難熔金屬材料的研究

摘要：本文首先介紹了難熔金屬材料鎢、鉬、鉭、鈮及其合金的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，難熔金屬材料及其合金的熔點(diǎn)決定了其使用溫度的高低順序。針對(duì)難熔金屬材料的質(zhì)量控制，本文從材料成分的優(yōu)化、制造工藝的改善、生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面進(jìn)行了分析和說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：難熔金屬；研究應(yīng)用現(xiàn)狀；質(zhì)量控制

中圖分類號(hào)： TG244 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（c）0000-00

1 引言

難熔金屬包括鎢、鉬、鉭、鈮、錸和釩六種，這六種金屬均為熔點(diǎn)在2000攝氏度以上的材料。難熔金屬材料及其和合金具有熔點(diǎn)高，在高溫環(huán)境下強(qiáng)度高，對(duì)液態(tài)金屬腐蝕抗性強(qiáng)、具有加工可塑性等共同點(diǎn)。難熔金屬及其合金材料的的使用溫度比高溫合金要的多，一般在1100-3320攝氏度之間。

2.難熔金屬材料應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1鈮合金

鈮合金在1100-1650攝氏度下的強(qiáng)度較高，它的焊接特性良好，具有很好的室溫可塑性，同時(shí)作為難熔金屬中密度最小的一種，能夠加工制作成形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。按照合金強(qiáng)度不同可以將鈮合金分為低強(qiáng)度、中強(qiáng)度和高強(qiáng)度三類，按照合金密度不同可以分為低密度、高密度兩類。美國(guó)和俄羅斯對(duì)鈮合金的研發(fā)各自不同，研究種類多達(dá)二十幾種。美國(guó)以W、Hf、Mo作為鈮的強(qiáng)化添加元素，俄羅斯則以Zr、W、Mo為主，第二相強(qiáng)化則主要是以C為主。

2.2 鉬合金

鉬合金的熔點(diǎn)相比于鉭和鎢較低，它的優(yōu)點(diǎn)是彈性模值最高，且其密度、膨脹系數(shù)都較小，高溫蠕變性能非常優(yōu)秀。鉬合金的焊接性能很好，焊縫的強(qiáng)度和可塑性都能達(dá)到一定的條件，其工藝性能在鎢之上。但是它在低溫環(huán)境下會(huì)脆化，高溫環(huán)境下氧化問(wèn)題嚴(yán)重。

鉬合金的開發(fā)當(dāng)以俄羅斯為代表，按照合金元素的不同可以將鉬合金劃分為十四類，其中的添加元素主要是Ti、C、Re、Zr，同時(shí)也添加一些Ni、Nb、B等元素來(lái)改變材料的一些特性。

在所有的鉬添加元素中，只有錸對(duì)其低溫環(huán)境下的可塑性有利；Re元素在提升鉬的低溫環(huán)境可塑性的同時(shí)，還可以提升其強(qiáng)度和焊接性能，明顯降低其再結(jié)晶之后的脆裂趨勢(shì)，顯著提高其高溫穩(wěn)定性，對(duì)抗熱震性尤其明顯。

2.3 鉭合金

鉭合金的熔點(diǎn)高，膨脹系數(shù)小，其抗熱震性能和塑造韌性都很優(yōu)秀，它的缺點(diǎn)是在500攝氏度以上的環(huán)境中工作時(shí)，抗氧化性能很差，一般都要在表面進(jìn)行抗氧化涂層處理。美國(guó)和俄羅斯先后研制出了在高溫環(huán)境中蠕變性能和強(qiáng)度都符合要求的鉭合金材料。

鉭合金使用與鈮合金相似的涂層材料，鈮合金是鉭鈮涂層的主要研究對(duì)象。在靜態(tài)空氣環(huán)境中，鉭合金的多元難熔金屬化合物表現(xiàn)出的抗氧化性能良好。

2.4 鎢合金

鎢合金涂層中最具有發(fā)展?jié)摿Φ氖蔷哂懈邚?qiáng)度和高熱穩(wěn)定性能的硼化物和難溶氧化物保護(hù)層，鎢合金涂層的研究方向是將具有自愈能力的硅化物覆蓋在保護(hù)表面，難熔氧化物和硅化物的混合物則覆蓋在有阻擋襯底的硅化物上，這樣便可以使制品長(zhǎng)時(shí)間工作在特定的使用環(huán)境中。

3 難熔金屬材料的質(zhì)量控制

隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)的需求的復(fù)雜化，對(duì)難熔金屬材料的質(zhì)量要求越來(lái)越高，只有不斷提高難熔金屬材料的質(zhì)量檔次，才能獲得更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3.1 材料成分的優(yōu)化

材料成分的優(yōu)化主要是通過(guò)合金化和摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種方法可以很好的提高難熔金屬材料的質(zhì)量和性能。

將鎢和錸制作成為鎢錸合金可以很好的提高材料的性能，使其兼具兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，這種合金的熔點(diǎn)很高，強(qiáng)度和再結(jié)晶的溫度比鎢要高，而延性和脆性的轉(zhuǎn)變溫度則比鎢低。還具有很好的焊接性能，抗腐蝕性能，電阻率高，電子逸出功率低，在電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。這種合金在退火后延性提高顯著，這點(diǎn)與鎢恰好相反。

利用摻雜微量元素改變材料的再結(jié)晶性能，這樣便能克服材料的再結(jié)晶脆性。譬如摻雜鉬材料正在取代純鉬材料出現(xiàn)在特種的引出線和燈泡支架中。

3.2 制造工藝的改善

提高難熔金屬材料質(zhì)量水平的有效方法之一就是制造工藝的改善。

TZM是目前使用范圍廣，使用量大的一種鉬很近，其使用環(huán)境主要是1000攝氏度以上的高溫場(chǎng)合。但是TZM是一種脆性材料，很難對(duì)其進(jìn)行熱變形加工，若采用直接鍛造，成品的產(chǎn)出率很低，因此改善制造工藝成為一個(gè)有效的途徑。通過(guò)熱擠壓開坯之后鍛造，同時(shí)控制好擠壓和鍛造之間的形變量和加熱工藝便可以大大提高TZM合金棒的成品率。

采用鉬作為電極的玻璃熔爐來(lái)代替煤、油、汽等燃料加熱方式是近幾十年來(lái)快速發(fā)展的一種工藝。但是玻璃可能因?yàn)殂f棒電極的雜質(zhì)含量高而產(chǎn)生氣泡或者著色，為了保障質(zhì)量水平可以改善鉬的燒結(jié)工藝，從而得到低氧、低碳的質(zhì)量?jī)?yōu)秀的鉬。

3.3 生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)

提高難熔金屬材料質(zhì)量的重要方法之一就是生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)。

為了提高鎢鉬絲的生產(chǎn)質(zhì)量，大量的新設(shè)備被研制成功如：四模、六模、八模的多模細(xì)拉絲設(shè)備等，這些設(shè)備的推廣使用可以很好的提升鎢鉬絲的產(chǎn)品質(zhì)量。

鎢鉬絲質(zhì)量的進(jìn)一步提升需要加強(qiáng)鎢鉬粉末冶制工藝中一些關(guān)鍵設(shè)備的研制，國(guó)外難熔金屬的生產(chǎn)很大曾度上依靠生產(chǎn)設(shè)備的改善來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.4 新產(chǎn)品的開發(fā)

隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)需求的變化，對(duì)難熔金屬材料的多樣性和高性能也提出了更高更新的要求。

集成電路正朝著大規(guī)模的方向發(fā)展，這對(duì)濺射靶材在成分、特性和規(guī)格上提出了不同的要求，在冷壓和真空環(huán)境中采用粉末冶金方法燒結(jié)的硅化鎢具有很低的電阻率，同時(shí)期純度高、密度大適合在MOS集成電路中使用。

核電工業(yè)在世界范圍內(nèi)快速發(fā)展，用于燃料組件的控制棒導(dǎo)向管需要使用變截面的鋯合金管，這種市場(chǎng)需求可以促進(jìn)新產(chǎn)品的研發(fā)。

4 結(jié)論

難熔金屬材料已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到大量的使用，不同的金屬材料使用范圍不同。同時(shí)技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)需求的復(fù)雜化對(duì)難熔金屬性能提出了更高的要求。本文介紹了難熔金屬難熔金屬材料鎢、鉬、鉭、鈮及其合金的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，分析了幾種材料的優(yōu)缺點(diǎn)，然后從材料成分的優(yōu)化、制造工藝的改善、生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面對(duì)難熔金屬材料質(zhì)量的提高方法進(jìn)行了分析和說(shuō)明，為研制生產(chǎn)質(zhì)量可靠，性能優(yōu)越的難熔金屬材料提供一些建議和途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭欣，白潤(rùn)，王東輝，等，航空航天用難熔金屬材料的研究進(jìn)展[J]，稀有金屬材料與工程，2011，40（10）：1871-1875.

[2]鐘俐蘋，胡澤豪，李立君，等，高性能金屬材料研究進(jìn)展[J]，金屬熱處理，2003，28（11）：11-15.