高性能鎢合金制備技術(shù)研究現(xiàn)狀

黃安平，鄭海強(qiáng)，翁 羽

（九江國(guó)科遠(yuǎn)大機(jī)電有限公司，江西 九江 332000）

鎢金屬具有很高的密度、熔點(diǎn)、硬度，而且熱導(dǎo)率優(yōu)良，低熱膨脹系數(shù)，被廣泛應(yīng)用在各大領(lǐng)域。雖然鎢金屬具有很多優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也比較明顯，比如：低溫脆性，鎢的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在400℃以上，再結(jié)晶脆性，當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時(shí)鎢就會(huì)發(fā)生在結(jié)晶脆化，而且鎢在高溫狀態(tài)下強(qiáng)度比較低。鎢的這些缺點(diǎn)決定了加工難度比較大，需要和其他化合物相互融合，形成鎢合金才能提升使用性能，滿足多領(lǐng)域?qū)︽u使用的要求?；诖?，開(kāi)展高性能鎢合金制備技術(shù)的分析研究就顯得尤為必要。

1 鎢合金的種類和應(yīng)用范圍

1.1 鎢合金的種類

目前在市面上應(yīng)用的鎢合金種類主要由三種，包括鉬鎢合金、鈮鎢合金、硬質(zhì)合金。

鉬鎢合金是鉬和鎢兩種元素的合金，此種鎢合金能夠以任何比例形成，即便從在高溫狀態(tài)下，鉬鎢合金也呈現(xiàn)完全固溶體合金。

鈮鎢合金是一種無(wú)限固溶體合金，在鈮鎢合金制備中，鎢主要作為鈮的有效強(qiáng)化元素，隨著鎢含量的增加，鈮鎢合金的塑性脆性轉(zhuǎn)變溫度會(huì)隨之上升，合金結(jié)構(gòu)晶粒也開(kāi)始增大。因此，在鈮鎢合金制備中，要想得到高性能、高強(qiáng)度的鈮鎢合金，就必須嚴(yán)格控制鎢的含量，并適當(dāng)加入細(xì)化晶粒，比如：加入適量的鋯元素，可有效降低鈮鎢 合金的塑性脆性轉(zhuǎn)變溫度。

硬質(zhì)合金是一種比較常見(jiàn)的鎢合金，和鉬鎢合金、鈮鎢合金有較大區(qū)別。硬質(zhì)合金是鎢、碳、鈷等元素按照一定的比例混合而成，也被稱為鎢鈷合金，主要應(yīng)用在工業(yè)制造領(lǐng)域，比如：數(shù)控機(jī)床上的切割刀具都是硬質(zhì)合金刀具，在工業(yè)領(lǐng)域硬質(zhì)合金有個(gè)非常響亮的名字就是“工業(yè)牙齒”。

1.2 鎢合金應(yīng)用范圍

鎢合金具有非常優(yōu)越的使用性能，被廣泛應(yīng)用在各大領(lǐng)域，包括：燈絲業(yè)、板材業(yè)、高溫材料業(yè)、軍事武器業(yè)等隨處可見(jiàn)鎢合金的身影。因此加大對(duì)高性能鎢合金制備技術(shù)的研究，對(duì)很多行業(yè)持續(xù)發(fā)展有非常重要的意義。

2 高性能鎢合金制備技術(shù)研究

2.1 合金元素研究

在高性能鎢合金制備中應(yīng)用最多的合金元素包括：鐵、鎳、銅、鈷、錳、鉿、錸等，常用的化合物三氧化二鐵、三氧化二鑭、三氧化二釔、碳化鋯等。無(wú)論鎢合金元素，還是鎢合金化合物，在鎢合金制備中起到機(jī)制有基本相同，主要包括以下幾個(gè)方面：

第一，提升原子鍵的合力，同時(shí)向晶體內(nèi)部引入相應(yīng)的晶體缺陷，包括：位錯(cuò)、點(diǎn)缺陷、彌散介質(zhì)點(diǎn)等，這些缺陷的存在會(huì)在一定程度阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提升鎢合金的性能。

第二，能夠和鎢合金中的氧原子、氮原子、碳原子、硫原子等在一定條件下形成化合物，降低鎢合金中夾雜物在晶界中的偏聚，提升鎢黏結(jié)相的結(jié)合性能。

第三，可有效降低鎢合金制備所需問(wèn)題，節(jié)約鎢合金制備所需的成本和能源。在高性能鎢合金制備還需要用到很多活化元素，比如：鎳的使用可大幅度降低鎢合金制備的燒結(jié)溫度，避免晶粒持續(xù)長(zhǎng)大，但如果添加不合理，鎳容易和鎢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成四鎳化鎢。因此，在具體制備中需要加入適量的鐵或者銅來(lái)降低鎳在鎢中的溶解度，阻止形成四鎳化鎢，提升鎢合金的性能。合理加入鐵可提升鎢合金的強(qiáng)度和塑性。

近年來(lái)，現(xiàn)代石產(chǎn)業(yè)、石文化作為新興產(chǎn)業(yè)和主流文化的興起，受到各級(jí)政府的高度關(guān)注，開(kāi)始制定了相關(guān)的政策、措施，石產(chǎn)業(yè)、石文化迎來(lái)了發(fā)展的春天。

2.2 粉末制備研究

在傳統(tǒng)鎢合金制備時(shí)采用的粉末冶金制備，但粉末的質(zhì)量無(wú)法保證，需要較高的燒結(jié)溫度，而且制備的鎢合金晶粒比較大，使用性能無(wú)法保證。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)粉末冶金制備技術(shù)逐步被淘汰，而是采用鎢合金納米粉末來(lái)制備高性能鎢合金，不但可以大幅度降低鎢合金的燒結(jié)溫度，降低鎢合金制備成本，而且可保證鎢合金的密度、強(qiáng)度等都達(dá)到使用要求。目前在高效性能鎢合金制備中常用的納米粉末制備方法有機(jī)械合金化法、噴霧干燥法、水熱發(fā)等。

機(jī)械合金化法的制備機(jī)理為采用一種或者多種金屬和磨球之間進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、多次、頻繁的碰撞，發(fā)生組織斷裂，從而獲得納米級(jí)別的固溶體合金粉末的方法。但在應(yīng)用此種方法時(shí)，粉末和磨球長(zhǎng)時(shí)間處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致粉末顆?？焖匍L(zhǎng)大，極易發(fā)生粘壁、混入雜質(zhì)等相關(guān)問(wèn)題，比較適用于工業(yè)領(lǐng)域?qū)︽u合金雜質(zhì)含量要求不高的高性能鎢合金制備中。

噴霧干燥法是在高性能鎢合金制備中將偏鎢酸銨和有氧酸按照一定的比例溶于蒸餾水中，并進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，待充分溶解之后?duì)混合液進(jìn)行霧化處理，霧化處理之后的溶液能夠在很短時(shí)間就完成蒸發(fā)，從而獲得金屬鹽微粒，在經(jīng)過(guò)焙燒和氫還原，就可以得到納米級(jí)鎢合金粉末，噴霧干燥法和機(jī)械合金化法相比，制備工藝比較簡(jiǎn)單，而且不易引入雜質(zhì)，制備出的鎢合金性能比較高[1]。

水熱法制備鎢合金的機(jī)理是將配置好的溶液放到反應(yīng)釜中，然后在高溫高壓環(huán)境中發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，從而獲得納米粉，相比于前兩種方法，水熱法中采用溫液控制發(fā)，制備粉末顆粒比較小，反應(yīng)條件也比較容易控制，生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成的污染比較小，是目前制備超細(xì)和納米粉的主要方法。

2.3 粉末壓制研究

目前在高性能鎢合金制備中，常用的粉末壓制方法等靜壓方式制坯，以保證每個(gè)方向都能在均等壓力下成形，可按照粉末成形和固結(jié)時(shí)的溫度高低，選擇合理的靜壓方式，常用的靜壓方式有：冷等靜壓、溫等靜壓、熱等靜壓三種。這三種方法相比，熱等靜壓具有其他兩種靜壓方式的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，能夠在高溫、高壓的狀態(tài)下完成粉末壓制，不但可以看作是在高壓下燒結(jié)，也可以看作是在高溫下壓制。在高溫高壓下粉末壓制時(shí)，會(huì)促使粒晶之間發(fā)生不同程度的位移和相應(yīng)的塑性變形，從而起到彌合鎢合金制備空隙和裂縫的作用，提升鎢合金制備的致密度。

2.4 粉末燒結(jié)研究

燒結(jié)是高性能鎢合金制備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，燒結(jié)質(zhì)量直接決定了鎢合金的使用性能，科學(xué)合理的燒結(jié)工藝，可大幅度提升鎢合金的致密度、晶粒大小、組織形貌和偏析情況等。因?yàn)閷?duì)高性能鎢合金而言在制備過(guò)程中，決定燒結(jié)致密性的主要因素包括化學(xué)成分、壓坯密度、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間等。在鎢合金制備中，燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力是降低表面能，因此，在粉煤燒結(jié)過(guò)程中，粉煤越細(xì)在具有的表明能越，燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力也就越大。鎢合金粉末燒結(jié)的方法有以下幾種，需要結(jié)合實(shí)際情況，選擇可與之相適的燒結(jié)方法[2]。

第一種，兩步燒結(jié)。先在低熔點(diǎn)組元的液相線溫度之下進(jìn)行固相燒結(jié)，然后再將溫度加熱到液相線之上進(jìn)行液相燒結(jié)。此種燒結(jié)方法的主要優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)固相燒結(jié)，可提升鎢合金的致密度，以免在液相燒結(jié)中溶析出鎢顆粒，從而提升粉末燒結(jié)后鎢合金組織的均勻性。通常在1300℃下，對(duì)94W-5.6Ni-1.4Fe 粉末先進(jìn)行固相燒結(jié)60min，然后再在1470℃下進(jìn)行液相燒結(jié)，通過(guò)這兩步燒結(jié)之后，鎢合金中鎢顆粒尺寸和連接度都可以得到行之有效的控制，制備出的鎢合金性能比較高。

第二種，放電等離子燒結(jié)，主要是通過(guò)直流電和脈沖電促使粉末之間發(fā)生電弧放電的方法進(jìn)行粉末燒結(jié)，此種燒結(jié)方法的主要優(yōu)點(diǎn)是升溫速度非常快，粉末燒結(jié)所用的時(shí)間比短，燒結(jié)溫度較低，可對(duì)鎢合金組織進(jìn)行有效開(kāi)展，而且在燒結(jié)過(guò)程中不會(huì)形成污染物，污染周圍的環(huán)境，符合綠色、環(huán)保的生產(chǎn)要求。在高性能鎢合金制備中，采用放電等離子燒結(jié)方法，可有效控制鎢晶粒的長(zhǎng)大，形成細(xì)晶強(qiáng)化作用，在1350℃時(shí)，鎢晶粒最小，平均尺寸不足5μm，可提升鎢合金的性能[3]。

第三種，微波燒結(jié)，主要機(jī)理是利用微波的特殊波段和材料的基本細(xì)微結(jié)構(gòu)發(fā)生耦合釋放的熱量，在通過(guò)材料的介質(zhì)損耗，促使粉末能夠加熱到規(guī)定的燒結(jié)溫度，從而提升鎢合金的致密度。此種燒結(jié)方法的主要優(yōu)勢(shì)是燒結(jié)溫度比較低，升溫速度快，而且燒結(jié)加熱時(shí)粉末受熱均勻，也不會(huì)產(chǎn)生污染物，但存在燒結(jié)孔洞和電磁輻射污染的問(wèn)題，對(duì)操作人員的綜合素質(zhì)，燒結(jié)設(shè)備的要求比較高。

3 提升鎢合金性能的方法

3.1 鍛造方法

鍛造是提升鎢合金性能的主要方法之一，按照鍛造方法的不同，可分為兩種鍛造方式，一種是旋轉(zhuǎn)鍛造，另一種是徑向鍛造，二者相比，旋轉(zhuǎn)鍛造設(shè)備使用成本比較低，應(yīng)用范圍更廣。主要是通過(guò)2～4 塊旋鍛模環(huán)繞鎢合金坯料進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)鍛造，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，可對(duì)坯料進(jìn)行徑向高速脈沖鍛打，促使鎢合金表面持續(xù)收縮，長(zhǎng)度持續(xù)增加。

在徑向鍛造過(guò)程中，坯料需要圍繞著對(duì)稱分布的錘頭進(jìn)行中心軸旋轉(zhuǎn)，在錘頭上施加超過(guò)坯料施加抗壓強(qiáng)度的徑向壓力，促使坯料發(fā)生均勻的塑像變形，內(nèi)部顆粒按照要求路勁進(jìn)行轉(zhuǎn)移，此種鍛造方式應(yīng)用得當(dāng)，可大幅度提升鎢合金的抗拉強(qiáng)度和彈性極限。經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)鍛造的鎢合金，錯(cuò)位密度非常低，可形成高密度錯(cuò)位纏結(jié)，其中鎢相強(qiáng)化起著主導(dǎo)作用，從強(qiáng)化效果上來(lái)看，鎢合金表明強(qiáng)化效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于內(nèi)部的強(qiáng)化效果。比如：鎢鑭合金經(jīng)過(guò)鍛造變形程度達(dá)到78.7%之后，其硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純鎢，且金相組織更加細(xì)致、更加均勻，經(jīng)過(guò)車削之后，鎢鑭合金表面具有很高的光潔度，性能也比較高[4]。

3.2 擠壓方法

在鎢合金制備中，為最大限度上提升鎢合金的性能，還要對(duì)其進(jìn)行擠壓出來(lái)，常用的擠壓方法有兩種，一種是靜液擠壓，另一種是熱擠壓。二者相比，靜液擠壓主要應(yīng)用在變現(xiàn)難度較大的鎢合金后處理中，而且還能有效改善鎢合金的毛坯尺寸，改善鎢合金的纖維組織和韌性，可實(shí)現(xiàn)鎢合金三向受力擠壓，促使鎢合金內(nèi)部存在的缺陷不斷愈合，從而達(dá)到鎢合金形變強(qiáng)化的效果。和鍛造處理方法相比，靜液擠壓處理法的主要優(yōu)點(diǎn)是可大幅度提升變形能力，每次擠壓都能獲得60%～80%的變形量，這一點(diǎn)是鍛造法難以比擬的，可提升鎢合金配備的合格率，而且變形均勻性比較好，可提升鎢合金的強(qiáng)度性能[5]。

熱擠壓是從冷擠壓基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的鎢合金處理技術(shù)，和冷擠壓相比，熱擠壓只需要較小的擠壓力，就能獲得良好的變形效果，可降低鎢合金擠壓時(shí)間，而且獲得的金相組織更加均勻，延長(zhǎng)模具使用壽命也必將長(zhǎng)，但需要較高的溫度加持，處理成本略大于冷擠壓。

3.3 軋制方法

軋制也是鎢合金處理中比較常用的方法，按照軋制方法的不同，分為冷軋制和熱軋制兩種，通常情況下，當(dāng)鎢合金通過(guò)多次軋制處理和退火處理之后，就可以得當(dāng)所需的高性能鎢合金板材，主要應(yīng)用在板材業(yè)。當(dāng)鎢合金經(jīng)過(guò)軋制后，會(huì)獲得較大的變形量，在鎢相和黏結(jié)相中就可以形成大量錯(cuò)位，從而提升鎢合金的硬度、脆性，但會(huì)給后續(xù)加工制造增大難度[6]。為解決這一問(wèn)題，需要經(jīng)過(guò)一定的退火處理來(lái)改善鎢合金的塑性。比如：20%冷軋制的變形量，就可以促使鎢合金的抗拉強(qiáng)度從燒結(jié)狀態(tài)的900MPa，增大到1270MPa，但伸長(zhǎng)率會(huì)有所降低，從7.6%下降到4.0%，因此，在具體使用時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際使用情況，控制軋制量，提升鎢合金的使用性能。

綜上所述，本文結(jié)合理論實(shí)踐，研究了高性能鎢合金制備技術(shù)現(xiàn)狀，研究結(jié)果表明，鎢合金具有非常廣泛的應(yīng)用范圍，在很多領(lǐng)域都有良好應(yīng)用。鎢合金制備技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，愈發(fā)先進(jìn)，可有效提升鎢合金的制備性能。當(dāng)鎢合金制備完成之后，為獲得更高性能的鎢合金，使用使用效果，還要相應(yīng)的處理技術(shù)，來(lái)改善鎢合金的組織性能，以滿足實(shí)際需求，促使鎢合金制備事業(yè)穩(wěn)健發(fā)展。