拉丝工艺对光伏用超细钨丝微观结构及机械性能影响

引言

随着全球能源结构加速向可再生能源转型，光伏发电凭借清洁、可持续等优势，成为新能源领域的重要发展方向。在光伏电池生产过程中，硅片切割是决定光伏组件成本与效率的关键环节，而超细钨丝作为多线切割技术的核心耗材，其性能直接影响硅片切割的精度、表面质量及切割损耗。目前，光伏产业对硅片的薄片化、大尺寸化需求日益增长，要求钨丝具备更高的强度、韧性与耐磨性，以满足高效、稳定切割的要求。

一、实验材料与方法

1.1 实验材料

选用纯度为 99.95% 的钨棒作为原始坯料，初始直径为 2.0mm 。在拉丝前，对钨棒进行退火处理，加热至 1200^∘C 并保温 2h，随后随炉冷却，以消除内部残余应力，改善其塑性变形能力，为后续拉丝工艺提供性能均一的坯料基础。

1.2 实验设备与工艺参数

实验采用多级连续拉丝机进行钨丝制备，主要工艺参数包括拉丝速度（5 -25m/min. ）、模具压缩比 (10%-30% ）和润滑方式（固体润滑剂与液体润滑剂结合）。模具材质为硬质合金，其工作锥角为 12^∘ ，定径带长度为 3mm 。通过调整不同工艺参数组合，制备出直径为 0.03mm 的超细钨丝样品，每种工艺参数下制备 3 个平行样品，以保证实验数据的可靠性。

1.3 性能测试与表征方法

使用扫描电子显微镜（SEM，型号 FEI Quanta 450）观察钨丝表面形貌及微观组织，加速电压为 20kV ；采用 X 射线衍射仪（XRD，型号 Bruker D8 Advance）分析钨丝晶体织构，扫描角度范围为 20^∘-90^∘ ，步长 0.02^∘ ；通过电子万能拉伸试验机（型号 Instron5982）进行室温拉伸试验，拉伸速度为 1mm/min ，测定钨丝的抗拉强度和延伸率；利用显微硬度计（型号 HV-1000 ）进行硬度测试，载荷为 0.2kg ，保载时间 15s，每个样品测试 5 个点并取平均值。

二、拉丝工艺对钨丝微观结构的影响

2.1 拉丝速度的影响

当模具压缩比固定为 20% 时，随着拉丝速度从 5m/min 增加至 25m/min ，钨丝的微观结构发生显著变化。SEM 观察显示，低速拉丝时（ 5m/min, ），钨丝晶粒沿拉拔方向呈细长纤维状，晶粒尺寸较为均匀，平均晶粒长度约为 20μm ，宽度约为 2μm ；而高速拉丝（ (25m/min ）时，由于变形热效应加剧，部分晶粒出现异常长大现象，晶粒尺寸分布不均，平均晶粒长度增加至 35μm ，且晶粒内部位错密度显著降低。XRD 分析表明，高速拉丝导致钨丝织构强度减弱， <110> 织构分量相对减少，这是因为快速变形过程中晶体取向调整不充分。从金属学原理来看，低速拉丝时，原子扩散速率与塑性变形速率匹配良好，位错增殖与运动有序，促使晶粒均匀细化并沿拉拔方向规则排列。而高速拉丝产生的大量变形热，使局部区域温度升高，达到再结晶温度区间，引发晶粒异常长大，位错因高温退火而湮灭。在光伏切割应用中，这种微观结构变化直接影响钨丝切割稳定性，晶粒尺寸不均可能导致局部应力集中，加速钨丝磨损与断裂。

2.2 模具压缩比的影响

在拉丝速度恒定为 15m/min 的条件下，研究不同模具压缩比（ 10% 、 20% 、 30% ）对钨丝微观结构的影响。结果表明，随着压缩比增大，钨丝晶粒被强烈拉长，晶粒宽度逐渐减小，从压缩比 10% 时的 3μm 降至 30% 时的 1μm ，而晶粒长度显著增加。同时，位错密度随压缩比增大而增加，这是由于更大的压缩比导致钨丝内部塑性变形程度加剧。根据塑性变形理论，高压缩比迫使钨丝在模具中发生剧烈塑性流动，晶体滑移系大量启动，位错不断增殖并相互缠结，形成高密度位错胞结构，增强材料强度。

三、拉丝工艺对钨丝机械性能的影响

3.1 抗拉强度与延伸率

实验数据显示，拉丝速度对钨丝抗拉强度和延伸率影响并不是直线性的， 5～ 15m/min 范围内，随着拉丝速度的提高，钨丝抗拉强度从 2800MPa 提高到 3200MPa ，延伸率则由 8% 降低到 5% ，这是因为低速拉丝时晶粒细化和位错强化作用较大；随着拉丝速度进一步增加，抗拉强度下降，延伸率稍微有所上升，这是因为高速拉丝造成的晶粒异常长大和织构弱化。模具压缩比在 10%～30% 范围内，随着模具压缩比的增加，钨丝抗拉强度从 2600MPa 提高到 3400MPa ，延伸率从 10% 降低到 3% 。这是由于高压缩比下晶粒细化和位错密度增大而产生的强化效应明显，过大的压缩比消耗了材料的塑性储备导致延伸率急速下降。从细晶强化和位错强化角度来看，由于低速拉丝和适当压缩比在一定程度上对晶粒进行细化，同时增加了晶界面积和位错密度，有效阻拦位错运动而提高了抗拉强度，但高速拉丝破坏了其强化平衡，晶粒粗大削弱了晶界的阻碍作用，织构弱化，造成晶体取向不利于承载使其强度降低。钨丝在光伏切割工况下，需要高的抗拉强度抵抗切割张力，也需要一定的延伸率消除切割振动。

3.2 硬度

硬度结果显示，钨丝的硬度随拉丝速度增加先增大后减小，在 15m/min 时的硬度最大（HV450）。拉丝模具的压缩比与硬度成正比关系，压缩比 30% 的钨丝硬度明显大于压缩比 10% 的，这与晶粒大小以及晶格上位错密度变化规律相符合，晶粒细化以及位错强化是硬度增大的主要原因。从微观机理角度，硬度的本质是材料抵抗局部塑性形变能力的表现。晶粒的细化增加了单位体积的晶界数量，晶界中由于原子排列不规则，使得位错更难通过晶界滑移，材料更难压入而变形；位错的增加造成其相互缠结、交割，形成更为复杂的位错组织，同样提高了材料抗变形能力。在光伏切割中，钨丝硬度的大小会直接影响到钨丝的耐磨性，硬度适中的钨丝既起到有效切削硅片的作用，又可以避免钨丝自身的过度磨损影响切削寿命。因此，利用优化拉丝工艺制备不同硬度的钨丝对实践具有重要的指导意义。

结论

本文通过拉丝试验，重点分析研究了影响拉制光伏用超细钨丝的晶粒大小、织构、位错密度等微观结构参数的拉丝速度和拉丝模具的压缩比，通过分析讨论了这些不同参数对光伏用超细钨丝抗拉强度、延伸率和硬度等力学性能的影响，进而找到合适的拉丝速度和模具的压缩比来制备高性能的光伏用超细钨丝，为高质高性能的光伏用超细钨丝制备提供了实验依据。

参考文献

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