PREP法制备Zr–2.5Nb合金粉末粒径依赖形貌与快速凝固微观结构的多尺度表征

《Journal of Alloys and Compounds》：Multiscale characterization of particle-size-dependent morphology and rapid-solidification microstructures in PREP-produced Zr–2.5Nb alloy powders

　　

摘要

等离子旋转电极工艺（PREP）是制备高球形度Zr合金粉末的一种有吸引力的途径；然而，与颗粒尺寸相关的粉末形貌、快速凝固微观组织及粉末行为的变化仍缺乏充分的定量研究。本研究采用多尺度表征策略，涵盖颗粒级别、微观组织和纳米尺度分析，并结合粉末性能评估，对PREP制备的Zr–2.5 Nb合金粉末进行了考察。颗粒分辨X射线断层扫描（CT）显示粉末整体呈近球形，形貌缺陷比例较低，其中卫星颗粒、空心颗粒和不规则颗粒的比例分别为1.5%、0.2%和0.3%。表面形貌和内部微观组织尺度表现出明显的颗粒尺寸依赖性。随着颗粒尺寸增大，表面起伏变得更加明显，而与α/α′相关的特征微观组织尺度从<100 μm粒级中的约0.25 μm增大到>150 μm粒级中的0.55 μm。基于模型的冷却速率估算结果与较细液滴冷却更快的结论一致，支持了在所研究的PREP条件下颗粒尺寸与液滴热历史之间的相关性。尽管XRD分析表明α-Zr是主要相，但对代表性颗粒的局部纳米尺度表征表明，存在富缺陷的马氏体α′-Zr层片以及富Nb的β-Zr区域。所有粒径分数均保持较低的间隙元素含量和约3.8–3.9 g/cm3的可比表观密度，而粗粒度粒级的流动性略短，尽管其球形度有所降低。这些发现建立了颗粒尺寸依赖性关联框架，将PREP制备的Zr–2.5 Nb合金粉末中的液滴热历史、形貌演化、快速凝固微观组织特征与粉末行为联系在一起。

引言

Zr合金是核工程中的重要结构材料，因其低中子吸收截面、良好的耐腐蚀性以及严苛服役条件下可靠的力学性能而备受关注[1], [2]。其中，Zr–2.5 Nb合金被广泛用于压力管及相关结构件[3]。尽管Zr合金部件传统上通过锻压加工路线制备，但基于粉末的近净成形制造为提高材料利用率和制造灵活性提供了有吸引力的途径[4], [5]。在此类工艺中，粉末不仅仅是具有指定粒径范围的原料；其形貌、堆积行为、流动性和间隙元素含量共同决定了粉末处理的稳定性以及后续的压制或熔炼过程[6], [7]。因此，制备具有受控粒径分布、高球形度和稳定粉末性能的高纯Zr合金粉末，对于将基于粉末的制造路线扩展到活性Zr合金至关重要。

等离子旋转电极工艺（PREP）是一种无坩埚粉末制备技术，能够生产高纯球形金属粉末。在PREP过程中，快速旋转的合金电极端部被等离子弧熔化，熔融金属在离心力作用下破碎为液滴，随后凝固成粉末颗粒[8]。与传统雾化技术相比，PREP通常能生产出表面更光滑、球形度更高、污染更少、卫星颗粒和内部孔隙更少的粉末[9], [10]。因此，PREP制备的Zr–2.5 Nb粉末是近净成形复杂核部件（如核燃料组件中的栅格条）的有前景的原料[11]。然而，球形粉末颗粒的表面简单性掩盖了一系列复杂的耦合物理事件，包括熔膜形成、丝状断裂、液滴脱落、飞行冷却、气体滞留和快速凝固[12]。由于不同尺寸的液滴具有不同的表面积与体积比、液态寿命、冷却速率和凝固路径，PREP粉末应被视为其自身形成历史的颗粒尺度记录，而非几何等效的球体[13]。

这种与颗粒尺寸相关的形成历史对于理解PREP粉末中的缺陷生成尤为重要。大液滴通常具有较低的表面积与体积比和较长的凝固时间，这可能有利于气体滞留、孔隙生长或缩孔形成。相反，小液滴经历更快的冷却，可能保留更细的凝固特征[14]。卫星颗粒可能通过二次液滴附着到较大颗粒上形成，而不规则颗粒可能由不完全球化、液滴碰撞或飞行过程中受扰动的凝固造成[15]。因此，空心颗粒、卫星颗粒、不规则形貌和尺寸依赖的微观组织不应被视为独立的粉末特性。相反，它们是耦合的熔体破碎和凝固过程的不同表现，其发生很可能与颗粒尺寸密切相关[16]。

尽管PREP制备的Zr合金粉末具有重要的技术意义，但其颗粒分辨的缺陷结构和尺寸依赖的凝固行为仍未得到充分认识。大多数关于PREP粉末的现有研究集中在粒径分布、表面形貌或整体粉末性能上[17]。常规扫描电子显微镜对抛光截面的观察可以提供有用的局部信息，但其固有的二维截面局限性使其受到限制[10], [18]。内部孔隙可能因切割位置不同而被遗漏、低估或误解，其真实形貌、体积、空间位置和连通性无法被完全解析[19]。更重要的是，对于PREP制备的Zr合金粉末，颗粒尺寸与三维缺陷群、凝固微观组织、间隙元素含量以及粉末流动和堆积行为之间的关联仍不清楚。这种缺失的关联限制了粉末形成的机理理解，并阻碍了粉末质量的合理优化。

在本研究中，将PREP制备的Zr–2.5 Nb合金粉末分离为不同的粒径分数，并采用多尺度、颗粒分辨的表征策略进行调查。采用X射线断层扫描（CT）量化单个颗粒的三维形貌和缺陷群体，同时结合电子显微镜揭示表面特征、截面凝固结构和纳米尺度相特征。这些观察结果进一步与粉末流动性、堆积密度和间隙元素含量相关联，以阐明颗粒尺寸如何与缺陷保留、微观组织演化和粉末行为相联系。这种颗粒分辨的多尺度分析推进了对PREP过程中Zr–2.5 Nb粉末形成的理解，并为近净成形制造中的粉末质量优化提供了指导。

章节片段

粉末制备

本研究考察的Zr–2.5 Nb合金粉末采用等离子旋转电极工艺制备。使用西安西电能源材料科技有限公司提供的商用Zr–2.5 Nb合金棒作为原料。合金棒的直径为50 mm，长度为200 mm。其化学成分列于表1。粉末生产使用西安赛隆AM科技有限公司提供的SLPA-N50 PREP系统在惰性保护气氛下进行。一个固定的

三维形貌和缺陷表征

在使用X射线CT检查单个颗粒的三维形貌和内部缺陷之前，首先评估了原始粉末批次的整体粒径分布和表面形貌。如图1(a)所示，粉末的D₁₀、D₅₀和D₉₀值分别为66.6、98.9和143.8 μm。累积体积分数主要在约60–150 μm的粒径范围内增加，表明大部分粉末体积集中在

结论

对PREP制备的Zr–2.5 Nb合金粉末，在不同粒径分数下，采用颗粒分辨CT、电子显微镜、相分析、冷却速率估算和粉末性能测量进行了研究。主要结论如下：

• 1.
  PREP制备了高度球形的Zr–2.5 Nb合金粉末，CT可分辨缺陷的发生率较低。卫星颗粒、空心颗粒和不规则颗粒的比例分别为1.5%、0.2%和0.3%，且这些

CRediT作者贡献声明

王宝： 软件。岳晓坤： 验证、数据整理。张宝光： 资金获取。潘科佳： 论文撰写（初稿）、项目管理、方法学、调查研究、概念构思。姚登志： 软件、形式分析。李慧霞： 资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的 competing financial interests 或人际关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究获得西安市科技计划（编号：25XYJSZX001）、国家自然科学基金（编号：52504396）和陕西省重点研发计划（编号：2025CY-YBXM-414和2025CY-GJHX-17）的资助。

潘科佳|李慧霞|姚登志|岳晓坤|王宝|张宝光

西北有色金属研究院 多孔金属材料国家重点实验室，西安 710016，中国