權(quán)利要求

1.場發(fā)射微納鎢發(fā)射極的成形方法，其特征在于采用氣流磨處理和微注射成形相結(jié)合的方法制備場發(fā)射微納鎢發(fā)射極，具體步驟為： 1)原料粉末為鎢粉，純度大于99.9％，粒度小于1μm； 2)采用對噴式氣流磨裝置，對原料鎢粉進行一次或多次氣流磨處理；目的是為了實現(xiàn)粉末團聚的破碎和粉末表面球形度的提高，以提高粉末的松裝、振實密度和流動性；氣流磨過程均采用純度高于99.9％高純氮氣作為研磨介質(zhì)，研磨腔內(nèi)氣壓為0.5～0.7MPa，分選輪的頻率為40～60Hz；最終得到處理后粉末； 3)在純度大于99.9％的高純氫氣為保護氣氛下，將處理后的粉末在300℃～550℃的溫度范圍內(nèi)進行一次或者多次的煅燒處理； 4)將煅燒后的粉末與有機粘結(jié)劑混煉均勻，并制成顆粒狀喂料； 5)根據(jù)場發(fā)射電推進器應(yīng)用場景不同，對發(fā)射極形狀和尺寸要求不同，微注射成形所需形狀和尺寸的鎢坯體； 6)將微注射成形坯體浸泡于有機溶劑中后烘干，用于脫除部分粘結(jié)劑； 7)在純度大于99.9％的高純氫氣為保護氣氛下，將步驟6)烘干后的樣品在鎢絲燒結(jié)爐中進行熱脫燒結(jié)處理，制備出場發(fā)射微納鎢發(fā)射極。2.如權(quán)利要求1所述場發(fā)射微納鎢發(fā)射極的成形方法，其特征在于步驟3)中的煅燒處理工藝為：升溫速率為3～5℃/min，保溫時間為60～300min。 3.如權(quán)利要求1所述場發(fā)射微納鎢發(fā)射極的成形方法，其特征在于步驟4)中的粘結(jié)劑的配比為：微晶蠟為55％～60％、聚乙烯蠟為3％～10％，線性低密度聚乙烯為10％～15％、聚丙烯為20％～25％和硬脂酸為5％～10％。 4.如權(quán)利要求1所述場發(fā)射微納鎢發(fā)射極的成形方法，其特征在于步驟6)中所采用的有機溶劑為三氯乙烯溶液，在40～60℃溫度下浸泡6～12h，保證形成多孔的網(wǎng)絡(luò)體系，有助于后續(xù)熱脫燒結(jié)過程中粘結(jié)劑的分解和揮發(fā)。 5.如權(quán)利要求1所述場發(fā)射微納鎢發(fā)射極的成形方法，其特征在于步驟7)中熱脫燒結(jié)處理工藝為以0.5～1℃/min升溫到400℃，保溫60～120min，然后以2～3℃/min升溫到700℃，保溫60～120min，再以3～5℃/min升溫到900℃，保溫60～120min后，以1～3℃/min升溫到1000～1250℃，保溫60～180min。 6.如權(quán)利要求1所述場發(fā)射微納鎢發(fā)射極的成形方法，其特征在于所燒結(jié)的場發(fā)射微納鎢發(fā)射極，晶粒尺寸≤1μm、孔徑200～800nm，孔隙率15～35％，孔隙均勻，連通度好。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及了場發(fā)射微納鎢發(fā)射極的成形方法。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代小衛(wèi)星的不斷發(fā)展，不僅需要姿態(tài)和軌道控制，甚至還要有軌道機動能力。為此，必須開發(fā)研究與其相應(yīng)的微推進系統(tǒng)。場發(fā)射電推進器是一種新型微牛級電推進系統(tǒng)，具有推力小且大范圍精確可調(diào)、比沖高、效率高、功耗成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等特點。而微納鎢發(fā)射極是場發(fā)射電推進器至關(guān)重要的組成部分，可起到存儲和輸送推進劑的關(guān)鍵作用，影響著推進器的發(fā)射性能。推進器要實現(xiàn)微牛級推力和均勻發(fā)射性能，則需要發(fā)射極的晶粒細小、孔徑小和孔隙連通度性好，而這些性能又與原料粉末的形貌、粒度和粒度分布等密切相關(guān)，但細粒度粉末團聚嚴(yán)重，粒度分布寬，形狀不規(guī)則，會導(dǎo)致最終發(fā)射極存在大量閉孔、孔徑大小和分布不均勻、孔隙形狀不佳等狀況，這已成為制約推進器發(fā)射性能的瓶頸問題。此外，場發(fā)射微納鎢發(fā)射極形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但金屬鎢硬度高、脆性大、性能對加工狀態(tài)敏感，采用傳統(tǒng)加工工藝難以制備出所需形狀結(jié)構(gòu)和尺寸的微納鎢極。

粉末微注射成形是將現(xiàn)代塑料注射成形技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域的一門近凈成形技術(shù)，其主要是將金屬粉末與粘結(jié)劑混煉形成喂料，然后經(jīng)微注射成形設(shè)備注射成形為生坯，最后脫脂和燒結(jié)得到所需要的產(chǎn)品。具有可直接制備復(fù)雜高尺寸精度、復(fù)雜形狀的產(chǎn)品且具有性能優(yōu)異、成品率高、產(chǎn)品一致性好等優(yōu)點。而氣流磨處理可實現(xiàn)對粉末的解團聚、破碎細化、表面整形，提高粉末的松裝、振實密度等。中國專利(CN105499574A)公開了一種制備孔隙均勻異型多孔鎢制品的方法，所制備的多孔鎢制品形狀復(fù)雜，孔隙結(jié)構(gòu)均勻，孔隙連通度好。但其制備的產(chǎn)品孔徑及骨架尺寸較大，分別達到1～3，3～6μm，并且晶粒尺寸過大，而發(fā)射極尖端需達到1μm才能實現(xiàn)高效運行。場發(fā)射微納鎢發(fā)射極尖端銳度對發(fā)射極的質(zhì)量效率和啟動電壓有很大影響，鈍的發(fā)射極會導(dǎo)致低質(zhì)量效率和低比脈沖以及高啟動電壓，不能用于高效率場發(fā)射電推進器。中國專利(CN101623760B)公開了一種將微注射成形技術(shù)在鎢基合金產(chǎn)品制備上的應(yīng)用。而該專利的重點是添加合金元素來解決燒結(jié)致密化問題并利用利用微注射成形技術(shù)來解決微型零件的成形問題，與發(fā)射極的制備無關(guān)。中國專利(CN102259189A)公開了一種制備多孔陰極基底的方法，但是由于粉末原料未經(jīng)處理團聚嚴(yán)重且粉末粒度較大，制得的產(chǎn)品孔隙較大且分布不均勻，存在較多閉孔，不適用于發(fā)射極的應(yīng)用。

因此，本發(fā)明將微注射成形和氣流磨這兩項技術(shù)相結(jié)合開發(fā)了一種新型場發(fā)射微納鎢發(fā)射極制備方法，可制備出孔隙特性優(yōu)良、組織均勻、形狀復(fù)雜、尺寸精度高以及產(chǎn)品一致性好的場發(fā)射微納鎢發(fā)射極，制備的發(fā)射極晶粒尺寸≤1μm、孔徑200～800nm，能完全符合對發(fā)射極的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供了一種場發(fā)射微納鎢發(fā)射極的成形方法。

一種場發(fā)射微納鎢發(fā)射極的成形方法，其特征在于：以鎢粉為原料，對其進行一次或多次分散分級處理得到粒度分布窄、近球形的細粒度原料鎢粉；再通過粉末微注射成形制備出復(fù)雜形狀的場發(fā)射微納鎢發(fā)射極生坯，最后經(jīng)脫脂、燒結(jié)制備出復(fù)雜形狀的場發(fā)射微納鎢發(fā)射極零件，具體步驟為：

1、原料粉末為鎢粉，純度大于99.9％，粒度小于1μm；

2、采用對噴式氣流磨裝置，對原料鎢粉進行一次或多次氣流磨處理。目的是為了實現(xiàn)粉末團聚的破碎和粉末表面球形度的提高，以提高粉末的松裝、振實密度和流動性。氣流磨過程均采用純度高于99.9％高純氮氣作為研磨介質(zhì)，研磨腔內(nèi)的壓力為0.5～0.7MPa，分選輪的頻率為40～60Hz。最終得到處理后粉末；

3、在純度大于99.9％的高純氫氣為保護氣氛下，將處理后的粉末在300℃～550℃的溫度范圍內(nèi)進行一次或者多次的煅燒處理；

4、將煅燒后的粉末與有機粘結(jié)劑混煉均勻，并制成顆粒狀喂料；

5、根據(jù)場發(fā)射電推進器應(yīng)用場景不同，對發(fā)射極形狀和尺寸要求不同，微注射成形所需形狀和尺寸的鎢坯體；

6、將微注射成形坯體浸泡于有機溶劑中后烘干，用于脫除部分粘結(jié)劑；

7、在純度大于99.9％的高純氫氣為保護氣氛下，將步驟6烘干后的樣品在鎢絲燒結(jié)爐中進行熱脫燒結(jié)處理，制備出場發(fā)射微納鎢發(fā)射極。

進一步地，步驟3中的煅燒處理工藝為：升溫速率為3～5℃/min，保溫時間為60～300min。

進一步地，步驟4中的粘結(jié)劑的配比為：微晶蠟為55％～60％、聚乙烯蠟為3％～10％，線性低密度聚乙烯為10％～15％、聚丙烯為20％～25％和硬脂酸為5％～10％。

進一步地，步驟6中所采用的有機溶劑為三氯乙烯溶液，在40～60℃溫度下浸泡6～12h，保證形成多孔的網(wǎng)絡(luò)體系，有助于后續(xù)熱脫燒結(jié)過程中粘結(jié)劑的分解和揮發(fā)。

進一步地，步驟7中熱脫燒結(jié)處理工藝為以0.5～1℃/min升溫到400℃，保溫60～120min，然后以2～3℃/min升溫到700℃，保溫60～120min，再以3～5℃/min升溫到900℃，保溫60～120min后，以1～3℃/min升溫到1000～1250℃，保溫60～180min。

進一步地，所燒結(jié)的場發(fā)射微納鎢發(fā)射極，晶粒尺寸≤1μm、孔徑200～800nm，孔隙率15～35％，孔隙均勻，連通度好。

通過采用前述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果：(1)本發(fā)明從優(yōu)化粉末原料的角度出發(fā)，由于所采用的原料粉末的粒徑小于1μm，粒度細小且粉末團聚嚴(yán)重，不能滿足微注射成形對原料粉體的需求，且會造成微納鎢極閉孔多，孔隙不均勻，從而影響場發(fā)射電推進器的性能。通過對粉體進行處理可以實現(xiàn)解除粉體顆粒的團聚并分級和球化，提高了粉末的松裝振實密度和流動性，得到細粒度、高分散、窄分布近球形鎢粉顆粒。(2)對氣流磨處理后的粉末進行煅燒處理，可以消除氣流磨過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，減小粉末活性，在后續(xù)燒結(jié)過程中可進一步提高孔隙均勻性和開孔率。(3)將煅燒后的粉末與有機粘結(jié)劑混煉均勻，并制成顆粒狀喂料；根據(jù)場發(fā)射電推進器應(yīng)用場景不同，對發(fā)射極形狀和尺寸要求不同，微注射成形所需形狀和尺寸的鎢坯體；浸泡于有機溶劑中后烘干，脫除部分粘結(jié)劑后再在鎢絲燒結(jié)爐中采用分段燒結(jié)、緩速升溫的方式進行熱脫燒結(jié)處理工藝，可以實現(xiàn)對微納鎢發(fā)射極孔隙率的精確控制。且若升溫速率過快，溫度過高會使發(fā)射極變形和開裂，直接造成廢品，反之升溫速率過慢，保溫時間過短，制備出場發(fā)射微納鎢發(fā)射極會有殘?zhí)嫉漠a(chǎn)生，影響發(fā)射極的發(fā)生性能。(4)粉末微注射成形適合特征尺寸為微米級的微型零件的精密制造，無需后續(xù)加工，材料利用率高，可直接制備出最終形狀的場發(fā)射微納鎢發(fā)射極。(5)制備出的場發(fā)射微納鎢發(fā)射極雜質(zhì)含量低、孔隙均勻、晶粒尺寸≤1μm、孔徑200～800nm，孔隙率15～35％，開孔孔隙度占總孔隙度的95％以上。

附圖說明

圖1為氣流磨處理前后鎢粉的XRD，

圖2為制備的場發(fā)射微納鎢發(fā)射極斷口SEM。

具體實施方式

實施例1

1)原料粉末為費氏粒度為0.3μm，純度大于99.9％的鎢粉；

2)首先清洗氣流磨設(shè)備，打開主控預(yù)熱10～30min，充入純度大于99.9％的高純氮氣，啟動研磨閥，調(diào)節(jié)研磨壓力為0.5Mpa，加入原料鎢粉進入研磨室解團聚，并調(diào)節(jié)分選輪頻率為40Hz，收取全部粉末后，重復(fù)上述操作獲得兩次氣流磨處理粉末；

3)將氣流磨處理后的粉末在純度大于99.9％的高純氫氣氛圍下以5℃/min升溫至300℃，保溫180min，進行一次的煅燒處理，以消除氣流磨過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；

4)將煅燒后的粉末與有機粘結(jié)劑(微晶蠟為55％、聚乙烯蠟為3％，線性低密度聚乙烯為10％、聚丙烯為25％和硬脂酸為7％)混煉均勻，并制成顆粒狀喂料，喂料中粉末的體積分?jǐn)?shù)為40％；

5)將顆粒狀喂料在微注射成形機上，微注射成形得所需形狀和尺寸的鎢坯體，注射參數(shù)為注射溫度為170℃，模溫為60℃，注射壓力為100MPa，保壓壓力為50MPa；

6)將鎢坯體中的有機粘結(jié)劑采用適當(dāng)?shù)墓に嚸摮蓛簦撝に嚍樵?5℃的三氯乙烯溶液中浸泡7h，保證形成多孔的網(wǎng)絡(luò)體系，有助于熱脫脂過程中粘結(jié)劑的分解和揮發(fā)；然后在純度大于99.9％的高純氫氣為保護氣氛下管式爐中進行熱脫燒結(jié)，工藝為以0.5℃/min升溫到400℃，以避免脫脂速度過快導(dǎo)致樣品變形或者開裂，保溫60min，然后以2℃/min升溫到700℃，保溫60min，再以3℃/min升溫到900℃，保溫60min后，以2℃/min升溫到1200℃，保溫60min，最終制備出的純鎢多孔場發(fā)射發(fā)射極雜質(zhì)含量低、孔隙均勻、晶粒尺寸為0.5μm、平均孔徑320nm，開孔隙率18％，開孔孔隙度占總孔隙度的95％以上。

實施例2

1)原料粉末為鎢粉，費氏粒度為0.5μm，純度大于99.9％；

2)首先清洗氣流磨設(shè)備，打開主控預(yù)熱10～30min，充入純度大于99.9％的高純氮氣，啟動研磨閥，調(diào)節(jié)研磨壓力為0.6Mpa，加入原料鎢粉進入研磨室解團聚，并調(diào)節(jié)分選輪頻率為50Hz，收取全部粉末后，重復(fù)上述操作獲得一次氣流磨處理粉末。

3)將氣流磨處理后的粉末在純度大于99.9％的高純氫氣氛圍下以5℃/min升溫至400℃，保溫60min，進行兩次的煅燒處理，以消除氣流磨過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；

4)將煅燒后的粉末與有機粘結(jié)劑(微晶蠟為55％、聚乙烯蠟為6％，線性低密度聚乙烯為10％、聚丙烯為24％和硬脂酸為5％)混煉均勻，并制成顆粒狀喂料，喂料中粉末的體積分?jǐn)?shù)為46％；

5)將顆粒狀喂料在微注射成形機上，微注射成形得所需形狀和尺寸的鎢坯體，注射參數(shù)為注射溫度為175℃，模溫為70℃，注射壓力為110MPa，保壓壓力為55MPa；

6)將鎢坯體中的有機粘結(jié)劑采用適當(dāng)?shù)墓に嚸摮蓛?，脫脂工藝為?0℃的三氯乙烯溶液中浸泡6h，保證形成多孔的網(wǎng)絡(luò)體系，有助于熱脫脂過程中粘結(jié)劑的分解和揮發(fā)；然后在純度大于99.9％的高純氫氣為保護氣氛下管式爐中進行熱脫燒結(jié)，工藝為以1℃/min升溫到400℃，以避免脫脂速度過快導(dǎo)致樣品變形或者開裂，保溫60min，然后以3℃/min升溫到700℃，保溫70min，再以5℃/min升溫到900℃，保溫60min，以3℃/min升溫到1250℃，保溫60min，最終制備出的純鎢多孔場發(fā)射發(fā)射極雜質(zhì)含量低、孔隙均勻、晶粒尺寸為0.7μm、平均孔徑430nm，開孔隙率21％，開孔孔隙度占總孔隙度的96％以上。

實施例3

1)原料粉末為鎢粉，費氏粒度為0.8μm，純度大于99.9％；

2)首先清洗氣流磨設(shè)備，打開主控預(yù)熱10～30min，充入純度大于99.9％的高純氮氣，啟動研磨閥，調(diào)節(jié)研磨壓力為0.7Mpa，加入原料鎢粉進入研磨室解團聚，并調(diào)節(jié)分選輪頻率為60Hz，收取全部粉末后，重復(fù)上述操作獲得三次氣流磨處理粉末；

3)將氣流磨處理后的粉末在純度大于99.9％的高純氫氣氛圍下以5℃/min升溫至500℃，保溫100min，進行三次的煅燒處理，以消除氣流磨過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；

4)將煅燒后的粉末與有機粘結(jié)劑(微晶蠟為60％、聚乙烯蠟為3％，線性低密度聚乙烯為10％、聚丙烯為22％和硬脂酸為5％)混煉均勻，并制成顆粒狀喂料，喂料中粉末的體積分?jǐn)?shù)為50％；

5)將顆粒狀喂料在微注射成形機上，微注射成形得所需形狀和尺寸的鎢坯體，注射參數(shù)為注射溫度為180℃，模溫為80℃，注射壓力為120MPa，保壓壓力為60MPa；

6)將鎢坯體中的有機粘結(jié)劑采用適當(dāng)?shù)墓に嚸摮蓛?，脫脂工藝為?0℃的三氯乙烯溶液中浸泡10h，保證形成多孔的網(wǎng)絡(luò)體系，有助于熱脫脂過程中粘結(jié)劑的分解和揮發(fā)；然后在純度大于99.9％的高純氫氣為保護氣氛下管式爐中進行熱脫燒結(jié)，工藝為以1℃/min升溫到400℃，以避免脫脂速度過快導(dǎo)致樣品變形或者開裂，保溫60min，然后以3℃/min升溫到700℃，保溫60min，再以5℃/min升溫到900℃，保溫60min，以3℃/min升溫到1250℃，保溫1800min，最終制備出的純鎢多孔場發(fā)射發(fā)射極雜質(zhì)含量低、孔隙均勻、晶粒尺寸為0.9μm、平均孔徑450nm，開孔隙率23％，開孔孔隙度占總孔隙度的98％以上。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。

場發(fā)射微納鎢發(fā)射極的制備方法.pdf