絲電爆法制備3D 打印金屬鉭粉的試驗(yàn)研究?

秦 軍 張愛華 王 琦 楊富龍 朱 亮 朱亞軍

（1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院 蘭州 730050）

（2.蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 蘭州 730050）

1 引言

近年來(lái)，金屬鉭由于高熔點(diǎn)與低蒸氣壓的特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防、化工等領(lǐng)域［1］。另外，由于鉭金屬具有良好的生物相容性與骨生物活性，且能誘導(dǎo)骨骼生長(zhǎng)、抵抗細(xì)菌感染，因此鉭及其合金在3D打印醫(yī)用人體植入方面的研究應(yīng)用也越來(lái)越多［2］。

目前，作為3D 打印的難熔性鉭原料—金屬鉭粉，主要的制備方法有物理化學(xué)法、等離子球化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法、射頻等離子球化法四種方法［3］。國(guó)內(nèi)某公司采用氫化脫氫的方法制備球形/類球形鉭粉，獲得的鉭粉具有粒度分布集中、流動(dòng)性好、氧含量低等特點(diǎn)［4］，但制備工藝復(fù)雜，鉭粉純度低；國(guó)外某公司采用等離子球化技術(shù)制備球形鉭粉，所制備的鉭粉氧含量低［5］，但制備成本高，單次球化效率低；國(guó)內(nèi)某公司采用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備鉭粉，獲得了高球形度、高純凈度的球形鉭金屬粉末［6］，但該方法需要大功率、高耗能的系統(tǒng)，且所制備的鉭粉粒徑不易控制；國(guó)內(nèi)某研究院利用射頻等離子體球化技術(shù)制備表面光潔、球形度良好、無(wú)空心粉的球形鉭粉［7］，但鉭粉粒徑不易控制，依賴于原始粉末的粒度。

本文主要研究了一種非接觸氣體放電式的電爆炸裝置，該裝置所制備的金屬粉具有球形度好、衛(wèi)星粉少、粒徑易控制等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)改變初始充電電壓、鉭絲絲徑進(jìn)行試驗(yàn)，采集回路的電信號(hào)，結(jié)合波形對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析，并觀察鉭粉形貌，統(tǒng)計(jì)鉭粉顆粒粒徑，研究了不同的電參數(shù)與能量沉積、粒徑之間的關(guān)系。

2 試驗(yàn)裝置與方法

電爆炸制備金屬粉裝置的電路原理如圖1 所示，主要由升壓電路、倍壓整流電路、隔離開關(guān)、線路電阻、線路電感、儲(chǔ)能電容等組成。

圖1 電爆炸制備金屬粉裝置的電路原理圖

金屬絲電爆炸試驗(yàn)過(guò)程為首先將爆炸腔腔體抽成真空，后充入氬氣至0.1MPa；然后通過(guò)充電電路向儲(chǔ)能電容充電，進(jìn)而使得在兩電極之間形成高壓電場(chǎng)；其次往復(fù)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)送絲輪將金屬絲送至電極之間；最后隔離開關(guān)動(dòng)作，擊穿開關(guān)氣隙，在高壓電場(chǎng)作用下將電極端部與金屬絲之間氣隙擊穿，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將脈沖大電流導(dǎo)入金屬絲完成電爆炸。

利用Tektronix P6015A 型高壓探頭和Pearson 101 羅氏線圈采集電爆炸過(guò)程中的電壓和電流響應(yīng)，響應(yīng)信號(hào)通過(guò)高采樣率的Tektronix TDS 2024B數(shù)字示波器進(jìn)行采集存儲(chǔ)；并利用SEM（掃描式電子顯微鏡）分析爆炸產(chǎn)物形貌特征，Nano Measure軟件統(tǒng)計(jì)金屬粉粒徑大小及分布。儲(chǔ)能電容為8.88 μF，金屬絲為市場(chǎng)上容易獲得的、純度為99.99%的鉭絲，隔離開關(guān)之間的氣隙長(zhǎng)度為2 mm，電極與金屬絲之間的氣隙長(zhǎng)度為1.8 mm，電極間距設(shè)置為56 mm。

沉積能量是衡量金屬絲電爆炸過(guò)程中爆炸質(zhì)量的重要指標(biāo)，其計(jì)算方法為電爆炸過(guò)程中金屬絲上的電壓與回路中電流的乘積在電爆炸時(shí)間段上的積分。實(shí)際試驗(yàn)中測(cè)得電壓為金屬絲上的電壓、電極與金屬絲之間的氣隙電阻電壓和氣隙電感電壓、線路電阻電壓和線路電感電壓之和，即

其中，d為火花通道的長(zhǎng)度，單位為cm，a和b分別是火花通道和回流導(dǎo)體的半徑，單位為cm，火花通道的電感單位為nH。

氣隙電阻Rδ可由Weizel和Rompe提出的火花電阻計(jì)算式［9］獲取，計(jì)算公式為

其中，s為氣隙間距，p是大氣壓（0.1 MPa），a為氣體火花常數(shù)（氬氣的氣體火花常數(shù)［10］為22Pα·m2·V-2·s-1）。

根據(jù)文獻(xiàn)［11］提到的方法，設(shè)定初始充電電壓為6kV，短路銅絲長(zhǎng)度為56mm，絲徑為2.5mm，通過(guò)短路電流試驗(yàn)估算出回路電感約為0.026μH，電阻約為0.008Ω。

由于沉積能量的主要方式是金屬絲上通過(guò)脈沖大電流時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱，因此沉積能量為

式中ur(t)為金屬絲上的電壓，t0為爆炸的起始時(shí)刻，t3為爆炸的結(jié)束時(shí)刻。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖2 鉭絲的典型波形可以看出，鉭絲電爆炸波形不同于以往的金屬絲電爆炸典型電壓電流波形［12］，并未出現(xiàn)電流先快速上升后下降直至為零的情況，而是出現(xiàn)緩慢上升直至爆炸結(jié)束作等離子體振蕩。

圖2 鉭絲的典型波形

根據(jù)電路參數(shù)與電壓電流波形特征，并參考鎢絲電爆炸過(guò)程的劃分［13-14］，將鉭絲電爆炸過(guò)程劃分為以下五個(gè)階段，如圖3所示。

圖3 鉭絲電爆炸階段劃分

0-t0階段：隔離開關(guān)動(dòng)作，電流擊穿隔離開關(guān)氣隙與電極氣隙；t0-t1階段：電流作用于鉭絲，開始沉積能量，進(jìn)行固態(tài)加熱；t1-t2階段：鉭絲進(jìn)行固態(tài)加熱后，其電阻變化較小，逐漸由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化，此時(shí)鉭絲處于固液混合狀態(tài)，t2時(shí)刻鉭絲完全熔化；t2-t3階段：鉭絲開始由液態(tài)向氣態(tài)轉(zhuǎn)化，電壓迅速上升，促進(jìn)電離過(guò)程，宏觀表現(xiàn)為電壓快速升高至頂點(diǎn)后下降，這種現(xiàn)象稱為電壓坍塌，也叫擊穿過(guò)程［14］；t3時(shí)刻后：t3時(shí)刻電壓達(dá)到峰值，該峰值點(diǎn)為相爆炸點(diǎn)，鉭絲在之前形成的放電通道氣化膨脹以后，等離子體在該過(guò)程中形成，開始等離子體振蕩。

3.1 絲徑變化對(duì)放電參數(shù)的影響

對(duì)于0.2mm、0.3mm 絲徑的鉭絲電爆炸時(shí)并未完全氣化，屬于不完全氣化型，而0.4 mm 絲徑的鉭絲發(fā)生了完全氣化，屬于完全氣化型。0.2 mm、0.3 mm 絲徑的鉭絲在電壓坍塌之前，并未出現(xiàn)電流突變現(xiàn)象，而0.4 mm 絲徑的鉭絲在電壓坍塌之前，電流出現(xiàn)突變，變平緩后緩慢升至峰值。

初始充電電壓為10kV 不同絲徑下的電壓電流波形如圖4 所示。隨著鉭絲絲徑的增加，電爆炸電壓峰值出現(xiàn)的時(shí)刻推遲，相變至氣化所需要的時(shí)間增加，電爆炸時(shí)刻推遲，具體參數(shù)見表1。鉭絲絲徑由0.2mm 增至0.4mm，電壓峰值從9.6kV 降至7kV，但是電壓峰值所對(duì)應(yīng)的電流卻成倍數(shù)增大，且電壓峰值出現(xiàn)的時(shí)刻從0.94μs延遲至1.96μs。

表1 初始充電電壓為10 kV不同絲徑下的參數(shù)比較

圖4 初始充電電壓10kV不同絲徑的電壓電流波形

這是因?yàn)殡S著鉭絲絲徑的增加，氣化所需要的時(shí)間增加，導(dǎo)致電壓峰值出現(xiàn)的時(shí)刻推遲，進(jìn)而使得電爆炸所需要的時(shí)間增加；在鉭絲的狀態(tài)是固態(tài)時(shí)，初始電阻是隨著絲徑的增加而不斷減小的，在鉭絲相變至氣態(tài)過(guò)程中，鉭絲電阻會(huì)大幅度增加，但是在氣化時(shí)絲徑大的鉭絲電阻相對(duì)于絲徑小的鉭絲電阻而言，仍然是小于絲徑小的鉭絲電阻的，雖然絲徑為0.4 mm 鉭絲氣化所需要的電流大于絲徑為0.2 mm、0.3 mm 鉭絲所需要的電流，但是電壓峰值卻隨鉭絲絲徑增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3.2 初始充電電壓對(duì)沉積能量的影響

根據(jù)金屬絲吸收的熱量公式［15］，計(jì)算不同絲徑下的鉭絲所需要的熔化能與氣化能。對(duì)比不同絲徑與不同初始電壓下鉭絲的沉積能量發(fā)現(xiàn)，絲徑為0.4mm 的鉭絲，在任意初始充電電壓下，完全氣化形成了等離子體進(jìn)行振蕩；而對(duì)于絲徑為0.2mm、0.3mm 的鉭絲，沉積能量是介于該條件下的熔化能與氣化能，也就是說(shuō)鉭絲有一部分發(fā)生了熔化，有一部分發(fā)生了氣化，這種氣液混合體在沉積能量結(jié)束之后，伴隨著沖擊波與氬氣快速碰撞后冷卻形成了金屬鉭粉。

不同絲徑的鉭絲在不同的初始充電電壓下的電爆炸沉積能量如表2 所示，隨著初始充電電壓的不斷增大，鉭絲上的沉積能量也有不同程度的增加，且絲徑為0.4mm鉭絲上的沉積能量始終是絲徑為0.3mm、0.2mm 鉭絲上的沉積能量的幾倍之多，這是因?yàn)殡S著鉭絲絲徑的增大，初始電阻是不斷減小的，電流更容易通過(guò)金屬絲的內(nèi)部而不是表面，且電爆炸過(guò)程中氣化所需要的時(shí)間有所增加。

表2 不同絲徑的鉭絲在不同的初始充電電壓下的電爆炸沉積能量

隨著初始充電電壓的不斷增加，絲徑為0.4mm的鉭絲上的沉積能量也有不同程度的增加，微米鉭粉的平均粒徑在逐漸減小，且初始充電電壓在11kV～14kV，微米鉭粉的平均粒徑變化并不明顯，保持在11μm 左右如圖5 所示，而3D 打印金屬粉末的粒度要求一般在20μm～80μm［16］，這與所期望得到的鉭粉的平均粒徑相差較大。

圖5 絲徑0.4 mm鉭絲不同初始充電電壓鉭粉顆粒粒徑

3.3 鉭粉微觀形貌與粒徑大小分布

通過(guò)觀察0.4mm 鉭絲不同初始電壓下拍攝的電鏡照片發(fā)現(xiàn)，只有初始充電電壓為10 kV 時(shí)，鉭粉顆粒呈球形或類球形，分布較為均勻，表面光滑，球形度良好，帶有明顯缺陷的顆粒較少，但顆粒粒徑分布范圍較寬，如圖6（a）所示；而在其他初始電壓下，鉭粉顆粒基本呈水滴狀，周圍絮狀物較多，初步判斷這種絮狀物是粒徑為納米級(jí)別的顆粒，且發(fā)生的團(tuán)聚現(xiàn)象，如圖6（b）所示。

圖6 0.4 mm鉭絲不同初始充電電壓下SEM照片

觀察0.3 mm、0.2 mm 鉭絲在不同初始充電電壓下的掃描電鏡照片發(fā)現(xiàn)，只有初始充電電壓在10 kV 下可以獲得分布范圍較窄的微米鉭粉顆粒，如圖7 所示。但0.3 mm 絲徑的鉭絲在初始充電電壓為10 kV 條件下，出現(xiàn)了較多的衛(wèi)星粉，這種衛(wèi)星粉的形成是因?yàn)樵诒ㄟ^(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊波，爆炸形成的質(zhì)量較大的顆粒會(huì)獲得較小的速度，質(zhì)量較小的顆粒會(huì)獲得較大的速度，在受到相同沖擊波的作用時(shí)，不同質(zhì)量的顆粒會(huì)相互接觸，質(zhì)量較大的顆粒有較大的表面且冷卻較慢，質(zhì)量較小的顆粒在冷卻過(guò)程中會(huì)因此附著在質(zhì)量較大的顆粒表面，隨著質(zhì)量較大的顆粒冷卻形成衛(wèi)星球狀的粉末。

圖7 初始充電電壓10 kV不同絲徑下的SEM照片

如圖8 所示為三種不同絲徑的鉭絲在初始充電電壓10 kV 下電爆炸得到的微米鉭粉顆粒的粒徑分布，從圖上可以看出，不同絲徑的鉭絲所制備的微米鉭粉顆粒粒徑分布類似于正偏態(tài)分布，0.2mm 鉭絲所制備的鉭粉集中分布在28μm～36μm之間，0.3 mm 鉭絲所制備的鉭粉集中分布在43μm～57μm 之間，0.4mm 鉭絲所制備的鉭粉集中分布在49μm～86μm 之間。在這三種情況下，0.2mm 條件下微米鉭粉分布范圍較窄，0.3mm 與0.4mm 條件下微米鉭粉分布范圍較寬，但是篩選后也可獲得所需要的微米鉭粉。

圖8 不同絲徑的鉭絲在10 kV時(shí)微米鉭粉顆粒的粒徑分布

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)表明氣體放電式制備金屬粉的電爆炸裝置能夠制得比較純凈、球形度良好的微米球形鉭粉顆粒，這種方法為微米球形鉭粉的制備奠定了基礎(chǔ)。

不同絲徑下絲電爆炸過(guò)程都經(jīng)歷了五個(gè)階段，絲徑為0.4 mm 鉭絲在電爆炸過(guò)程中發(fā)生了完全氣化，而絲徑為0.2 mm、0.3 mm 鉭絲并未完全氣化，處于氣液混合的狀態(tài)。在同一初始充電電壓下，隨著鉭絲絲徑的增加，電爆炸電壓峰值呈下降趨勢(shì)且電壓峰值出現(xiàn)的時(shí)刻推遲，相變至氣化所需要的時(shí)間增加，電爆炸時(shí)刻推遲，電爆炸所需要的時(shí)間增加。隨著初始充電電壓的不斷增大，一定絲徑鉭絲上的沉積能量會(huì)有不同程度的增加，所制備的微米球形鉭粉的平均粒徑在逐漸減小。在初始充電電壓為10 kV 時(shí)，不同絲徑的鉭絲都能得到分布較為均勻，表面光滑，球形度良好的球形微米鉭粉。0.2 mm條件下微米鉭粉分布范圍較窄，球形度良好，且滿足微米級(jí)3D打印金屬粉的粒徑要求。