W-Re高比重合金的SPS燒結(jié)

王 松，謝 明，張吉明，陳宏燕，胡潔瓊，楊有才，陳永泰，劉滿門(mén)，崔 浩

（昆明貴金屬研究所 稀貴金屬綜合利用新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650106）

高比重鎢合金具有熱膨脹系數(shù)小、抗蝕性和抗氧化性能好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好，強(qiáng)度高、延性好、抗沖擊韌性好等優(yōu)異性能，常用作穿甲彈材料、裝甲材料、屏蔽材料和電接觸材料，廣泛應(yīng)用于軍事、電子、機(jī)械和冶金等領(lǐng)域［1-3］。Mclennan和Smithells于1935年首次用粉末冶金液相燒結(jié)法研制出W-Ni-Cu合金，并用作鐳射線的屏蔽材料［4］。此后，為了提高高比重鎢合金材料的性能和擴(kuò)大高比重鎢合金的應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外材料研究者在鎢合金的原材料選擇、制備工藝與技術(shù)等方面作了大量的研究。對(duì)鎢合金材料進(jìn)行組元與成分的設(shè)計(jì)，利用現(xiàn)代粉末冶金新技術(shù)來(lái)制備高比重鎢合金，從而改善或提高其性能，成為近年的研究熱點(diǎn)［5-9］。

20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的基于脈沖電流燒結(jié)原理的放電等離子燒結(jié)技術(shù)（Spark Plasma Sintering，簡(jiǎn)稱SPS），是集等離子活化、熱壓和電阻加熱為一體，具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、冷卻迅速、晶粒均勻、材料致密度高、外加壓力和燒結(jié)氣氛可控等特點(diǎn)的一種新型的快速燒結(jié)技術(shù)［10］。對(duì)于高性能高比重材料的制備，SPS具有重要的實(shí)際意義。本文采用SPS燒結(jié)來(lái)制備W-Re高比重合金，主要介紹在燒結(jié)溫度為1 800℃，燒結(jié)壓力為40MPa，保溫時(shí)間為5min的工藝條件下，W-Re高比重合金的顯微組織與性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)中采用W粉（純度≥99.5％）和Re粉（純度≥99.0％），粉末按照一定的配比進(jìn)行混合，如表1所示。把稱好的合金粉末放入不銹鋼球磨罐中，磨球?yàn)椴讳P鋼球，以球料比10∶1，名義轉(zhuǎn)速500r/min條件下低能球磨粉末24h。實(shí)驗(yàn)中所采用W粉的平均晶粒尺寸約為10μm，Re粉的平均晶粒尺寸約為20μm。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品的成分配比 w/％

1.2 SPS燒結(jié)過(guò)程

稱取預(yù)制好的W-Re合金粉末置于?20mm石墨模具中，在日本住友石炭公司制造的SPS-3.2-MV型燒結(jié)系統(tǒng)進(jìn)行燒結(jié)，達(dá)到致密化。試樣在溫度為1 800℃的真空條件下放電等離子燒結(jié)：升溫速率為200℃/min，保溫時(shí)間為5min，燒結(jié)時(shí)最大壓力為40MPa。

1.3 性能測(cè)試

用阿基米德排水法測(cè)定試樣的密度，用BS210S型電子天平稱量試樣的質(zhì)量。在LEICA DM4000M型金相顯微鏡下觀察試樣的金相組織、晶粒大小。利用日本島津HMV-FA2型維氏硬度計(jì)測(cè)定試樣的硬度，取3點(diǎn)算術(shù)平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 燒結(jié)后的相對(duì)密度及硬度

圖1所示為燒結(jié)后W-Re合金的相對(duì)密度圖。從圖中可以看出：在燒結(jié)溫度為1 800℃，燒結(jié)壓力為40MPa，保溫時(shí)間為5min的條件下，隨著Re含量的升高，W-Re合金的相對(duì)密度先增加后減少。當(dāng)Re含量達(dá)到30％時(shí)，合金的相對(duì)密度達(dá)到94.09％。W-Re合金在本實(shí)驗(yàn)條件下可達(dá)到大于93.64％的致密度。但由于保溫時(shí)間較短，W、Re原子在基體中的擴(kuò)散不充分，因而在1 800℃的燒結(jié)溫度沒(méi)有獲得全致密的高密度W合金。只有延長(zhǎng)燒結(jié)保溫時(shí)間，或者繼續(xù)升高燒結(jié)溫度到一定范圍，或者采用高強(qiáng)模具以提高實(shí)驗(yàn)外壓，充分致密的高比重W-Re合金才可望獲得。

圖1 W-Re合金試樣的相對(duì)密度

利用HMV-FA2型維氏硬度計(jì)測(cè)定試樣的硬度，在1.961N的載荷，保壓時(shí)間10s的條件下，測(cè)量到的W-Re合金的維氏硬度如圖2所示。

圖2 W-Re合金試樣的硬度

圖2可見(jiàn)，W-Re合金試樣的維氏硬度隨著合金中Re含量的增加而提高。由W-Re二元相圖知，同為體心立方晶體結(jié)構(gòu)的W、Re可形成無(wú)限固溶體，Re原子取代位于W晶體中點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上的W原子，造成點(diǎn)陣畸變，從而增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，起到固溶強(qiáng)化作用。隨著Re含量的增加，在SPS燒結(jié)過(guò)程中，更多的Re原子有機(jī)會(huì)進(jìn)入到W基體中替代W原子，造成更多的點(diǎn)陣畸變，從而達(dá)到更大的強(qiáng)化效果，使合金硬度不斷增加。

2.2 燒結(jié)后樣品的金相組織分析

圖3～5分別為不同鎢錸比例試樣經(jīng)SPS燒結(jié)后的金相顯微組織照片。從圖3可以看出，鎢基體上均勻分布著Re顆粒。W、Re顆粒細(xì)小，基本保持了原始粉末晶粒粒度、分布均勻，沒(méi)有出現(xiàn)異常晶粒長(zhǎng)大，也沒(méi)有明顯的團(tuán)聚、偏析。但由于保溫時(shí)間偏短，燒結(jié)溫度偏低，仍可以觀察到有小孔隙存在。圖3、圖4中黑色Re顆粒彌散分布于W基體中，這與圖5不同，后者通過(guò)燒結(jié)已形成多晶組織，產(chǎn)生固溶體，而不是簡(jiǎn)單的粉末顆粒復(fù)合物。

圖3 W-10％Re金相形貌圖（×200）

圖4 W-30％Re金相形貌圖（×200）

圖5 W-50％Re金相形貌圖（×200）

3 結(jié)論

（1）采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)W-Re高比重合金的低溫固相燒結(jié)。

（2）在溫度為1 800℃、保溫時(shí)間為5min、壓力40MPa，真空度約為1Pa工藝條件下，SPS燒結(jié)的W-Re合金顯微組織均勻、晶粒細(xì)小，相對(duì)密度大于93.64％。

（3）SPS燒結(jié)W-Re合金的硬度可達(dá)到Hv700～1 300，硬度較高除Re原子的固溶強(qiáng)化作用外，SPS制備材料晶粒組織細(xì)小，細(xì)晶強(qiáng)化也是一個(gè)重要因素。

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