粉末粒徑和燒結(jié)溫度對K418 高溫合金多孔材料顯微結(jié)構(gòu)及性能影響

張 邁 ，梁加淼 ?，劉墨瀚 ，李 東 ，白肖承體 ，徐 凱 ，王 俊

1) 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200240 2) 上海市先進(jìn)高溫材料及其精密成形重點實驗室, 上海 200240

高溫?zé)峁茏鳛橹鲃訜岱雷o(hù)系統(tǒng)，能夠被多次使用，具有成本低、易更換、強(qiáng)度好等優(yōu)點，還能夠有效降低高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)的制造和維護(hù)成本，其導(dǎo)熱系數(shù)更是可以達(dá)到106W·(m·K)-1[1]，在可重復(fù)使用飛行器的應(yīng)用中具有良好的發(fā)展前景[2]。高溫?zé)峁芡ǔＶ腹ぷ鳒囟仍?50 ℃以上的熱管，結(jié)構(gòu)上通常分為外殼、內(nèi)部吸液芯和導(dǎo)熱工質(zhì)；根據(jù)作用又可以分為蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段。工作原理是利用毛細(xì)現(xiàn)象將液體工質(zhì)傳導(dǎo)到蒸發(fā)段[3]。吸液芯的滲透性能和毛細(xì)性能決定了熱管傳導(dǎo)液體工質(zhì)的效率，從而直接影響熱管的導(dǎo)熱性能。因此，吸液芯是熱管的核心部件，優(yōu)良的吸液芯需要具有高毛細(xì)壓力、高滲透率、低熱阻等特點[4]。

多孔結(jié)構(gòu)金屬吸液芯材料的制備方法主要有刻蝕加工法、3D 打印法及粉末冶金法等[5-6]。Ding等[7]采用蝕刻技術(shù)加工鈦合金基板，得到直徑為5 μm 的圓柱體陣列吸液芯。Jafari 等[8]采用3D 打印方法逐層打印出孔徑約為216 μm 的CL20ES 不銹鋼多孔結(jié)構(gòu)材料。3D 打印多孔結(jié)構(gòu)的幾何形狀與大小可控性強(qiáng)，但成本較高。王德志等[9]在燒結(jié)溫度750～800 ℃、燒結(jié)時間30～40 min 條件下，制得了孔隙率為55%～64%、滲透率為1.2×10-13～1.7×10-13m2、毛細(xì)壓力為200～240 kPa 的Ni 多孔吸液芯樣品。黎強(qiáng)等[10]選用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為造孔劑，在燒結(jié)溫度800 ℃、粉末粒徑5 μm 條件下，制備出孔隙率為71.9 %、平均孔徑為2.37 μm、抗壓強(qiáng)度為8.7 MPa 的Ni 多孔吸液芯材料。

目前，關(guān)于多孔高溫合金吸液芯材料的研究鮮有報道。粉末松裝燒結(jié)具有成本低、流程簡便、易于工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)勢，有著良好的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。本研究利用粉末松裝燒結(jié)工藝制備多孔高溫合金吸液芯，通過調(diào)控金屬粉末粒徑及燒結(jié)溫度，制備出不同孔隙結(jié)構(gòu)的多孔高溫合金材料。通過對多孔材料的孔徑、孔隙率、滲透率、毛細(xì)壓力和壓縮強(qiáng)度進(jìn)行表征，研究了燒結(jié)溫度和粉末粒徑對多孔材料微結(jié)構(gòu)及性能影響規(guī)律。

1 實驗材料及方法

實驗原料為K418 鎳基高溫合金粉末，主要成分如表1 所示。K418 鎳基高溫合金具有優(yōu)秀的高溫強(qiáng)度、韌性、蠕變強(qiáng)度、抗冷熱疲勞性能以及抗氧化性能[11-12]，在800 ℃以上可長期穩(wěn)定工作，因此在高溫?zé)峁芪盒旧暇哂兄匾獞?yīng)用價值。量取適量的合金粉末放入石墨模具，將模具放入真空燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，爐內(nèi)真空度為1 Pa，溫差為±3 ℃。設(shè)定燒結(jié)溫度為1200、1230、1250 ℃，在室溫～1000 ℃之間，升溫速率為10 ℃·min-1；在1000 ℃以上升溫速率為5 ℃·min-1，保溫時間為1 h。選用三種不同粒徑的金屬粉末研究粉末粒徑對燒結(jié)樣品性能的影響，三種金屬粉末的粒度分布如圖1 所示。對該分布曲線進(jìn)行積分計算，取積分面積的一半作為金屬粉末對應(yīng)的平均粒徑（D50），具體數(shù)據(jù)如表2 所示。最終得到9 組多孔材料樣品，三種粉末從細(xì)到粗分別用A、B 和C 表示，樣品的燒結(jié)參數(shù)和分組如表3 所示。

圖1 K418 高溫合金粉末粒度分布：（a）細(xì)粉；（b）中粉；（c）粗粉Fig.1 Particle size distribution of the K418 superalloys: (a) fine powders; (b) middle-sized powders; (c) coarse powders

表1 K418 合金粉末主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Main chemical composition of the K418 alloy powders%

表2 通過積分計算得到的K418 高溫合金粉末平均粒徑Table 2 Average particle size of the K418 superalloy powders calculated by integrating

表3 K418 高溫合金多孔材料樣品制備參數(shù)及命名Table 3 Preparation parameters and names of the porous material samples

采用激光粒度儀（MS2000）測試原始粉末粒徑分布；利用VEGA 3 型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察樣品孔隙結(jié)構(gòu)；使用CMT5105 型萬能材料試驗機(jī)測試樣品壓縮力學(xué)性能；通過排水法計算吸液芯孔隙率；通過分析吸液芯電鏡照片得到吸液芯的平均孔徑。

基于達(dá)西定律自制的簡易滲透率測量裝置如圖2 所示。通過測量抽吸時間（t）、單位時間內(nèi)工質(zhì)下降的高度（Δx）及工質(zhì)最終高度（Δh）三個參數(shù)，即可使用式（1）計算獲得多孔材料的滲透率（K）。

圖2 滲透率測量裝置示意圖（a）和毛細(xì)曲線測量裝置示意圖（b）Fig.2 Schematics of the permeability measuring device (a) and the capillary curve measuring device (b)

式中：L為吸液芯樣品的厚度；μ為工質(zhì)的粘度；ρ為工質(zhì)的密度。

使用常溫蒸餾水作為液體工質(zhì)的原因是：（1）堿金屬在大氣環(huán)境下易氧化，實驗危險性較高，不易操作；（2）雖然水的物性參數(shù)與液態(tài)堿金屬不同，但獲得的實驗結(jié)果具有一定參考性，能夠反應(yīng)吸液芯孔結(jié)構(gòu)對毛細(xì)性能的影響規(guī)律，并且實驗效率高、易操作。由于常溫下蒸餾水的蒸發(fā)速率不大，本實驗忽略自然蒸發(fā)對結(jié)果的影響。經(jīng)豎直抽吸實驗可以得到吸液芯抽吸的液體工質(zhì)質(zhì)量隨時間的變化曲線（毛細(xì)曲線）。測量樣品的毛細(xì)曲線可用于表征樣品的毛細(xì)性能。對于該豎直抽吸實驗，可根據(jù)Laplace-Young 公式[13]建立毛細(xì)壓力項、粘滯項和重力項的平衡[8]，如式（2）所示。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的燒結(jié)吸液芯，當(dāng)抽吸時間與高度均較低時，可忽略重力項，可將上式（2）簡化為式（3）。

式中：ΔP為毛細(xì)壓力；μ為液體工質(zhì)的粘度；ε為孔隙率；K為滲透率；ρ為液體工質(zhì)的密度；S為吸液芯截面積；M為抽吸的液體工質(zhì)質(zhì)量；t為抽吸時間。根據(jù)上述公式，可設(shè)計毛細(xì)曲線測量裝置，如圖2（b）所示。根據(jù)測得的毛細(xì)曲線獲得抽吸液體工質(zhì)質(zhì)量（M），即可計算得到毛細(xì)壓力。

2 結(jié)果及討論

2.1 孔隙率和孔徑分析

圖3 為不同粒徑金屬粉末在不同燒結(jié)溫度下制得的多孔K418 高溫合金橫截面掃描電鏡顯微形貌。由圖3 可以看出，多孔K418 高溫合金由球狀金屬粉末和粉末間的多邊形孔隙組成，粉末粒徑和燒結(jié)溫度對多孔樣品的微觀結(jié)構(gòu)有明顯影響。在相同的燒結(jié)溫度下，隨著原始粉末粒徑的增加，樣品的孔隙直徑明顯增大；對于相同粒徑的金屬粉末，隨著燒結(jié)溫度的升高，粉末間結(jié)合更加致密，孔隙直徑明顯減小，孔隙率明顯下降。

圖3 不同粒徑金屬粉末在不同燒結(jié)溫度下制得的高溫合金多孔材料顯微形貌：（a）1200A；（b）1200B；（c）1200C；（d）1230A；（e）1230B；（f）1230C；（g）1250A；（h）1250B；（i）1250CFig.3 SEM images of the porous material samples in the different particle size at the different temperatures: (a) 1200A; (b) 1200B;(c) 1200C; (d) 1230A; (e) 1230B; (f) 1230C; (g) 1250A; (h) 1250B; (i) 1250C

基于排水法計算得到多孔材料樣品的孔隙率如表4 所示。根據(jù)表4 結(jié)果分別繪制出樣品孔隙率隨粉末粒徑及燒結(jié)溫度變化曲線，結(jié)果如圖4 所示?？梢悦黠@看出，在相同粉末粒徑條件下，孔隙率隨燒結(jié)溫度的上升而減??；對于以粗粉為原料制備的多孔材料，隨著燒結(jié)溫度從1200 ℃增加到1250 ℃，材料孔隙率從41.7%下降到35.8%。在相同燒結(jié)溫度下，孔隙率隨粉末粒徑的增大而增大，在1230 ℃的燒結(jié)溫度下，隨著粉末尺寸增加，多孔材料孔隙率從17.2%增加到36.9%。

圖4 樣品孔隙率隨燒結(jié)溫度變化曲線Fig.4 Relationship between the porosity of the samples and the sintering temperature

表4 實驗樣品孔隙率Table 4 Porosity of the porous material samples %

對掃描電鏡結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算得到多孔材料樣品的平均孔徑，結(jié)果如表5 所示。根據(jù)表5分別繪制出樣品孔徑隨粉末粒徑及燒結(jié)溫度變化曲線，結(jié)果如圖5 所示。可以看出，在同一燒結(jié)溫度下，實驗樣品的平均孔徑隨著粉末粒徑的增大而增大。在1230 ℃的燒結(jié)溫度下，隨著粉末粒徑增加，樣品平均孔徑從11.3 μm 增加到44.2 μm。在粉末粒徑相同的條件下，隨著燒結(jié)溫度的上升，樣品的平均孔徑減小。對于以粗粉為原料制備的多孔材料，隨著燒結(jié)溫度從1200 ℃增加到1250 ℃，樣品平均孔徑從46.8 μm 下降到36.8 μm。這是因為燒結(jié)溫度上升使金屬粉末原子的擴(kuò)散速率增大，在相同燒結(jié)時間內(nèi)，較高的燒結(jié)溫度使金屬粉末之間的結(jié)合更加致密，孔隙被擴(kuò)散的金屬原子填充，使平均孔徑減小。

圖5 樣品孔徑隨燒結(jié)溫度變化曲線Fig.5 Relationship between the average pore size and the sintering temperature

表5 實驗樣品平均孔徑Table 5 Average pore size of the porous material samples μm

2.2 滲透性能和毛細(xì)性能

多孔材料的性能可用滲透性能和毛細(xì)性能進(jìn)行表征。滲透性能體現(xiàn)出材料透過液體的能力，表征方法包括測量材料的滲透率或流量壓差曲線等；毛細(xì)性能體現(xiàn)多孔材料吸收液體的能力，表征方法包括計算材料毛細(xì)力的大小或測量材料的毛細(xì)曲線?？紤]到過低的孔隙率（＜55%）會嚴(yán)重阻礙液體工質(zhì)在多孔材料內(nèi)部的流動[14]，滲透率應(yīng)在10-15的數(shù)量級，本研究只有4 組樣品的滲透率達(dá)到要求，故表中僅保留4 組數(shù)據(jù)，結(jié)果如表6 所示。

表6 實驗樣品的滲透率Table 6 Permeability of the porous material samples (×10-15 m2)

可以看出，1200C 樣品的滲透性最好，其滲透率為39.1×10-15m2，滲透率遠(yuǎn)高于1230C 和1250C樣品。這是由于在較低的燒結(jié)溫度下，樣品燒結(jié)程度低，孔隙率較高。隨著燒結(jié)溫度上升，樣品的孔隙率和平均孔徑均減小，滲透率有所下降。利用圖2（b）毛細(xì)曲線測量裝置可測得實驗樣品的毛細(xì)曲線，結(jié)果見圖6。根據(jù)式（3）計算可得毛細(xì)壓力數(shù)據(jù)，如表7 所示。

圖6 實驗樣品毛細(xì)曲線Fig.6 Capillary curve of porous material samples

表7 實驗樣品的毛細(xì)壓力Table 7 Capillary pressure of the porous material samples kPa

從表7 中數(shù)據(jù)可以看出，1200C 和1230C 兩組樣品的毛細(xì)壓力要高出其他樣品很多，隨著燒結(jié)溫度升高，樣品的毛細(xì)壓力先增加后減小。根據(jù)式（4）Laplace-Young 公式可知，理論上平均孔徑越小，多孔材料的毛細(xì)壓力越大，顯然表7 中數(shù)據(jù)并不滿足這個推論。

式中：d為平均孔徑；σ為液固界面張力系數(shù)。

實際上，當(dāng)燒結(jié)溫度較高或粉末粒徑較小時，實驗樣品燒結(jié)較為致密，使得部分孔隙成為閉孔，從而導(dǎo)致實際通孔數(shù)量大量減少。在這種情況下，通過排水法計算得到的孔隙率將不能等效于通孔的體積比，這使得計算得到的毛細(xì)壓力發(fā)生偏差。毛細(xì)壓力較大的1200C 和1230C 樣品則滿足孔徑小、毛細(xì)壓力大的Laplace-Young 公式。因此，1230C樣品具有最大的毛細(xì)壓力，為22.1 kPa。另外1200C 樣品的毛細(xì)性能僅次于1230C，其毛細(xì)壓力為18.0 kPa。

2.3 壓縮性能

在不同燒結(jié)溫度下，不同原始粉末粒徑的高溫合金多孔材料的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線如圖7 所示。表8 為高溫合金多孔材料壓縮性能。需要說明的是，1200A 與1230A 樣品存在一定程度的開裂，這是由于在松裝燒結(jié)過程中細(xì)粉的流動性較差所致，由于樣品裂紋的影響，無法獲得1230A 樣品的壓縮強(qiáng)度。

圖7 多孔材料樣品壓縮曲線Fig.7 Compression curves of the porous material samples

表8 實驗樣品的室溫壓縮強(qiáng)度Table 8 Compressive strength of the porous material samples at room temperature MPa

當(dāng)燒結(jié)溫度超過1230 ℃后，材料的燒結(jié)程度和相對密度大幅提升。原始粉末為粗粉時，在較低的燒結(jié)溫度下，粉末顆粒間未完全聯(lián)結(jié)，材料壓縮力學(xué)性能較差，燒結(jié)溫度增加到1250 ℃，提高了粉末顆粒表面活性，加速粉末表面原子擴(kuò)散，材料致密化程度提高，壓縮強(qiáng)度有了大幅增加，從低于100 MPa 上升到500 MPa 左右，多孔材料抗壓縮變形能力明顯提高。

吸液芯是熱管的關(guān)鍵部件，除了具有傳輸液體工質(zhì)的作用以外，性能優(yōu)異的吸液芯還需要具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，以保障在受到外力作用時多孔結(jié)構(gòu)不會發(fā)生變形從而影響吸液芯毛細(xì)性能。根據(jù)本研究中毛細(xì)性能和力學(xué)性能測試結(jié)果，在犧牲一定毛細(xì)性能的情況下，可以通過增加燒結(jié)溫度來提高力學(xué)性能。利用中粒徑和小粒徑粉末燒結(jié)的樣品，其毛細(xì)性能遠(yuǎn)低于大粒徑粗粉燒結(jié)樣品。燒結(jié)樣品壓縮強(qiáng)度受溫度影響較為明顯，隨燒結(jié)溫度升高，材料壓縮強(qiáng)度隨之提高。

綜上所述，燒結(jié)溫度為1230 ℃，原始粉末粒徑為53～150 μm 的樣品具有較為優(yōu)秀的滲透性能、毛細(xì)性能和壓縮強(qiáng)度等綜合性能，該工藝即為本實驗中較好的高溫合金吸液芯多孔材料制備工藝。與王德志等[9]研究結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)本研究中多孔高溫合金樣品具有較低的滲透率和較高的毛細(xì)壓力，同時由于燒結(jié)樣品相對密度較高，樣品具有較高的壓縮強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）通過粉末松裝燒結(jié)工藝制備出K418 鎳基高溫合金多孔材料，在粉末粒徑不變的條件下，隨著燒結(jié)溫度的升高，多孔材料的孔隙率和平均孔徑減?。幌嗤瑹Y(jié)溫度下，隨著原始粉末粒徑增大，多孔材料的孔隙率和平均孔徑增大。

（2）當(dāng)燒結(jié)溫度較高或原始粉末粒徑較小時，多孔材料的孔隙率和平均孔徑較低，大量孔隙成為閉孔，液體工質(zhì)無法在閉孔內(nèi)部流通，故此時材料的滲透性能和毛細(xì)性能大幅下降，不適用于熱管吸液芯。

（3）結(jié)合各組材料的滲透性能、毛細(xì)性能和壓縮強(qiáng)度可知，燒結(jié)溫度為1230 ℃，原始粉末粒徑為53～150 μm 的樣品綜合性能最好，其滲透率為3.68×10-15m2，毛細(xì)壓力為22.1 kPa，壓縮強(qiáng)度為86 MPa。