鎢坩堝的燒結工藝研究

由於鎢本身的高熔點，使得傳統的鑄造成型方法難以直接應用於坩堝的製造，因此燒結工藝成為製備鎢坩堝的主要方法之一。本文將圍繞坩堝的燒結工藝展開研究，探討其工藝流程、關鍵參數、技術挑戰及優化方向。

一、燒結前的原料準備與成型

燒結工藝的第一步是鎢粉的準備。優質的鎢粉通常採用氫還原氧化鎢（WO₃ 或 WO₂.₉）的方法制得，其粒徑、比表面積和松裝密度對後續燒結緻密度具有顯著影響。為了制得高緻密度、低孔隙率的坩堝，通常選用粒徑為1–5 μm的超細鎢粉。

接著進行成型工藝，常用方法包括等靜壓成型（CIP）、模壓成型和注射成型等。等靜壓成型可在不規則坩堝幾何形狀下實現均勻壓實，是目前較為普遍使用的方式。通過施加200–400 MPa的等靜壓，使粉末在模具中均勻密實，為後續高溫燒結提供良好基礎。

鎢坩堝圖片

二、高溫燒結的關鍵參數控制

鎢的燒結溫度一般高達2000–2200℃，通常在氫氣或真空氣氛中進行，以避免氧化和雜質污染。燒結過程通常分為以下幾個階段：

預燒階段（1200–1600℃）：主要排除壓坯內部殘留的水分、有機粘結劑和氣體；

升溫至燒結溫度（1800–2200℃）：顆粒間發生顯著擴散作用，實現頸部形成和長大，孔隙減少，體積收縮；

保溫階段（30–120分鐘）：促進晶粒長大與孔隙閉合，進一步提高緻密度。

在整個燒結過程中，氫氣氣氛的純度需控制在99.999%以上，避免氧氣或水蒸氣引發鎢的氧化。若使用真空燒結，系統壓力應控制在10⁻³ Pa以下，以降低鎢的蒸發速率並減小表面活性。

三、常見燒結問題與解決策略

坩堝在燒結過程中常面臨的問題包括：

緻密度不足：主要由粉末粒徑不均或成型壓力不夠造成。可通過選用超細均勻鎢粉、提高冷壓強度或採用熱等靜壓（HIP）等手段提升緻密性。

表面粗糙或燒結變形：可能由於模具設計不合理或燒結溫度過高。採用優化模具設計、控制升溫速率以及使用輔助燒結模具有助於提高表面品質。

晶粒粗大化：在高溫長時間燒結中，鎢晶粒易長大導致材料脆化。通過添加少量晶粒抑制劑（如稀土氧化物）或引入兩步燒結法可有效控制晶粒尺寸。

鎢坩堝圖片

四、先進燒結技術的應用探索

近年來，為進一步優化坩堝性能，先進燒結技術被逐漸引入，例如：

熱等靜壓燒結（HIP）：將加熱與高壓同時施加，可在更低溫度下獲得更高緻密度，減少孔隙，提高機械強度；

放電等離子體燒結（SPS）：利用脈衝電流促進燒結擴散，有助於縮短燒結時間並抑制晶粒長大；

梯度燒結：通過控制不同部位溫度梯度，使坩堝結構在厚薄或底部與側壁間形成優化過渡，提高抗熱震能力。

五、燒結後處理工藝

完成高溫燒結後，鎢坩堝通常還需經過一系列機械加工處理，包括內外表面車削、拋光、尺寸校正等，以滿足精密應用需求。此外，可採用表面強化塗層（如TiN、ZrO₂）來進一步提升其抗氧化性和使用壽命，特別適用於多次迴圈加熱工況。