文章题目：Accelerated sintering and microstructural regulation of tungsten powder compact by novel modulation of particle configuration

期刊：Advanced Powder Materials

DOI：https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100317

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该工作以W-Ni-Co复相合金为例探索了颗粒构型对其烧结性能和合金结构的影响，通过元素迁移过程和微观结构演变的理论和实验分析，明确烧结过程中物质扩散路径和致密化行为的差异，揭示基于微观结构调控的性能提升机制。

01 文章摘要

对于粉末冶金法制备多相复合材料而言，粉体中元素的分布及粒度对其烧结过程及烧结体结构有着重要影响，通过粉体的有效调控，是实现其性能有效提升并推动其应用的关键之一。本文以 W-Ni-Co 复相合金为例，阐述了通过颗粒构型设计来增强粉体烧结活性并实现合金显微结构调控的新策略。首先利用热等离子体合成了具有核壳结构和均质结构的 W-Ni-Co 纳米复合粉体，从而能够对比分析由颗粒构型引起的烧结响应性差异。理论模拟与实验研究表明，核壳结构粉体更有利于建立元素扩散的快速通道，从而表现出显著提升的烧结性能，通过固相烧结获得组织均匀的细晶合金。更为重要的是，由于界面间强烈的互扩散，核壳粉体烧结的合金中钨相与粘结相形成了完全共格的界面结构，这与均匀粉体烧结合金中的半共格界面完全不同，并展现出显著提升的强度和塑性。

02 研究背景

对于具有复杂结构的多相材料，其内部存在局部的成分和结构异质性，这表明在烧结过程中不同元素在一定距离内具有不同的扩散行为。因此，颗粒聚集体中的元素分布对于物质迁移具有非常重要的作用，并进一步影响产物中的组织结构，但同时也导致了结构调控的复杂性。颗粒构型是调控颗粒聚集体参数的最小结构单元。传统观点认为均匀的成分分布有利于减小物质的迁移距离，从而加速烧结并获得细小且均匀的组织结构。也有研究指出具有偏析结构的核壳粉体能够实现单一类型的颗粒接触，因而促进了元素的均匀扩散，并对相分布的均质化具有积极促进作用。此外，颗粒构型对烧结体中的相组成和晶粒形貌也展现出不同影响。目前对于不同构型粉体烧结过程中致密化行为的差异及结构演变机理的理论认知仍显不足，这种理论缺失导致难以通过合理的颗粒构型设计来强化烧结并实现组织结构的有效调控，并阻碍了材料性能的进一步提升。

03 创新点

（1）通过热等离子体反应过程中热动力学协同实现了复合粉体构型的有效调控；

（2）揭示了基于粉体构型决定的物质传输路径及其对烧结致密化的影响；

（3）核壳结构粉体烧结合金中形成的共格相界面诱导强度与塑性协同提升。

04 文章概述

（1）粉体合成与结构表征

图1（a）核壳结构W-Ni-Co复合纳米颗粒低倍SEM和（b）高倍SEM图像，（c）低倍TEM和（d）高倍TEM图像，（e）高分辨透射电镜图像及（f）面扫成分分布图；（g）均匀结构W-Ni-Co复合纳米颗粒低倍SEM和（h）高倍SEM图像，（i）低倍TEM和（j）高倍TEM图像，（k）高分辨透射电镜图像及（l）面扫成分分布图

利用热等离子体气相合成技术瞬态反应制备了W-Ni-Co复合纳米粉末，并通过不同的钨源来调整气相合成中钨相的动力学析出过程，利用析出时间的差异实现了产物中不同成分的定向分布。当以仲钨酸铵、氯化镍和氯化钴为原料时，得到的产物为具有核壳结构的粉体，其结果如图1a-f所示。钨颗粒平均粒径约30纳米，表面被镍钴相均匀包覆。而仅当钨源改变为氧化钨时，得到的产物为成分均匀分布的颗粒，其结构如图1g-l所示。可以看出产物为准球形颗粒，尺寸分布均匀，平均粒径约为30纳米，镍钴相在钨颗粒中均匀分布。由于整个反应过程均在连续的流动状态下完成，生产效率高，有利于实现规模化生产。

（2）致密化动力学

图2（a）核壳结构粉体在初始致密化阶段烧结活化能与均方残差值关系曲线及（b）主烧结曲线；（c）均匀结构粉体在初始致密化阶段烧结活化能与均方残差值关系曲线及（d）主烧结曲线

在初始烧结阶段，致密化过程对原料粉体的状态极为敏感，因此本论文重点研究了这一阶段的速控烧结机制。采用主烧结曲线方法计算表观活化能，计算区间为1073K至1273K。如图2a和c所示，核壳结构纳米颗粒的烧结活化能为268 kJ/mol，低于均匀结构颗粒的303 kJ/mol，表明该阶段致密化动力学得到有效提升。值得注意的是，两种粉体的活化能值均显著低于钨的晶界自扩散活化能及镍钴粘结相的自扩散活化能，这表明单纯依靠钨或粘结相自身的扩散/粘性流动并非致密化的主导机制。为了进一步证明这一点，利用Darken方程计算了互扩散活化能。核壳结构纳米颗粒的互扩散活化能为289 kJ/mol，均匀结构颗粒为324 kJ/mol，该结果与主烧结曲线实验数据高度吻合，揭示了元素互扩散在复合粉体致密化过程中的核心作用。

（3）烧结过程中的元素扩散路径

图3 （a）核壳结构颗粒烧结颈的SEM图像及（b）局部元素分布（c）均匀结构颗粒烧结颈的SEM图像及（b）局部元素分布；（e）不同原子通过溶质-空位交换机制的迁移能

为探究初始烧结阶段的物质传输路径，对形成的烧结颈进行了成分分析。元素面扫结果显示核壳结构粉体形成的烧结颈中镍钴元素均匀分布，这源于低熔点粘结相率先引发的烧结，然而均匀结构粉体烧结颈处则观察到镍钴富集的现象。该结果表明，均匀结构颗粒中镍钴相需首先从钨基体中析出后方能形成连接颗粒的颈部，此过程显著区别于核壳颗粒的元素扩散。迁移能计算表明钨、镍、钴原子最有利的传输路径是经由γ-(Ni,Co)相扩散，而核壳结构复合粉体中由于镍钴在钨纳米颗粒表面的定向偏聚，更有利于物质的快速扩散。对于均匀结构的粉体颗粒，烧结启动依赖于Ni、Co原子通过钨空位迁移至颗粒表面。该过程的能垒虽低于钨自扩散能垒，但仍显著高于各原子在γ相中的迁移能，合理解释了均匀粉体需要更高起始烧结温度的原因，也证实了粉体构型对元素扩散路径及致密化的调控作用。

（4）合金结构分析

图4 （a）核壳结构粉体烧结合金的SEM图像，（b）相界面的HAADF-STEM图像，（c）FFT反FFT图谱，（d）几何相位应力分析，(e) W晶粒内部的TEM及FFT图谱，（f）远离界面区的粘结相TEM及FFT图谱，（g）APT界面成分分布分析；（h）均匀结构粉体烧结合金的SEM图像，（i）相界面的HAADF-STEM图像，（j）FFT反FFT图谱，（k）几何相位应力分析，(l) W晶粒内部的TEM及FFT图谱，（m）远离界面区的粘结相TEM及FFT图谱，（n）APT界面成分分布分析

图4对比分析了两种粉体烧结得到合金的结构。核壳结构粉体烧结合金的组织结构得到显著细化，钨晶粒平均尺寸约为1.37μm，显著小于均匀结构粉体烧结合金中的钨晶粒尺寸（2.04μm），且粘结相体积分数显著降低。且在合金中钨与粘结相界面晶格条纹连续贯穿且无位错存在，错配度约为4.2%，表明两相间存在共格关系，而均匀结构粉体烧结合金中，钨与粘结相界面错配度约6.76%，呈半共格关系。几何相位应力分析表明共格界面最大应力为31.9 GPa，比半共格界面降低73.8%，进而有效缓解了晶格失配导致的应变能积累。APT界面成分分布分析则证实， W相与粘结相在界面附近存在强烈的元素互扩散，导致晶面间距发生改变，从而使界面结构由原有的半共格关系转变为完全共格关系。

（5）力学性能

图5（a）合金的压缩应力-应变曲线，（b-c）两种粉体烧结合金压缩测试后的断口形貌，（d-f）核壳结构粉体烧结合金分别在 ε=5%、ε=10% 及断裂后的 TEM 图像，（g-i）均匀结构粉体烧结合金分别在 ε=5%、ε=10% 及断裂后的 TEM 图像

压缩性能分析表明，核壳结构粉体烧结合金屈服强度为847 MPa，极限抗压强度为1966 MPa，断裂应变达到 31%，均高于均匀结构粉体烧结得到的合金，证实其强度和塑性得到显著提升，且优于之前报道的大部分高比重合金。断口形貌分析可知两种样品中的裂纹扩展均主要沿钨-粘结相界面进行，这是由于相界面两侧成分和结构的不连续性所致。通过压缩变形过程中样品的 TEM 观察发现，共格界面有利于位错滑移穿过界面，减轻了由位错塞积引起的应力集中，因而有效抑制了潜在的裂纹形成。且共格界面较高界面结合强度显著增强了位错存储能力，从而展现出更为优异的力学性能。

05 启示

通过不同构型W-Ni-Co 复合粉体烧结的实验和理论研究，阐明了基于粉体构型设计的钨合金烧结强化及微结构调控策略，这项工作为多相复合材料的结构调控开辟了新的途径，并为理解烧结过程中的多元素扩散及致密化机制提供了依据和参考。

引用信息：Peng Hu, Yijie Gao, Hexiong Liu, Yunfei Yang, Qinqin Zhou, Jung-Sik Kim, Yaowu Hao, Jinshu Wang, Accelerated sintering and microstructural regulation of tungsten powder compact by novel modulation of particle configuration, Adv. Powder Mater. 4 (2025) 100317. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100317

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原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X25000533