固相燒結(jié)低鎢含量W-Ni-Fe合金的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

徐歡，曹順華，陳炳煌，肖彬，李世康

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固相燒結(jié)低鎢含量W-Ni-Fe合金的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

徐歡，曹順華，陳炳煌，肖彬，李世康

(中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410083)

采用固相燒結(jié)工藝(1 300 ℃保溫1 h)制備低鎢含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%~80%)的W-Ni-Fe合金，測定合金的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和伸長率，利用金相顯微鏡觀察合金的顯微組織，并通過掃描電鏡(SEM)觀察合金斷口形貌，研究鎢含量對(duì)固相燒結(jié)W-Ni-Fe合金力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：隨鎢含量降低，合金的孔隙率和平均孔徑減小，抗拉強(qiáng)度增大，伸長率顯著提高，抗壓強(qiáng)度變化不大。W含量為60%~80%的W-Ni-Fe合金，其孔隙率為17.8%~21.4%，抗拉強(qiáng)度為231~262 MPa，抗壓強(qiáng)度2 450~2 550 MPa，伸長率為0.3%~2.3%，壓拉比為9.45~11.04，都能滿足易碎型穿甲彈彈芯材料的性能要求。

鎢合金；低鎢含量；固相燒結(jié)；力學(xué)性能；斷口形貌

鎢合金具有密度高、強(qiáng)度高、塑性強(qiáng)等優(yōu)良性能，是目前制備動(dòng)能穿甲彈的主要材料[1]。相對(duì)于榴彈來說，傳統(tǒng)鎢合金動(dòng)能穿甲彈具有較強(qiáng)的軸向破壞特性，但對(duì)目標(biāo)沒有較好的殺傷效果。為提高穿甲彈的殺傷能力，研究人員提出并制備了一種新型的易碎性鎢合金穿甲彈[2?4]，這種鎢合金穿甲彈具有一定的穿甲能力，同時(shí)又能夠造成較大的殺傷效果。易碎性穿甲彈要求彈芯材料擁有一定的脆性，能夠在穿甲過程中碎裂成若干碎片[4]。為了能夠破碎成理想的破片，鎢合金應(yīng)具有較低的抗拉強(qiáng)度。同時(shí)為保證發(fā)射強(qiáng)度又需要足夠的抗壓強(qiáng)度及伸長率，即保證一定塑性的前提下，有較大的壓拉比。根據(jù)W-Ni-Fe合金的脆裂機(jī) 理[5]，國內(nèi)外已研制出多種易碎鎢合金[4, 6]，然而多數(shù)易碎鎢合金如W-Ni-Fe(Al2O3)[6]，W-Ni-Al-Fe[7]等都存在抗拉強(qiáng)度過高導(dǎo)致破碎性不足，壓拉比過低，以及伸長率過低等問題，無法滿足實(shí)際需求。因此，提高鎢合金的破碎性，并保證鎢合金具有一定壓縮強(qiáng)度和塑性是制備易碎鎢合金的關(guān)鍵。本文作者采用固相燒結(jié)工藝制備低鎢含量W-Ni-Fe合金(W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%~80%)，研究鎢含量對(duì)合金的孔隙率、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，以期在保證鎢合金具有一定伸長率的前提下，提高合金的壓拉比，并保證合金的易碎性，使其能夠滿足易碎型穿甲彈彈芯材料的要求。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料與過程

實(shí)驗(yàn)用原料粉末為還原鎢粉、羰基鎳粉和羰基鐵粉。其中還原鎢粉的費(fèi)氏粒度為2.8 μm，純度為99.9%；羰基鎳粉的平均費(fèi)氏粒度為2.5 μm，純度為99.7%；羰基鐵粉的平均費(fèi)氏粒度為3.0 μm，純度為99.9%。

按照W-Ni-Fe合金中鎳與鐵的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))比為7:3的比例，將原料按80W-14Ni-6Fe，75W-17.5Ni- 7.5Fe，70W-21Ni-9Fe，65W-24.5Ni- 10.5Fe，60W-28Ni- 12Fe等5種成分配料，在無水乙醇保護(hù)下，通過行星球磨機(jī)球磨10 h混合均勻。球料質(zhì)量比為5:1，轉(zhuǎn)速250 r/min?；旌狭辖?jīng)真空干燥后壓制成直徑12 mm，高5 mm的圓柱體和標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，壓制壓力為250 MPa。壓坯在氬氣保護(hù)下在碳矽棒爐中900 ℃預(yù)燒 1 h，再放入真空燒結(jié)爐，在1 300 ℃保溫1 h，隨爐冷卻，得到W-Ni-Fe合金試樣。

1.2 性能檢測

用排水法測量W-Ni-Fe合金的密度，計(jì)算孔隙率。用10 t萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測量合金的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和伸長率，測量時(shí)的應(yīng)變速率為0.5 mm/min。用Jeol?6360LV型掃描電鏡觀察合金的微觀形貌及拉伸斷口形貌，并根據(jù)SEM照片，運(yùn)用Image-Pro Plus軟件計(jì)算合金孔隙的直徑。測量圓柱體試樣燒結(jié)前和燒結(jié)后的高度與直徑，計(jì)算燒結(jié)后的體積收縮率。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

表1所列為5種不同W含量的W-Ni-Fe合金的孔隙率、平均孔徑及收縮率。從表中可以看出，隨鎢含量增加，鎢合金的孔隙率逐漸增大，孔徑增大，收縮率逐漸減小。CHASUSSE等[8]的研究表明，鎢基合金在固相燒結(jié)階段就能完成大部分的致密化。固相燒結(jié)階段，粉末體的致密化主要是固相擴(kuò)散。在W-Ni-Fe體系中，Ni與Fe的互溶度大，能形成完全固溶體，W在Ni，F(xiàn)e中的溶解度大，形成γ-(Ni,Fe,W)基體相。固相燒結(jié)的鎢合金，由于燒結(jié)溫度較低，這種化學(xué)互擴(kuò)散能形成固溶體和新相，從而使系統(tǒng)的自由能降低，是致密化的主要因素。在1 300 ℃的燒結(jié)溫度下，Ni，F(xiàn)e熔點(diǎn)低且互溶度大，會(huì)優(yōu)先形成固溶體。但隨鎢含量增加，Ni，F(xiàn)e粉被大量的W粉分隔開，阻礙Ni，F(xiàn)e的互擴(kuò)散，不利于形成均勻的γ-(Ni,Fe,W)基體相，從而抑制致密化過程，所以鎢合金的孔隙率逐漸增大，收縮率逐漸減小。

表1 鎢合金的孔隙性能

圖1所示為鎢含量分別為60%，70%和80%的W-Ni-Fe合金的顯微組織，從圖中可看出，大部分鎢顆粒團(tuán)聚在一起，僅有少量鎢顆粒，不存在明顯圓整化的鎢顆粒。這是因?yàn)闊Y(jié)溫度較低，沒有出現(xiàn)液相，較難發(fā)生顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此固相燒結(jié)后鎢顆粒間接觸度較大，且分布不均勻，呈顆粒狀或塊狀分布。圖1(a)所示60W-28Ni-12Fe合金由于W含量較低，黏結(jié)相的體積分?jǐn)?shù)較大，W顆粒被大量黏結(jié)相阻隔，因而分布較分散，W顆粒間的連接度很?。磺?0W-28Ni-12Fe合金中的孔隙數(shù)量較少，孔隙形狀多為圓孔。當(dāng)W含量增加到80%時(shí)，W顆粒多數(shù)聚集在一起形成大的團(tuán)聚體，孔隙數(shù)量明顯增多，某些孔隙呈不規(guī)則形狀。固相燒結(jié)過程中，不同元素間通過擴(kuò)散形成固溶相及新相，新相的形成是合金致密化及孔隙消失的主要驅(qū)動(dòng)力。在固相燒結(jié)早期階段，混合粉末中的Ni、Fe首先相互擴(kuò)散形成γ-(Ni,Fe)相，隨溫度升高，部分W向γ-(Ni,Fe)相中擴(kuò)散，導(dǎo)致粉末間的孔隙開始縮小，最終使合金產(chǎn)生收縮。當(dāng)W含量較小時(shí)，W顆粒均勻分布在黏結(jié)相中，向γ-(Ni,Fe)相中的擴(kuò)散更容易，合金致密化的驅(qū)動(dòng)力較大。因此，較低W含量的W-Ni-Fe合金的孔隙率及孔隙尺寸更小。

圖1 不同鎢含量的W-Ni-Fe合金SEM形貌

2.2 力學(xué)性能

圖2所示是W-Ni-Fe合金的拉伸性能隨鎢含量的變化關(guān)系。從圖2可看出，隨鎢含量增加，合金的抗拉強(qiáng)度下降，伸長率明顯減小。60W-28Ni-12Fe的抗拉強(qiáng)度達(dá)到260 MPa，伸長率為2.3%；當(dāng)鎢含量大于70%時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所下降，75W-17.5Ni-7.5Fe的抗拉強(qiáng)度為242 MPa，伸長率為0.8%，而80W-14Ni-6Fe的伸長率接近于零。傳統(tǒng)的高致密度鎢合金，鎢含量為88%~97%，致密度為99%以上，抗拉強(qiáng)度為870~ 1 000 MPa，伸長率為20%~30%[9-12]。本實(shí)驗(yàn)采用固相燒結(jié)工藝制備的W含量為60%~80%的低鎢含量合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率均較低，抗拉強(qiáng)度為230~260 MPa，伸長率為0.3%~2.3%，主要原因是大量孔隙的存在，鎢合金的延性和強(qiáng)度對(duì)孔隙率很敏感[13]，孔隙在鎢合金中是應(yīng)力集中的斷裂源。GERMAN[14]的研究表明，W-Ni-Fe合金的孔隙率大于1%時(shí)，合金的延性急劇下降，伸長率下降到接近于零。從圖2可看出，降低鎢含量有助于提高固相燒結(jié)鎢合金的伸長率，隨鎢含量增加，合金的伸長率減小，但并沒降低為零，60W-28Ni-12Fe合金的伸長率為2.3%。從表1看出，鎢含量減小，合金的孔隙率減小，并有效減小W-W顆粒間的連接度，而W-W界面結(jié)合力最弱，當(dāng)存在孔隙時(shí)，容易產(chǎn)生裂紋并沿著W-W界面生長，使鎢合金在較小的應(yīng)力下發(fā)生斷裂，所以鎢含量為60%的合金，抗拉強(qiáng)度及伸長率都最大。

圖2 鎢合金抗拉強(qiáng)度及伸長率隨鎢含量的變化關(guān)系

圖3所示為不同鎢含量的鎢合金的微觀結(jié)構(gòu)，其中白色區(qū)域?yàn)殒u顆粒，灰色區(qū)域?yàn)轲そY(jié)相，黑色圓孔為孔隙。從圖中可看出60W-28Ni-12Fe的鎢顆粒接觸度明顯小于80W-14Ni-6Fe。HEANEY等[15]的研究表明，當(dāng)鎢含量大于70%時(shí)，壓坯中所有W顆粒相互接觸。當(dāng)減小鎢含量時(shí)，黏結(jié)相均勻分布在鎢顆粒之間，W-W顆粒間的接觸減少。在圖3(a)可看到，當(dāng)鎢含量為60%時(shí)合金中的孔隙更多地會(huì)出現(xiàn)在黏結(jié)相中，而鎢含量增加到80%時(shí)孔隙多與鎢顆粒接觸(見圖3(c))。因此，提高黏結(jié)相的含量，能降低合金孔隙度，抑制孔隙處裂紋的擴(kuò)展，從而提高合金的延性。W-W顆粒間的結(jié)合力遠(yuǎn)比黏結(jié)相間的結(jié)合力小，所以當(dāng)拉伸應(yīng)力作用于孔隙時(shí)，首先在W-W顆粒間和W-黏結(jié)相間出現(xiàn)裂紋，裂紋快速擴(kuò)展導(dǎo)致合金斷裂。而黏結(jié)相為γ-(Ni,Fe,W)基體相，該相為軟韌相，當(dāng)孔隙出現(xiàn)在黏結(jié)相中時(shí)，黏結(jié)相可阻礙裂紋和孔隙的擴(kuò)展，從而提高W-Ni-Fe合金的伸長率。這也說明鎢含量較高的W-Ni-Fe合金能夠在有大量孔隙存在的情況下，仍具有一定的伸長率。

圖3 不同鎢含量的W-Ni-Fe合金的微觀結(jié)構(gòu)

圖4所示是W-Ni-Fe合金的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度隨鎢含量的變化關(guān)系。從圖中可看出，合金的抗壓強(qiáng)度在2 450~2 550 MPa之間，沒有出現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，變化幅度很小。說明孔隙度對(duì)鎢合金的壓縮性能影響不大。這可能是因?yàn)樵诤辖鹗軌簳r(shí)孔隙會(huì)閉合，不易產(chǎn)生裂紋，已有的裂紋很可能因?yàn)槭軌嚎s載荷而閉合。與傳統(tǒng)的鎢合金相比，固相燒結(jié)鎢合金的抗壓強(qiáng)度沒有明顯下降。鎢合金的壓拉比(即抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值)為9.45~11.04，能夠滿足易碎型穿甲彈彈芯材料的使用要求。

圖4 鎢合金抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度隨鎢含量的變化關(guān)系

2.3 斷口形貌

圖5所示為不同鎢含量的W-Ni-Fe合金拉伸斷口形貌。由于固相燒結(jié)溫度較低，鎢顆粒沒有明顯的聚集長大現(xiàn)象，圖中顆粒狀的為鎢顆粒，均勻分布在鎢顆粒周邊的為黏結(jié)相，黑色圓孔為孔隙。首先，在圖中可看出不同鎢含量的鎢合金斷口表面有大量的孔隙，且斷口表面凹凸不平，表現(xiàn)出脆性斷裂的特征。對(duì)鎢合金而言，主要的斷裂方式為4種：W顆粒的晶粒解理斷裂、W-W顆粒界面分離、W?黏結(jié)相界面斷裂和黏結(jié)相呈韌性撕裂[16]。從圖5的斷裂方式可看出，固相燒結(jié)鎢合金的斷裂方式與鎢含量有關(guān)。由于固相燒結(jié)的溫度低，合金的斷裂方式?jīng)]有出現(xiàn)W顆粒晶粒解理斷裂，主要是W?W顆粒界面分離和W?黏結(jié)相界面斷裂，所以合金的抗拉強(qiáng)度普遍較低。然而， 60W-28Ni-12Fe合金由于鎢含量很低，黏結(jié)相將鎢顆粒分隔開，因而主要出現(xiàn)的是大量的W–黏結(jié)相界面斷裂的斷裂方式。隨鎢含量增加，70W-21Ni-9Fe合金的斷口開始出現(xiàn)一定數(shù)量的W?W顆粒界面分離(見圖5(b))。80W-14Ni-6Fe合金的斷口主要以W–W顆粒界面分離為主。鎢合金的伸長率與斷口表面的各種斷裂途徑所占的比例有著對(duì)應(yīng)關(guān)系[17]。鎢合金的4種斷裂方式中，W?W顆粒界面結(jié)合力最弱，W?黏結(jié)相界面其次，所以當(dāng)鎢含量增加時(shí)，W顆粒接觸增多，沿W?W界面斷裂增多，導(dǎo)致鎢合金的力學(xué)性能下降，這與前文中測得鎢合金伸長率隨W含量增加而減小的規(guī)律相符。因此，固相燒結(jié)制備的多孔鎢合金，由于大量孔隙的存在，力學(xué)性能顯著下降。但通過降低鎢含量，提高黏結(jié)相的比例能減小W?W顆粒界面分離的斷裂方式，使鎢合金保持一定的伸長率。

圖5 不同鎢含量的W-Ni-Fe合金拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

1) 用固相燒結(jié)工藝制備的鎢含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為60%~80%的低鎢含量W-Ni-Fe合金，為多孔結(jié)構(gòu)，隨鎢含量增加，孔隙度和平均孔徑都增大。

2) 低鎢含量的W-Ni-Fe合金的抗拉強(qiáng)度較低，其中鎢含量為60%~80%的W-Ni-Fe合金，抗拉強(qiáng)度為230~260 MPa，伸長率為0.3%~2.3%，抗壓強(qiáng)度為 2 450~2 550 MPa，壓拉比為9.45~11.04，適合用作易碎型穿甲彈彈芯材料。

3) 隨鎢含量增加，合金的抗拉強(qiáng)度下降，伸長率明顯減小，70W-21Ni-9Fe合金的伸長率在1.8%以上。合金的斷裂方式?jīng)]有出現(xiàn)W顆粒晶粒解理斷裂，主要以W-W顆粒界面分離和W-黏結(jié)相界面斷裂為主，隨鎢含量增加，W-黏結(jié)相界面斷裂占的比例增大。

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(編輯 湯金芝)

Microstructure and mechanical property of W-Ni-Fe alloys with lower tungsten content fabricated by solid state sintering

Xu Huan, Cao Shunhua, Chen Binghuang, Xiao Bin, Li Shikang

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

W-Ni-Fe alloys with low tungsten content (60%?80%, mass fraction) were prepared by solid state sintering. The mechanical properties including tensile strength, compression strength and elongation of the sample were tested. The microstructure and fracture morphology were investigated by scanning electron microscopy (SEM). The effects of tungsten content on mechanical properties and microstructure of W-Ni-Fe alloys after solid state sintering were also studied. The results show that, with decreasing tungsten content, the porosity and average pore size of alloys decrease, tensile strength increases, elongation increases significantly, and compression strength changes a little. The W-Ni-Fe alloys with tungsten content in the range of 60%?80% have porosity of 17.8%?21.4%, tensile strength of 231?262 MPa, compressive strength of 2 450?2 550MPa, elongation of 0.3%?2.3%, and the proportion of compressive strength and tensile strength of 9.45?11.04, which all meet the requirements of the fragile armour-piercing projectile.

tungsten heavy alloy; low tungsten content; solid state sintering; mechanical propertiy; fracture morphology

TF125

A

1673?0224(2016)03?383?06

2014?12?04；

2015?05?28

曹順華，教授，碩士。電話：0731-88830724；E-mail: shuacao@163.com