Mo-(Re、Y、Zr)合金的制備工藝和性能研究

朱 琦，卜春陽，席 莎，王 娜，武 洲，黨曉明

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077)

0 引 言

隨著人口老齡化進(jìn)程加快和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)升級，我國醫(yī)療產(chǎn)業(yè)擁有新的投資機(jī)會，關(guān)鍵在核心零部件環(huán)節(jié)的重點(diǎn)布局。相比于汽車零部件細(xì)分領(lǐng)域，醫(yī)療零部件的發(fā)展還較為緩慢。在醫(yī)療儀器領(lǐng)域深耕多年的專家認(rèn)為，盡管中國高端醫(yī)療器械相關(guān)行業(yè)已進(jìn)入高速發(fā)展期，但關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、核心基礎(chǔ)零部件仍是高端醫(yī)療器械進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。

目前，醫(yī)療器械核心零部件轉(zhuǎn)子部分的使用溫度在1 600 ℃以上，轉(zhuǎn)速在10 800 r/min，國際上使用的材料為耐高溫鉬材質(zhì)。該產(chǎn)品的材料和工藝都是國外全部把控，產(chǎn)品是整體成套100%從西門子進(jìn)口。國產(chǎn)化面臨的難題就是材料的基礎(chǔ)性能差，比如掉渣、耐磨性能差、加工態(tài)保持不好及在高溫真空環(huán)境中使用不好等[1]。

本文就是針對目前大型醫(yī)療設(shè)備用核心零部件轉(zhuǎn)子(鉬材質(zhì))全部進(jìn)口的問題，結(jié)合客戶需求，對3種鉬合金的制備工藝和性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為解決國內(nèi)鉬原材料基礎(chǔ)性能差，作為結(jié)構(gòu)材料在使用過程中會出現(xiàn)掉渣、抱死、高溫尺寸穩(wěn)定性差等問題，提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)，有利于擴(kuò)大鉬的應(yīng)用范圍[2]。

1 試驗(yàn)過程

鉬粉是生產(chǎn)鉬合金制品的原料，其物化性能和組織結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了鉬合金制品的特性及質(zhì)量。選用純度較高、粒度分布窄、分散性好、顆粒大小均勻、無團(tuán)聚及少團(tuán)聚鉬粉對于鉬合金制品質(zhì)量的控制至關(guān)重要。試驗(yàn)選用純度較高的鉬粉為原料，化學(xué)成分見表1，形貌見圖1，費(fèi)氏粒度3.2～3.8 μm，松裝比重1.05～1.25 g/cm3。

表1 原料鉬粉的化學(xué)指標(biāo) /%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 鉬粉形貌(×3000)

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選定3種合金成分分別為：Mo-0.55%ZrO2、Mo-0.3%Y2O3、Mo-3%Re?；炝弦?guī)范：先用河南三維重工有限公司生產(chǎn)的C015型大三維混料機(jī)混合5 kg鉬粉與輔料4 h，然后分批過篩，最后用無錫市鑫邊粉體機(jī)械有限公司生產(chǎn)的V-100型雙錐混料機(jī)合批24 h。

取出檢測：取兩點(diǎn)檢測，檢測結(jié)果見表2。從表2可以看出，Zr含量理論值應(yīng)在0.41%，Y含量理論值應(yīng)在0.24%，Re含量理論值應(yīng)在3%，檢測結(jié)果偏差均在20%以內(nèi)，混料相對均勻。

表2 合金成分檢測結(jié)果 /%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

燒結(jié)工藝：3 h升到1 200 ℃，保溫2 h，2 h升到1 500 ℃，保溫2 h，2 h升到1 700 ℃，保溫2 h，3 h升到1 940 ℃，保溫5 h，隨爐冷卻。

2 結(jié)果與討論

2.1 鉬合金的燒結(jié)組織與分析

粉末冶金制品經(jīng)壓制后燒結(jié)，會發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶長大等組織變化。再結(jié)晶與燒結(jié)的主要階段即致密化過程同時發(fā)生，這時原子重新排列、改組，形成新晶核并長大，或者借助晶界移動使晶粒合并，總之是以新的晶粒代替舊的，并常伴隨晶粒長大的現(xiàn)象[3]。

實(shí)際上，晶粒長大常常受到阻礙，這些阻礙主要是加入的第二相。當(dāng)原始晶界移動碰到第二相質(zhì)點(diǎn)時，晶界首先彎曲，晶界線拉長，第二相對晶界有較強(qiáng)的釘扎左右，只有彎曲度大的晶界才能越過第二相移動。因此，在第二相粒子存在的情況下，再結(jié)晶過程受到了很大的影響[4]。首先，再結(jié)晶核心的形成與位錯的運(yùn)動密切相關(guān)，但位錯的運(yùn)動又受到了第二相粒子強(qiáng)烈的阻礙作用，所以再結(jié)晶核心的形成就會被推遲，再結(jié)晶的開始溫度就要被提高；其次，在再結(jié)晶晶粒長大的階段，第二相粒子又起到了阻礙其長大的作用， 第二相的體積百分?jǐn)?shù)量愈大，對再結(jié)晶和晶粒長大的阻力就愈強(qiáng)，最后得到的晶粒就愈細(xì)[5]。

圖2是純鉬與3種鉬合金經(jīng)過中頻燒結(jié)后的斷口形貌顯微組織?？梢钥闯觯诙嗟募尤?，明顯地細(xì)化了晶粒。分析研究認(rèn)為，在燒結(jié)過程中鉬晶粒原始晶界形核和長大時移動并碰到第二相質(zhì)點(diǎn)，晶界以繞過或者包圍第二相質(zhì)點(diǎn)方式繼續(xù)移動，所以第二相質(zhì)點(diǎn)的存在起到了阻礙晶界移動達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。

圖2 3種合金與純鉬的斷口形貌

從圖2(a)中可以看出，在鉬粉中加入ZrO2可以細(xì)化晶粒組織，但是Mo-ZrO2合金鉬棒的燒結(jié)密度偏低，這主要是因?yàn)閆rO2在1 000 ℃以上將由斜方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄w，斜方晶體的密度為5.89 g/cm3，四方晶體的密度為6.10 g/cm3，斜方晶體在常溫下穩(wěn)定存在。在高溫?zé)Y(jié)的降溫過程當(dāng)中，ZrO2由密度大的四方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏刃〉男狈骄w，體積將會發(fā)生膨脹，致使Mo-ZrO2合金的燒結(jié)密度偏低。另一方面，由于第二相的存在，使得燒結(jié)過程中的孔洞不易被消除。

從圖2(b)、圖2(c)中同樣可以看出，Y和Re都可以顯著細(xì)化晶粒，鉬合金的抗拉強(qiáng)度得到提高。

2.2 鉬合金的壓力加工性能研究

鉬合金雖具有一系列優(yōu)異性能，但由于室溫脆性的致命弱點(diǎn)，必須通過塑性加工方法來有效地改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，提高其加工工藝與使用性能[6]。塑性加工是坯料通過外力的作用發(fā)生塑性變形，獲得所需的形狀、尺寸和性能的加工方法。通過粉末冶金制成的材料，其內(nèi)部存在著許多空隙，從而使材料的密度和力學(xué)性能大打折扣。減小和消除空隙能大大增加燒結(jié)體的密度和力學(xué)性能。所以為了獲得高性能的產(chǎn)品，必須在粉末冶金工藝之后進(jìn)行致密化。從成本和效益出發(fā)，致密化的方法首選鍛造，此法不僅可以細(xì)化晶粒，還可以大大降低粉末燒結(jié)體內(nèi)部的空隙，從而提高其力學(xué)性能[7]。鉬合金及純鉬的性能檢測見表3。

表3 鉬合金室溫拉伸性能

由于Mo-Zr合金的燒結(jié)密度偏低，采用純鉬的加工工藝容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)現(xiàn)象，在進(jìn)行鍛造加工時要提高開坯的加熱溫度和保溫時間，使得Mo-ZrO2合金棒充分均化和軟化。因此，Mo-Zr合金棒的加熱溫度為1 450～1 500 ℃，保溫時間為90 min，且加熱一火鍛造一個模次，鍛造的火次變形量為9%～14%，相鄰兩火次之間需要對鍛造后的Mo-Zr燒結(jié)合金棒進(jìn)行回火處理，回火的溫度為1 450～1 500 ℃，保溫時間為15～25 min；且第一和第二鍛造模次的變形量控制在9%～10%，終鍛溫度高于1 350 ℃，防止Mo-Zr合金棒發(fā)生開裂。從表3可見，Mo-Zr合金的強(qiáng)度和延伸率均優(yōu)于純鉬。

Mo-Y的鍛造工藝與Mo-ZrO2合金的鍛造工藝類似，也需要控制鍛造變形量和回火次數(shù)，防止微裂紋的出現(xiàn)。從表3可見，加入氧化釔后，鉬合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高，延伸率較純鉬下降。

Mo-Re可以走純鉬的鍛造工藝，這是因?yàn)镸o和Re金屬的燒結(jié)相容性好，有較好的細(xì)晶強(qiáng)化效果，從性能檢測結(jié)果可以看出，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較純鉬有明細(xì)的提高，但其延伸率較低，幾乎為脆斷。

3 結(jié) 論

(1)Mo-0.55%ZrO2、Mo-0.3%Y2O3、Mo-3%Re 3種鉬合金采用合適的燒結(jié)工藝，與純鉬相比，均有細(xì)化晶粒的作用。

(2)3種鉬合金棒坯的性能檢測結(jié)果顯示：Mo-Re合金的抗拉強(qiáng)度和屈服提高較為明顯，但其延伸率較低；Mo-Y合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度得到明顯提高，延伸率較純鉬有所下降；Mo-Zr合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有小幅提高的同時，延伸率也較純鉬有提高。

(3)綜合3種鉬合金的性能檢測結(jié)果來看，最可能應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子用鉬基材料的是綜合性能優(yōu)異的Mo-Zr合金。