鑭含量對(duì)鉬鑭合金厚板的高溫力學(xué)性能的影響

劉宏亮，李　晶，楊政偉，曾　毅

（金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西西安 710075）

鑭含量對(duì)鉬鑭合金厚板的高溫力學(xué)性能的影響

劉宏亮，李晶，楊政偉，曾毅

（金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西西安 710075）

鉬鑭合金粉中的鑭含量對(duì)于鉬鑭合金的質(zhì)量有著重要影響，嚴(yán)重影響著后續(xù)產(chǎn)品的加工性能。因此，研究鑭含量對(duì)于鉬鑭合金板力學(xué)性能的影響具有重要的意義。試驗(yàn)選用了3種不同鑭含量的鉬合金，經(jīng)過(guò)“壓制-燒結(jié)-軋制”的辦法，加工出厚度為3.5mm的鉬鑭合金板，然后對(duì)這些合金板材進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，確定出不同鑭含量的合金板材在700℃下的力學(xué)性能，從而研究鑭含量對(duì)于鉬鑭合金板材力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，鑭含量為0.93%的板材，在700℃時(shí)的塑性和強(qiáng)度相對(duì)較好，且隨著鑭含量的增加，板材在高溫下表現(xiàn)出的塑性也越來(lái)越好。

鉬；鑭；鉬鑭合金；板材；高溫力學(xué)性能

0　引言

由于鉬具有高熔點(diǎn)、優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性、高耐磨性、低成本和好的加工性等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此成為惡劣條件下理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。然而在高溫下使用的鉬回到室溫時(shí)卻表現(xiàn)出嚴(yán)重的脆性。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域針對(duì)摻雜稀土元素對(duì)鉬材料深加工后性能影響的規(guī)律，進(jìn)行了一系列有意義的研究工作[1-4]。研究結(jié)果表明，摻雜稀土鉬材料經(jīng)高溫退火后仍保持良好的室溫韌性，稀土含量低的鉬再結(jié)晶退火后形成一種大而長(zhǎng)且晶粒之間呈燕尾搭接的組織結(jié)構(gòu)，而稀土含量高的鉬具有較好的延伸率和良好的熱電子發(fā)射性能，其發(fā)射能力達(dá)到或超過(guò)現(xiàn)行的W-ThO2材料，但克服了W-ThO2材料的放射性污染和脆斷問(wèn)題，同時(shí)可使電真空器件工作溫度下降150～200℃，因此，稀土鉬正日益引起材料專家和電子管專家的高度重視。

本研究通過(guò)選用3種不同鑭含量的鉬合金，對(duì)厚度3.5mm的鉬鑭合金板材進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，以確定不同鑭含量的鉬鑭合金在700℃下具有的力學(xué)性能，為厚鉬板高溫?zé)峒庸ぬ峁┮罁?jù)。

1　試驗(yàn)

試驗(yàn)選用相同費(fèi)氏粒度（3.5μm）的鉬粉，將氧化鑭按照鑭在鉬粉中質(zhì)量百分比的比例，分別配制出3種不同含量的硝酸鑭溶液，隨后采用固-液摻雜方式在噴霧摻雜機(jī)中將硝酸鑭溶液以霧狀形式均勻噴灑在二氧化鉬中，得到摻有鑭元素的二氧化鉬粉末，再將二氧化鉬在800~950℃氫氣氣氛中還原得到鉬鑭合金粉末。表1即為3種不同鑭含量的鉬鑭合金粉。

對(duì)3個(gè)批號(hào)的鉬粉采用相同的燒結(jié)工藝，制備出板坯，采用軋制加工工藝制備出厚度為3.5mm的板材，每個(gè)批號(hào)的板材各選兩個(gè)樣品進(jìn)行高溫（700℃）拉伸試驗(yàn)，分析不同鑭含量的鉬板具有的高溫力學(xué)性能。

表1　鉬鑭合金粉鑭含量　%Tab.1　La contentofMo-La powder

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1不同鑭含量板坯金相組織

圖1是鉬板坯燒結(jié)金相照片，從圖中可以看出，晶粒內(nèi)部和晶界上存在較多的氣孔，這是由于摻雜了鑭元素，這些鑭元素實(shí)際上和鉬之間并沒(méi)有形成真正的合金化組織，而是以第二相粒子并以氧化物的形式存在于鉬粉中。在燒結(jié)過(guò)程中，鉬粉顆粒通過(guò)黏結(jié)、形核、長(zhǎng)大等原子遷移過(guò)程形成燒結(jié)頸，使原來(lái)的顆粒界面逐漸形成晶粒界面[5]，第二相粒子（La2O3）則分布在鉬粉顆粒中和晶界上。這些保留在晶內(nèi)和晶界的第二相粒子，對(duì)改善材料性能有重要貢獻(xiàn)。第二相粒子的存在，細(xì)化了原始鉬晶粒，提高了合金的強(qiáng)度。且隨著摻雜量的增加，稀土鑭的抑制效果趨于顯著，原始鉬晶粒會(huì)變得更小，細(xì)晶強(qiáng)韌化的作用越強(qiáng)，合金的強(qiáng)度也就越高[6]。

圖1　鉬板坯金相圖Fig.1　M o slabmetallograph

摻雜的鑭元素和基體粉末這兩種金屬在燒結(jié)時(shí)擴(kuò)散速率差異較大，這樣會(huì)產(chǎn)生不均勻的擴(kuò)散，那么就會(huì)形成孔隙，加上基體內(nèi)存在的氣體元素也是以孔隙存在于坯料內(nèi)。由于孔隙是阻止晶界移動(dòng)和晶粒長(zhǎng)大的主要因素，晶界上如有孔隙，晶界長(zhǎng)度就減小[7]。晶界如要移動(dòng)到無(wú)孔的新位置去，就要增加新界面和界面自由能，所以使晶界移動(dòng)困難。特別是大孔隙，靠擴(kuò)散很難消失，常常殘留在燒結(jié)后的晶界上，造成對(duì)晶界的釘扎作用。如果燒結(jié)工藝不合理，內(nèi)部的氧等氣體元素很難排出，在坯料內(nèi)形成大量孔洞，造成板坯的密度較低[8]。

2.2不同鑭含量板材高溫力學(xué)性能

對(duì)表1中3個(gè)批號(hào)的板材各選兩個(gè)進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，700℃下隨著鑭含量的增加，鉬板的抗拉強(qiáng)度越低、延伸率越高；3#鉬-鑭板材的屈強(qiáng)比最低，且兩組數(shù)據(jù)都較穩(wěn)定，說(shuō)明3#鉬-鑭板材的塑性和強(qiáng)度都較其他兩個(gè)批號(hào)的好。

從圖2的應(yīng)力-應(yīng)變曲線看出，鉬金屬較脆，因此沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象，進(jìn)入拉伸階段即開(kāi)始塑性變形，直到材料達(dá)到最大的應(yīng)力點(diǎn)；隨著拉伸的繼續(xù)進(jìn)行，材料顯示出一定的塑性，出現(xiàn)頸縮，這時(shí)強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在達(dá)到材料的最大允許應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)斷裂。

表2　拉伸數(shù)據(jù)Tab.2　Tensiledata

圖2　拉伸試驗(yàn)曲線Fig.2　Tensile test curve

在一定的外部條件下，金屬產(chǎn)生塑性變形時(shí)同時(shí)起作用的機(jī)構(gòu)越多，則物質(zhì)所表現(xiàn)的塑性越好，所能承受的變形程度亦越大，并且在一般情況下，隨著變形溫度的提高，起作用的機(jī)構(gòu)數(shù)目總是增多的[9]?？梢?jiàn)，在金屬壓力加工過(guò)程中，由于許多機(jī)構(gòu)相互作用，互為影響，產(chǎn)生了由外部表現(xiàn)看，物體能穩(wěn)定地、連續(xù)地、明顯地改變其形狀和尺寸，并且獲得所要求的結(jié)構(gòu)；從物體的內(nèi)部看，由于塑性變形的發(fā)生與擴(kuò)展，產(chǎn)生了一對(duì)矛盾的作用過(guò)程。其表現(xiàn)為：一方面，由滑移機(jī)構(gòu)等的作用，加上金屬內(nèi)部原有的缺陷“隱患”，促成了顯微裂縫的形成、擴(kuò)展，并且最終導(dǎo)致金屬的斷裂而宣告變形的終結(jié)；另一方面，由于擴(kuò)散機(jī)構(gòu)的作用，又可促使原生及次生裂縫愈合與消除，從而可以避免斷裂的進(jìn)一步發(fā)生，并有力的促進(jìn)變形的繼續(xù)發(fā)展?？梢?jiàn)，當(dāng)綜合各種機(jī)構(gòu)在塑性變形過(guò)程中的作用時(shí)，可認(rèn)為塑性變形過(guò)程中始終伴隨著斷裂與反斷裂這一對(duì)矛盾的作用機(jī)制；當(dāng)斷裂機(jī)構(gòu)所起作用壓倒了反斷裂機(jī)構(gòu)的效果時(shí)，物體常常只能承受有限的變形；相反，當(dāng)反斷裂機(jī)構(gòu)能壓倒斷裂機(jī)構(gòu)，由于裂縫能及時(shí)迅速地修復(fù)，使金屬因變形而變得更為良好，故可以連續(xù)地承受很大的變形量。

在高溫、外應(yīng)力作用下，金屬材料不可避免地要產(chǎn)生蠕變塑性變形。為使材料具有好的高溫服役性能，可靠性高及使用壽命長(zhǎng)，應(yīng)盡量促進(jìn)蠕變的硬化過(guò)程，抑制軟化過(guò)程，防止大的變形和晶間斷裂產(chǎn)生。

鉬是高熔點(diǎn)金屬，原子結(jié)合鍵強(qiáng)，彈性模量高，強(qiáng)化效果好，同時(shí)擴(kuò)散也較慢，是理想的高溫合金的基體金屬。在鉬基體中摻入合金元素，增強(qiáng)原子鍵合力，提高鉬的再結(jié)晶溫度。微量合金元素能顯著提高鉬合金的高溫強(qiáng)度和再結(jié)晶溫度，這是由于在位錯(cuò)及雜質(zhì)周圍存在一個(gè)彈性應(yīng)力場(chǎng)，添加少量溶質(zhì)元素時(shí)，將位于固溶體的最大位錯(cuò)堆積區(qū)，從而降低了彈性應(yīng)力，即降低了金屬的內(nèi)能，所以，微合金化后，合金內(nèi)能比純金屬內(nèi)能小，若要破壞合金的彈性平衡，需要更大的能量。此外，在位錯(cuò)周圍已形成異類原子堆積，使位錯(cuò)遷移難度加大。由于這些過(guò)程是熱激活過(guò)程，所以這一過(guò)程的規(guī)律性表明，微合金化后的合金再結(jié)晶溫度將提高。

在鉬粉中添加稀土氧化物可以提高鉬制品的再結(jié)晶溫度，使晶粒呈燕尾狀搭接結(jié)構(gòu)，并有較好的抗蠕變性能。稀土氧化物在鉬中主要起著彌散強(qiáng)化的作用，氧化物彌散顯著減緩了純金屬的再結(jié)晶傾向，從而提高了材料的高溫性能。

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同鑭含量的鉬合金板材在700℃進(jìn)行高溫力學(xué)性能研究，確定了在該溫度下鉬鑭合金厚板材（厚度3.5mm）具有較好的力學(xué)性能，在該溫度下進(jìn)行熱加工變形可以保證板材不發(fā)生斷裂等現(xiàn)象。綜上所述，可得到如下結(jié)論：

（1）鉬粉中摻雜微量鑭元素，可以有效地提高板材高溫力學(xué)性能。

（2）鑭含量為0.93%的板材700℃下的塑性和強(qiáng)度都較其他兩個(gè)含量的板材好。

（3）當(dāng)鑭含量介于0.36%~0.93%時(shí)，隨著合金中鑭含量的增加，板材在700℃下時(shí)表現(xiàn)出的塑性越好。

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Analysis on the ThermalMechanical Properties of Mo-La Platewith Different Content of Lanthanum

LIUHong-liang,LIJing,YANGZheng-wei,ZENGYi

(JinduichengMolybnenum Group Co.,Ltd.,Xi’an 710075,Shaanxi,China)

La content in Mo-La alloy powder has important influence on the quality of the doped molybdenum powder,which seriously affects the processing performance of the products.Therefore,it is important to study the effectof la contenton themechanicalpropertiesof theMo-La alloy plate.In thisstudy,itwasselected three kindsof molybdenum alloyswith different lanthanum content,through"pressing-sintering-rolling"process,gotMo-La alloy platewith a thicknessof3.5mm,then carried out the high temperature tensile testof the alloy sheet to determine the mechanicalpropertiesof thealloy sheetswith different La contentsat700℃.Then to study the effectofLacontenton themechanicalpropertiesofMo-Laalloysheets.The resultsshow theplatewith Lacontentat0.93%,700℃,plasticity and strength are relatively better,and with the increase of the La content,the plate performance of the plastic isalso gettingbetterunder the high temperature.

molybdenum;lanthanum;Mo-La alloy;plates;thermalmechanicalproperties

10.3969/j.issn.1009－0622.2015.04.012

TG146.+53；TF124

A

2015-06-23

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目（2015KTZDGY09-04）

劉宏亮（1982-），男，陜西綏德人，工程師，主要從事鉬粉及鉬制品的加工工藝技術(shù)研究。

李晶（1978-），女，山東鄆城人，高級(jí)工程師，主要從事鉬金屬新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。