经放电等离子快速烧结，其中烧结压力为30MPa、烧结温度为1750℃、烧结加热速度为150℃/min、烧结保温时间为5分钟、烧结真空度为4Pa。烧结后获得多孔钨块体材料，其孔隙率为21.5％，孔隙大小为2～5μm。
实施例4
本实施例的多孔钨块体材料按如下步骤进行制备：
步骤1、等离子体球化处理
将100g钨粉在载气流氩气的作用下送入等离子体球化系统中进行球化处理，其中喂料速率为6.5g/min、载气气流量为50L/min、送粉时间为12分钟，制备出的球形钨粉50.8g，粉末球化率为97％。
步骤2、电动振筛处理
将步骤1所得球形钨粉置于电动式筛分机的金属筛网中，筛网目数为1250目，振筛5h，过滤掉未球化的钨粉，获得粒径小于10μm且分布均匀的球形钨粉。
步骤3、放电等离子烧结
称取30g步骤2所得球形钨粉装入石墨烧结模具内，再置于放电等离子烧结炉的炉腔内，经放电等离子快速烧结，其中烧结压力为40MPa、烧结温度为1900℃、烧结加热速度为300℃/min、烧结保温时间为1分钟、烧结真空度为4Pa。烧结后获得多孔钨块体材料，其孔隙率为18.1％，孔隙大小为2～5μm。
实施例5
本实施例的多孔钨块体材料按如下步骤进行制备：
步骤1、等离子体球化处理
将100g钨粉在载气流氩气的作用下送入等离子体球化系统中进行球化处理，其中喂料速率为8.3g/min、载气气流量为30L/min、送粉时间为10分钟，制备出的球形钨粉55.8g，粉末球化率为98％。
步骤2、电动振筛处理
将步骤1所得球形钨粉置于电动式筛分机的金属筛网中，筛网目数为1250目，振筛5h，过滤掉未球化的钨粉，获得粒径小于10μm且分布均匀的球形钨粉。
步骤3、放电等离子烧结
称取30g步骤2所得球形钨粉装入石墨烧结模具内，再置于放电等离子烧结炉的炉腔内，经放电等离子快速烧结，其中烧结压力为50MPa、烧结温度为2000℃、烧结加热速度为200℃/min、烧结保温时间为0分钟、烧结真空度为4Pa。烧结后获得多孔钨块体材料，其孔隙率为17.8％，孔隙大小为2～5μm。
实施例6
本实施例的多孔钨块体材料按如下步骤进行制备：
步骤1、等离子体球化处理
将100g钨粉在载气流氩气的作用下送入等离子体球化系统中进行球化处理，其中喂料速率为10.0g/min、载气气流量为30L/min、送粉时间为10分钟，制备出的球形钨粉58.5g，粉末球化率为97％。
步骤2、电动振筛处理
将步骤1所得球形钨粉置于电动式筛分机的金属筛网中，筛网目数为1250目，振筛5h，过滤掉未球化的钨粉，获得粒径小于10μm且分布均匀的球形钨粉。
步骤3、放电等离子烧结
称取30g步骤2所得球形钨粉装入石墨烧结模具内，再置于放电等离子烧结炉的炉腔内，经放电等离子快速烧结，其中烧结压力为50MPa、烧结温度为1850℃、烧结加热速度为150℃/min、烧结保温时间为3分钟、烧结真空度为4Pa。烧结后获得多孔钨块体材料，其孔隙率为19.9％，孔隙大小为2～5μm。

Claims (2)

1.一种孔隙均匀可控的多孔钨块体材料的制备方法，其特征在于：所述多孔钨块体材料是以钨粉为原料，经等离子体球化处理、电动振筛处理获得球形钨粉，然后再经放电等离子烧结而获得；具体包括如下步骤：
步骤1、等离子体球化处理
将钨粉在载气流氩气的作用下送入等离子体球化系统中，以30～70L/min的载气气流量、1.0～10.0g/min的喂料速率进行球化处理，获得球化率大于90％的球形钨粉；
步骤2、电动振筛处理
将步骤1所得球形钨粉置于电动式筛分机的金属筛网中，筛网目数为1250目，振筛5h，过滤掉未球化的钨粉，获得粒径小于10μm且分布均匀的球形钨粉；
步骤3、放电等离子烧结
将步骤2所得球形钨粉装入石墨烧结模具内，再置于放电等离子烧结炉的炉腔内，经放电等离子快速烧结，即获得孔隙均匀可控的多孔钨块体材料；
烧结工艺条件为：
烧结压力为10～50MPa；
烧结加热速率为50～300℃/min；
烧结温度为1700～2000℃；
烧结保温时间为0～10min；
烧结真空度≤5Pa。
2.根据权利要求1所述的一种孔隙均匀可控的多孔钨块体材料的制备方法，其特征在于：步骤1中的喂料速率为2.0～5.0g/min，载气气流量为50～70L/min。
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