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                      鎢基高比重合金的研究進展

                      發布時間: 2022-02-14 作者:admin 分享到:
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                      鎢基高比重合金(Tungsten Heavy Alloys,WHAs)密度高、強度高、延性好,是一種重要的軍民兩用關鍵材料。由于鎢的熔點很高,通常鎢基高比重合金由液相燒結制備而成,其顯微組織由球形的鎢晶粒和連續分布的粘結相組成。但液相燒結溫度高,保溫時間長,易導致晶粒粗大。晶粒尺寸一般為4O~6O m。此外,液相燒結時由于重力作用易導致樣品變形。隨著科學技術的發展,對鎢基高比重合金的性能要求越來越高,而陜西高比重鎢合金制備工藝對其性能影響顯著,因此,采用先 進技術和新制備工藝的研究成為目前的研究熱點。

                      本文綜述了國內外對wHAs制備的研究進展。 1 WHAs復合粉末的制備粉末冶金材料和制品的性能優劣直接受原材料粉末性能的影響,因此,粉末的生產制備在整個冶金工業中至關重要。隨著對粉末性能要求的提高,相應地產生了許多新工藝和技術如金屬粉末霧化技術、機械合金化制粉技術、自蔓延高溫合成技術和超微粉末制備技術等。金屬粉末的制備逐漸朝著高純、超細、速凝和成分可控、可調的方向發展,以適應現代粉末冶金的需要。在現代粉末冶金霧化制粉技術中,高壓水霧化法、離心霧化法、旋轉盤霧化法及超聲霧化法是目前應用和研究的熱點 一。另外,機械合金化制粉工藝自1970年問世以來,受到了人們越來越多的重視是粉末冶金取得突破性進展的新工藝之一。陜西高比重鎢合金研發采用機械合金化制粉工藝研制的合金粉末可以根據需要任意選擇組分各組分的含量也可任意調整??蔀檠兄颇承┨厥庑阅艿暮辖鹛峁﹥炠|原料,使采用粉末冶金工藝制取高性能的新材料成為可能。采用機械合金化制粉工藝制備非晶粉末、金屬間化合物粉末的研究工作為制備大塊非晶材料和解決金屬間化合物成型加工問題奠定了基礎。近年來,用高能球磨或機械合金化制取超細或納米尺寸鎢粉的報道較多,其制備過程是在較低的溫度下于保護氣氛中,通過機械球磨來完成的。范景蓮等采用機械合金化制得了平均粒徑為1O~20nm 的90W一7Ni一3Fe預合金粉末。該法的優點是工藝簡單,可省去外部加熱,直接制得納米粉缺點是處理量少,磨耗較大。自蔓延高溫合成是近2O年來發展起來的制取材料特別是高溫、難熔和耐磨材料的新方法其成本低廉、性能優異.可以制取多種粉末材料,是一種實用性強、很有發展前途的制粉工藝。納米粉末指粒徑為1~100 nm的微細粒子,具有異常的物理化學性能,是一種新型的粉末冶金材料和原材料。納米粉末的制備方法有:沉淀法、電解法、汞合法 羥基法、溶膠一凝膠法、冷凍干燥法、超聲粉碎法、氣體蒸發法、油面蒸發法和等離子法等等。納米粉末及其應用是粉末冶金領域的前沿課題之一。 Richard等采用等離子快速冷凝技術(PRST)制備出了鎢、鎢一5 鉬和鎢一5 鉭高比重合金。采用該項技術制備的粉末呈球形的細晶粒粉末,其粒子的平均直徑為1.5~1OOnm 。劉維平[9 通過正交實驗方差分析確定了制備金屬納米鎢、鐵粉末的.佳球磨時間、球磨介質和球料比,并確定了各因素對球磨過程的影響程度。各因素對球磨效果影響程度的大小順序為:球磨介質>球磨時間>球料比。廖寄喬等選擇不同成分的氧化鎢制取了超細鎢粉。研究發現,氧化鎢原料結構對氫還原后鎢粉的粒度及均勻性有重要影響;相成分單一的氧化鎢原料能制得細而均勻的鎢粉。馮乃祥等用熔鹽電解法制得了平均粒度為0.961nm 的超細鎢粉。姜文偉等 用等離子噴霧法制取了高性能的球形鎢粉。王延玲等[1 采用自蔓延還原法以CaWO 、Mg粉為原料制取了平均粒度為0.87 m 的超細鎢粉,并發現合成過程中隨壓坯壓力的增大,生產的鎢粉粒徑減小。

                       2 wHAs粉末的混料和成型技術 WHAs的制備通常采用粉末冶金方法。在粉末冶金工藝過程中?;炝鲜且豁椫匾墓ば??;炝戏椒ǖ牟煌?。將影響混合金屬粉末的均勻程度、粉末的狀態和金屬的活性,同時將直接影響合金的研制工藝、顯微組織和性能,特別是對復合粉末的壓制性能和液相燒結工藝的影響尤為突出。WHAs的生產多采用機械球磨混料,但這種方法會造成外來雜質污染和成分偏析。為達到混合粉末的均勻性,近年來開發了很多新的混料方法。目前用得較多且又有效的方法有:機械球磨混料(干混法)、化學濕混法制備混合料、二次熱解還原法制取合金混合料、預合金法和等離子熔化一快速凝固法等。采用這些新方法制取WHAs的“預合金”粉末,提高了燒結活性,提高了組織均勻性、強度、延性和斷裂韌性。黃建忠等采用機械法、化學法、化學鍍法、共還原法制取了w、Ni、Cu復合粉末原料,其化學成分為90W一6.66Ni一3.34Cu,結果表明,復合粉末狀態對合金的制造工藝、顯微組織和性能是十分敏感的。共還原法得到的復合粉末,由于Ni、Cu的分布均勻性好,分散性好,金屬鎳的活性大,因而合金具有理想的顯微結構、較高的物理機械性能和優越的工藝特性。設法獲得優良的復合粉末狀態和沉積高活性的金屬鎳,可以降低90W一6.66Ni一3.34Cu合金的液相燒結溫度,細化鎢晶粒,形成復雜的晶界,粘結相均勻地分布在鎢晶粒的周圍,形成網狀結構。 WHAs傳統的成型方法多采用油壓機磨壓成型。如果磨具設計不當,壓制品形狀較為復雜都會導致施壓不均勻,從而造成壓坯密度不均勻,顯著影響燒結合金密度的均勻性。屈樹嶺等以石蠟為增塑劑.研究了加人不同蠟量下高比重合金粉坯擠壓新工藝。適當地加人蠟量是擠壓成功的關鍵,加蠟量過高時(如超過6o )擠壓壓力下降,粉末顆粒間結合力減弱,擠壓時易斷裂,以至難以成型。相反.加蠟量太少時,由于石蠟不能完全包覆粉末或包覆太薄。在擠壓時,由于粉末顆粒間發生相對運動,產生較大的摩擦阻力,從而增大擠壓壓力,引起粉坯內應力增大,.終導致坯料產生橫向裂紋和分層現象,使擠壓不能成功。曲選輝等采用高能球磨技術制備了90W一7Ni一3Fe(質量分數, )納米晶WHAs粉末,研究了該粉末的注射成型和燒結行為并與傳統昆合粉末進行了比較。結果表明,機械球磨可以有效地增加粉末喂料的固體粉末含量,改善粉末料的均勻性,并可促進固相燒結的致密化。納米粉末注射成型坯在1 300~1450。C進行固相燒結后,可得到近全致密(99 )、晶粒細(3~5 m)、拉伸強度高(≥1130MPa)和幾乎無變形的重合金樣品。 

                      3 wHAs的燒結工藝鎢的熔點高達31400c,因此,WHAs通常是采用粉末冶金方法通過混合、壓制、燒結制成。WHAs的燒結一般是在保護氣氛或真空條件下進行。在燒結工藝上研究較多的是活化燒結和液相燒結。 w—N —Fe鎢合金是一種兩相合金。其顯微組織為體立方結構。鎢顆粒平均直徑在十幾微米到幾十微米,w—Ni—Fe系WHAs形成合金的原理與w—Ni—Cu系原理一致。以Fe取代Cu的加人提高了合金的強度和塑性??梢詼p化甚至取消燒結后續處理工藝。w—Ni—Fe合金與w—Ni—Cu合金相比。前者強度較高(可達98o~1 274MPa),塑性好(延伸率一般在10 左右)。w—Ni—Fe系WHAs的主要缺陷是較高的加工溫度和較長的燒結時間導致顯微組織粗大,因此。獲得較細的顯微組織是改善其室溫力學性能、高溫延性和可成型性的方法之一。另外。由于Ni、Fe粘結相和w 相膨脹系數的差異。在90W 和95W 合金燒結過程的冷卻階段w—Ni和Fe界面會形成強烈的內應力,且該應力是使Ni、Fe粘結相與w 相分離的拉應力,所以常常出現與粘結相分離的現象,因而改善其力學性能的另一種方法E1 63是強化粘結合金及其與w 顆粒的結合。自1959年Vacek..報道往鎢中添加少量過渡金屬能顯著降低其燒結溫度以來,人if]X~鎢的活化燒結做了大量的工作。Brophy和Hayen等對金屬的活化研究結果表明:鉑族金屬和鎳在促進鎢燒結中的有效性能按以下次序排列:Pd>Ni>Rh>Pt>Ru,而且活化劑添加的.佳濃度大致相當于在鎢表面上有一單層活化元素,更多的添加量并非有效。范景蓮等 :在w—Ni—Fe WHAs中添加少量合金元素Co,使燒結溫度降低30~50℃ ,同時提高和穩定了合金性能,較好地起到了活化液相燒結的效果。像w—Ni—Fe和w—Ni—Cu這類高強度、高韌性鎢合金的液相燒結工藝一直是鎢合金研究的重要課題。w—Ni—Fe和w—Ni—Cu都是由硬質脆性相w 顆粒和少量軟質相Ni—Fe、Ni—Cu組成,液相燒結的關鍵是在易溶相轉變成液體后要能充分“鍍覆”在難溶相顆粒的表面,以保證組元間充分接觸。Park 對w—Ni—Fe合金液相的燒結進行研究后認為:在液相出現前,固態粉末已開始燒結;在液相燒結溫度下,晶粒開始長大,液相也開始在晶粒表面鋪展并填充顆粒間的空隙;液相燒結溫度下的致密化過程主要由液相充填顆粒間的空隙引起,液相燒結加熱過程中的固態燒結對致密化過程貢獻顯著;細粉末比粗粉末更易于液相燒結。對w—Ni—Fe和w—Ni—Cu合金斷裂行為的研究表明,鎢顆粒之間直接結合易使材料呈脆性斷裂,因此液相燒結時,要盡量使液相在鎢顆粒表面鋪展開,避免鎢與鎢的直接結合。燒結溫度過低合金難以燒結,燒結溫度過高則會增加鎢粘接相中的擴散和固溶,但也會引起鎢晶粒的長大和粘結相含量的增加;致密度、強度和硬度隨燒結溫度的升高而提高,但隨燒結溫度的進一步升高,這些性能又會下降。Bose_2 認為真空燒結的合金無論是密度還是強度及延伸率都優于干燥氫氣燒結的合金,但真空下長時間燒結會引起粘結相的蒸發,從而導致合金性能的下降。劉志國對在不同壓力下成型的鎢合金研究后指出,高壓成型能使合金的燒結溫度降低。范景蓮等采用二步燒結法(固相燒結+液相燒結)來控制高比重合金的變形,研究發現,由于在固相燒結階段形成了堅固的十四面體三維連通網絡骨架,阻礙了液相燒結中鎢顆?!捌觥彼鸬淖冃?,合金性能和顯微組織的均勻性都大大提高。 Yong等發明了一種重復燒結工藝:95O~1350。C燒結后合金保溫lmin至24h,從水或油中對燒結合金淬火,重復保溫和退火步驟。處理后的樣品既能改善其沖擊韌性,又能保持其抗拉強度和延伸率。由于熱等靜壓(HIP)技術可以提高制品的密度,因此,HIP處理對于改善和提高WHAs的性能也是有益的。湯金芝等探討了對密度不同的w—Ni—Cu合金進行HIP處理后合金性能變化的規律,結果發現:w—Ni—Cu合金在1120。C經HIP處理后拉伸強度和密度都得到了提高。

                       4 結語隨著現代加工技術的進步及納米技術在材料制備技術中的應用,WHAs的制備技術也得到了飛速的發展。高純、微細的預合金粉末的制備,樣品的高壓成型,復合燒結工藝的應用都將是WHAs制備未來的發展方向。

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