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，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、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，結(jié)合波形對其機(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；然后通過充電電路向儲能電容充電，進(jìn)而使得在兩電極之間形成高壓電場；其次往復(fù)機(jī)構(gòu)帶動送絲輪將金屬絲送至電極之間；最后隔離開關(guān)動作，擊穿開關(guān)氣隙，在高壓電場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程中的電壓和電流響應(yīng)，響應(yīng)信號通過高采樣率的Tektronix TDS 2024B數(shù)字示波器進(jìn)行采集存儲；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。儲能電容為8.88 μF，金屬絲為市場上容易獲得的、純度為99.99%的鉭絲，隔離開關(guān)之間的氣隙長度為2 mm，電極與金屬絲之間的氣隙長度為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程中爆炸質(zhì)量的重要指標(biāo)，其計(jì)算方法為電爆炸過程中金屬絲上的電壓與回路中電流的乘積在電爆炸時間段上的積分。實(shí)際試驗(yàn)中測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，短路銅絲長度為56mm，絲徑為2.5mm，通過短路電流試驗(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脈沖大電流時產(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為爆炸的起始時刻，t3為爆炸的結(jié)束時刻。

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程的劃分［13-14］，將鉭絲電爆炸過程劃分為以下五個階段，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，此時鉭絲處于固液混合狀態(tài)，t2時刻鉭絲完全熔化；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，也叫擊穿過程［14］；t3時刻后：t3時刻電壓達(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，等離子體在該過程中形成，開始等離子體振蕩。

3.1 絲徑變化對放電參數(shù)的影響

對于0.2mm、0.3mm 絲徑的鉭絲電爆炸時并未完全氣化，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)的時刻推遲，相變至氣化所需要的時間增加，電爆炸時刻推遲，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，但是電壓峰值所對應(yīng)的電流卻成倍數(shù)增大，且電壓峰值出現(xiàn)的時刻從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，氣化所需要的時間增加，導(dǎo)致電壓峰值出現(xiàn)的時刻推遲，進(jìn)而使得電爆炸所需要的時間增加；在鉭絲的狀態(tài)是固態(tài)時，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)過程中，鉭絲電阻會大幅度增加，但是在氣化時絲徑大的鉭絲電阻相對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。

3.2 初始充電電壓對沉積能量的影響

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，電流更容易通過金屬絲的內(nèi)部而不是表面，且電爆炸過程中氣化所需要的時間有所增加。

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，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^程中，會產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊波，爆炸形成的質(zhì)量較大的顆粒會獲得較小的速度，質(zhì)量較小的顆粒會獲得較大的速度，在受到相同沖擊波的作用時，不同質(zhì)量的顆粒會相互接觸，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程中會因此附著在質(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時微米鉭粉顆粒的粒徑分布

4 結(jié)語

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程都經(jīng)歷了五個階段，絲徑為0.4 mm 鉭絲在電爆炸過程中發(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且電壓峰值出現(xiàn)的時刻推遲，相變至氣化所需要的時間增加，電爆炸時刻推遲，電爆炸所需要的時間增加。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，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3D打印金屬粉的粒徑要求。