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摘要: 利用不同原料粉末制备钨坩埚样品，并于高温环境下进行应用模拟实验。结果表明，射流分级预处理有助于提升钨坩埚组织均匀性及整体性能；以费氏粒度3.0～3.5 μm的钨粉为原料，经射流分级、压制、烧结等工艺，可制得密度较高（18.770 g·cm−3）、维氏硬度较高（HV0.3 372.15）的钨制品；将该钨坩埚置于高温环境下进行模拟应用验证，其密度及微观形貌较为稳定，变化较小。Abstract: The tungsten crucible samples were prepared by using the different tungsten powders, and the application simulation experiment was carried out in high temperature environment. The results show that, the jet grading pretreatment technology is an efficient process to improve the qualities of the tungsten crucible. The tungsten products with high density (18.770 g·cm−3) and high Vickers hardness (HV0.3 372.15) are prepared by jet grading, pressing, and sintering, using the tungsten powders with the Feller size of 3.0~3.5 μm as the raw materials. Meanwhile, the simulation application of tungsten crucibles is verified in the high temperature environment, which shows that the density and microstructure are stable.
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钨（W）具有密度大、熔点及沸点高、高温力学性能好，蒸汽压低、硬度高、导电导热率高，热膨胀系数低等优点，被广泛应用于航天航空、核工业、兵器、电子、有色冶金、真空镀膜、稀土及石英玻璃等应用领域[1–3]。我国拥有丰富的钨资源，随着社会和科技的不断发展，钨产业逐渐由低端钨资源开采转向高附加值钨产品生产[4–5]。
钨坩埚被广泛应用于稀土冶炼、石英玻璃、晶体生长等行业，在现代工业中发挥着重要的作用[6]。有研究表明，与其他种类坩埚比较，钨坩埚具有污染小、寿命长的优点，满足应用需求[7-8]。作为稀土冶炼的重要部件，钨坩埚的使用性能和寿命十分重要。钨坩埚通常应用于恶劣环境（如超高温环境），变形和失效时有发生。研究表明，钨制品的热导率与密度呈正相关，孔隙率对热膨胀系数有负面影响[9–10]，因此，提高钨制品的密度有助于使其不易因高温膨胀而变形[11–13]。
原料钨粉会存在明显的团聚现象，解决钨粉团聚问题有利于制备具有复杂结构的钨制品[14]。粉末分散分级预处理是一种有效改善粉末物理性能的处理方式，常用方式有机械打散、机械研磨、气流分级和射流分级等，其中射流分级技术可以对粉末进行有效分级，粉末形状保持良好，粒度范围收窄，显著优于上述其他分散分级方式[15]。射流分级机的工作原理是柯安达效应，图1是粉体射流分级原理的示意图。气固两相的混合流在喷嘴内高速喷出，由于流动两侧的压力差，流动迅速偏转并沿弯曲的固体壁面旋转；由于粉体的粒径不同，会受到不同惯性力、离心力和流体阻力的影响，不同粒径的粉末会有不同的飞行轨迹；细粉会附着在柯安达块体上，较大的钨粉体会飞到远处。射流分级机的主要工艺参数是空气压力和两个分级刀的位置，通过调整射流分级机两个分级机刀片的位置，将粉体分为粗、中、细三种粒度。
本文利用不同原料粉末及预处理组合制备成钨坩埚样品，并将该钨坩埚置于高温环境下进行模拟应用验证，通过比较高温环境下的应用稳定性，探究得到制备钨坩埚最优原料粉末与预处理组合。
1. 实验材料及方法
1.1 实验方法
为了提高钨制品的致密化程度，采用射流分级技术对钨粉进行预处理，然后再进行压制和氢气环境下烧结。通过物理性能和显微形貌比较，确定对射流分级适应性最优的钨粉粒度。
图2显示了射流分级前的钨粉和分级后中粉的扫描电子显微（scanning electron microscopy，SEM）形貌。由图2可知，原料未进行射流分级时，粉末团聚严重，具有多面体结构的大颗粒和不规则小颗粒吸附在一起形成较大的团聚体。与之相反，经射流分级后，得到的中粉具有良好的分散性。
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图 2 射流分级前后钨粉显微形貌：（a）分级前；（b）分级后Figure 2. SEM images of the tungsten powders before and after the jet grading: (a) before jet grading; (b) after jet grading1.2 实验材料
所用原料为两种粒度钨粉，其费氏粒度范围分别为3.1～3.2 μm和3.0～3.5 μm，经烘箱充分干燥后，制备出4种样品供实验使用。样品1：费氏粒度范围为3.0～3.5 μm的钨粉，未经射流分级预处理；样品2：费氏粒度范围为3.1～3.2 μm的钨粉，未经射流分级预处理；样品3：费氏粒度范围为3.0～3.5 μm的钨粉，经过射流分级预处理；样品4：费氏粒度范围为3.1～3.2 μm的钨粉，经过射流分级预处理。然后以实验钨粉为原料，经等静压成形并在氢气气氛下烧结制得钨坩锅样品。
1.3 检测方法
采用D1347型固体密度计测量样品密度，使用402MVA型自动转塔显微维氏硬度计测量样品硬度。将样品进行适度腐蚀，利用HITACHI SU5000型扫描电镜观察腐蚀后样品表面形貌。
2. 结果及讨论
2.1 原材料对钨制品性能的影响
表1所示为不同原料粉末制备得到的钨制品物理性能。由表1可知，经射流分级预处理后，费氏粒度为3.0～3.5 μm的原料粉末制备得到的钨坩埚密度由18.247 g·cm−3提高到18.770 g·cm−3，维氏硬度由HV0.3 309.09提高到HV0.3 372.15；费氏粒度为3.1～3.2 μm的原料粉末制备得到的钨坩埚密度由18.145 g·cm−3提高到18.637 g·cm−3，维氏硬度由HV0.3 315.92变为HV0.3 347.18。上述实验结果表明，原料钨粉经射流分级预处理后，钨制品的物理性能得到显著改善。
表 1 不同粉末制得的钨制品物理性能Table 1. Physical properties of tungsten products using different powders原料粉末 密度 / (g·cm−3) 维氏硬度，HV0.3 样品1 18.247 309.09 样品2 18.145 315.92 样品3 18.770 372.15 样品4 18.637 347.18 图3所示为不同原料粉末制备的钨制品断口形貌。从图3（a）和图3（b）可以看出，未经射流分级预处理的原料粉末制备得到的样品存在一些明显的孔洞。相比之下，经过射流分级预处理原料粉末制备的钨制品中的孔洞数量明显减少。
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图 3 不同原料粉末制备的钨制品断口形貌：（a）样品1；（b）样品2；（c）样品3；（d）样品4Figure 3. Fracture morphology of the tungsten products using the different raw powders: (a) sample 1; (b) sample 2; (c) sample 3; (d) sample 4分析认为，未经射流分级预处理的原粉体中含有大量的大团聚体颗粒和细小颗粒。一方面，烧结后的大团聚体颗粒中的一些孔洞残留下来，无法完全消除；另一方面，大量的细颗粒会导致烧结收缩不均匀和烧结过程中的塌陷，进一步阻碍了钨制品密度的提高。表1和图3还表明，以粒度分布较宽的粉末为原料制备的样品性能较好，射流分级预处理后的样品性能更高。这是由于在压制和烧结过程中，需要适量的不同粒径颗粒填充孔隙，最终得到密度较高的产品。
综上所述，射流分级是一种有效的粉体处理方法，可以有效地分散粉体。分级后，粉体的团聚现象在一定程度上得到了缓解，而粉体颗粒原形貌保持良好。此外，射流分级预处理可有效改善钨制品的物理性能。以费氏粒度3.0～3.5 μm的钨粉为原料，经射流分级预处理，烧结后密度为18.770 g·cm−3，烧结后产品的硬度最高。
2.2 原材料对钨制品应用性能的影响
为了探究钨制品在高温下的使用性能稳定性，将4种原料制备的钨坩埚置于2450 ℃下保温3 h。通过对比观察，高温模拟应用后样品变形程度均较小。对高温模拟应用前后的样品进行密度测量，并于扫描电镜下进行形貌观察，结果如表2和图4所示。结果显示，以未经分级处理的钨粉作为原材料制备得到的钨坩埚，密度变化较大。
表 2 不同样品高温模拟应用前后密度变化Table 2. Density and dimensions of the different samples before and after the high temperature simulation样品编号 密度 / (g·cm−3) 高温模拟应用前 高温模拟应用后 样品1 18.247 18.319 样品2 18.145 18.262 样品3 18.770 18.763 样品4 18.637 18.639 ![]()
图 4 高温模拟应用前后钨坩埚的显微组织形貌：（a）样品1高温模拟应用前；（b）样品1高温模拟应用后；（c）样品2高温模拟应用前；（d）样品2高温模拟应用后；（e）样品3高温模拟应用前；（f）样品3高温模拟应用后；（g）样品4高温模拟应用前；（h）样品4高温模拟应用后Figure 4. Microstructure of the different tungsten crucibles before and after the high temperature simulation: (a) sample 1 before the high temperature simulation; (b) sample 1 after the high temperature simulation; (c) sample 2 before the high temperature simulation; (d) sample 2 after the high temperature simulation; (e) sample 3 before the high temperature simulation; (f) sample 3 after the high temperature simulation; (g) sample 4 before the high temperature simulation; (h) sample 4 after the high temperature simulation图4为高温模拟应用前后钨坩埚的显微组织形貌。由图可知，未经射流分级预处理的原粉体中含有大量的团聚体颗粒和细小颗粒，导致制品内部孔洞较多。在高温环境应用的过程中，钨制品会发生晶粒长大、孔隙填充等现象，导致钨坩埚性能发生改变。以分级处理后的粉末作为原材料，由于一次烧结体内孔隙较少，晶粒之间紧密结合，在高温模拟应用过程中，制品微观形貌变化程度较小，有利于保持制品性能稳定。
3. 结论
（1）射流分级是一种有效的使粉末分散、分级的处理方法。分级后，粉末的团聚现象得到一定程度的缓解，粉体颗粒形貌保持良好。射流分级预处理可有效地改善钨制品的物理性能。以费氏粒度3.0～3.5 μm的钨粉为原料，采用射流分级法对钨粉进行预处理，经过压制和烧结，获得了性能最佳的钨制品，其密度为18.770 g·cm−3，维氏硬度为HV0.3 372.15。
（2）高温应用环境会使钨制品晶粒轻微长大，部分孔隙尺寸缩小，甚至消失，导致钨制品性能发生改变。以射流分级后的粉末为原料制备得到的钨制品在高温模拟应用环境下稳定性较好，模拟应用前后样品物理性能及微观形貌变化较小。因此，射流分级预处理是制备高性能钨坩埚的一种行之有效的粉末处理方式。
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图 2 射流分级前后钨粉显微形貌：（a）分级前；（b）分级后
Figure 2. SEM images of the tungsten powders before and after the jet grading: (a) before jet grading; (b) after jet grading
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图 3 不同原料粉末制备的钨制品断口形貌：（a）样品1；（b）样品2；（c）样品3；（d）样品4
Figure 3. Fracture morphology of the tungsten products using the different raw powders: (a) sample 1; (b) sample 2; (c) sample 3; (d) sample 4
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图 4 高温模拟应用前后钨坩埚的显微组织形貌：（a）样品1高温模拟应用前；（b）样品1高温模拟应用后；（c）样品2高温模拟应用前；（d）样品2高温模拟应用后；（e）样品3高温模拟应用前；（f）样品3高温模拟应用后；（g）样品4高温模拟应用前；（h）样品4高温模拟应用后
Figure 4. Microstructure of the different tungsten crucibles before and after the high temperature simulation: (a) sample 1 before the high temperature simulation; (b) sample 1 after the high temperature simulation; (c) sample 2 before the high temperature simulation; (d) sample 2 after the high temperature simulation; (e) sample 3 before the high temperature simulation; (f) sample 3 after the high temperature simulation; (g) sample 4 before the high temperature simulation; (h) sample 4 after the high temperature simulation
表 1 不同粉末制得的钨制品物理性能
Table 1 Physical properties of tungsten products using different powders
原料粉末 密度 / (g·cm−3) 维氏硬度，HV0.3 样品1 18.247 309.09 样品2 18.145 315.92 样品3 18.770 372.15 样品4 18.637 347.18 
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表 2 不同样品高温模拟应用前后密度变化
Table 2 Density and dimensions of the different samples before and after the high temperature simulation
样品编号 密度 / (g·cm−3) 高温模拟应用前 高温模拟应用后 样品1 18.247 18.319 样品2 18.145 18.262 样品3 18.770 18.763 样品4 18.637 18.639
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