Mo-50W合金板坯制備工藝研究

蔡立輝，王廣達(dá)，熊 寧，王鳳權(quán)

(1.安泰科技股份有限公司，北京 100094)(2.安泰天龍鎢鉬科技有限公司，天津 301800)

0 前 言

鉬與鎢都是應(yīng)用非常廣泛的難熔金屬材料，均為BCC晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)與原子半徑很接近，可以形成連續(xù)固溶體[1]，目前常見的成分主要是Mo-30W和Mo-50W(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，Mo-30W具有較好的耐鋅腐蝕性能，可以用于煉鋅行業(yè)中的管道、熱偶保護(hù)套、攪拌器等部件[2]。Mo-50W合金具有比純鉬更高的再結(jié)晶溫度和高溫強(qiáng)度，比鎢更好的塑性和加工性能，在高溫裝備、熔煉行業(yè)、濺射靶材、航空航天領(lǐng)域等應(yīng)用前景越來越廣泛[3～5]。

鉬鎢合金相比于傳統(tǒng)的布線材料純Mo，具有更低的電阻率，更高的耐腐蝕性能、熱穩(wěn)定性以及阻擋擴(kuò)散的效果更好，同時具有更優(yōu)異的錐形加工和耐刻蝕性能。因此鉬鎢合金具有可代替純鉬在液晶顯示器中使用的巨大潛力。圖1為W含量對鉬鎢合金電阻率和濺射速率的影響，W含量質(zhì)量比在38%～61%(原子比25%～45%)范圍內(nèi)的鎢鉬合金其綜合濺射鍍膜性能更優(yōu)。

為了拓展和提高鉬鎢合金板材的應(yīng)用，需要我們深入開展Mo-W合金板材的制備與性能研究，因此本文將從粉末配比、燒結(jié)制度、軋制工藝和退火熱處理等方面進(jìn)行Mo-50W板坯制備研究。

1 試驗材料與方法

試驗使用市售的純度≥99.95%的鉬粉和鎢粉，鎢粉的費(fèi)氏粒度為2.5 μm，鉬粉的費(fèi)氏粒度分別為2.0、3.0、4.0 μm。粉末按1∶1質(zhì)量比例，使用三維混料機(jī)混合12 h，粉末裝入模具中使用冷等靜壓設(shè)備壓制成板坯，壓制壓力200 MPa。壓坯在中頻感應(yīng)燒結(jié)爐氫氣氣氛下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度分別為2 100、2 200、2 300 ℃，保溫時間均為5 h。燒坯進(jìn)行熱軋，軋制方式為單向軋制和換向交叉軋制，總變形量為95%，將軋板進(jìn)行不同溫度的退火熱處理，退火溫度分別為1 200、1 300、1 400、1 500、1 600 ℃，保溫時間1 h。

圖1 鎢含量對鉬鎢合金電阻率和濺射速率的影響

使用阿基米德排水法檢測合金密度；使用HVS-50數(shù)顯維氏硬度計測試合金硬度，試驗力為30 kg(HV30)，加載時間10 s；使用Olympus GX51 金相顯微鏡觀察分析金相顯微組織；使用CSS-44050型電子萬能試驗機(jī)金相合金的高溫拉伸試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉末粒度配比對致密性的影響

為了得到較高的致密度的合金材料，研究了鉬粉與鎢粉的粒度配比。由于粗顆粒鎢粉在同樣的燒結(jié)制度下比細(xì)鎢粉致密度差，需要更高的燒結(jié)溫度，因此本文中鎢粉粒度選定為費(fèi)氏粒度2.5 μm。通過選用不同粒度的鉬粉，和鎢粉進(jìn)行粒度配比，分析混合后合金粉末的形貌(見圖2)和顆粒性能(見表1)，合金粉末壓制試棒后進(jìn)行2 200 ℃×5 h的燒結(jié)，分析粒度配比對于燒結(jié)致密性能的影響。

表1 鉬粉與鎢粉粒度配比性能數(shù)據(jù)

從表1看出:隨著Mo粉粒度的增大，鉬鎢合金粉末的費(fèi)氏粒度也在增大，壓坯強(qiáng)度則相反，細(xì)顆粒鉬粉與鎢粉摻混后的壓坯強(qiáng)度最大，反映出這個粒度配比的壓坯成形性最好，較粗顆粒的鉬粉與鎢粉摻混后，顆粒粒度增加而壓坯強(qiáng)度降低，燒結(jié)密度隨之下降，而較低的燒結(jié)密度會導(dǎo)致后續(xù)的軋制開裂等問題。

圖2 鉬粉與鎢粉粒度配比形貌

2.2 燒結(jié)制度對致密度的影響

使用2.5 μm的鎢粉與2.0 μm的鉬粉進(jìn)行混合后壓制試棒，為了研究燒結(jié)溫度對于鉬鎢合金的致密度的影響，對試棒坯料進(jìn)行了3種溫度的高溫?zé)Y(jié)，保溫時間均為5 h。表2為不同燒結(jié)溫度下鉬鎢合金坯料致密性能的變化。

隨著燒結(jié)溫度的上升，鉬鎢合金的燒結(jié)密度隨之增加，致密度增強(qiáng)。但是從圖3的金相顯微組織來看，晶粒尺寸也在變大，2 200 ℃燒結(jié)坯料的晶粒尺寸稍大于2 100 ℃燒坯的晶粒尺寸，但是2 300 ℃燒結(jié)溫度下晶粒出現(xiàn)長大現(xiàn)象，部分區(qū)域晶粒長大明顯，這反映出溫度的提高增大了晶粒的長大速度，同時致密度的提升，孔隙減小，抑制晶粒長大的作用也減小[6-8]。

表2 不同燒結(jié)溫度的Mo-50W合金的致密性能

圖3 不同燒結(jié)溫度的鉬鎢合金顯微組織

2.3 軋制方式對板坯性能的影響

選用2.5 μm的鎢粉與2.0 μm的鉬粉，冷等靜壓壓制成板坯，在2 200 ℃×5 h的燒結(jié)制度下高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)板坯(厚度40 mm)進(jìn)行熱軋變形，軋坯厚度2 mm，總變形率95%。進(jìn)行了單向軋制和換向前后變形率相等(77.5%)的交叉軋制，用于分析軋制方式對于晶粒顯微組織和性能的影響。熱軋開坯溫度1 500 ℃，保溫時間1 h。交叉軋制換向前，厚度由40 mm軋至9 mm，變形率77.5%，換向后厚度軋至2 mm，變形率77.8%。

相較于單向軋制，交叉軋制可以使鉬鎢合金板坯的各向性能更加均勻，在垂直兩方向上，強(qiáng)度和延伸率基本一致，而單向軋制的板坯在軋制方向上的強(qiáng)度與延伸率與垂直方向差異明顯，這說明經(jīng)過交叉軋制，可以得到具有良好各向同性的板坯。從圖4可以看出,經(jīng)過交叉軋制后，板坯的晶粒形貌與尺寸基本一致，這對于后續(xù)板坯進(jìn)行退火熱處理以獲得晶粒尺寸均勻的板材具有重要的作用。

表3 Mo-50W合金軋制工藝

表4 Mo-50W合金軋制板坯力學(xué)性能

圖4 Mo-50W合金軋制板坯顯微組織

2.4 退火處理對于合金顯微組織與性能的影響

文獻(xiàn)[9～11]對Mo-50W合金的變形率76%的板材和旋鍛φ6棒料進(jìn)行了退火再結(jié)晶溫度的研究，但是對于變形率95%的板材的結(jié)晶行為并未有研究公開。本文利用上述交叉軋制的總變形率95%的Mo-50W板坯開展1 200～1 600 ℃的高溫退火試驗，退火時間均為1 h，觀察分析其組織和性能的變化(見圖5和圖6)。

圖5 不同退火溫度下Mo-50W的硬度

由圖5和圖6可見：在1 400 ℃以下退火，鉬鎢合金材料的力學(xué)性能變化很小，1 400 ℃以上溫度退火時，材料抗拉強(qiáng)度逐步下降，延伸率下降則和劇烈，在1 500 ℃時，延伸率只有2%，在1 600 ℃時，沒有延伸率。結(jié)合圖7的顯微組織可以看出：在1 400 ℃退火后，材料已完成回復(fù)，開始了再結(jié)晶，出現(xiàn)了少量的細(xì)晶，隨著退火溫度的增加，再結(jié)晶過程很快進(jìn)行，在1 600 ℃退火后材料完全再結(jié)晶，并出現(xiàn)了晶粒長大現(xiàn)象。這與文獻(xiàn)[9]的研究成果基本一致，主要差異在于本文中板坯料的變形量較大，材料內(nèi)部存在大量的畸變能，造成材料的再結(jié)晶溫度降低，約為1 450 ℃，這個結(jié)晶溫度與文獻(xiàn)[11]一致，兩者均具有較大的變形率，但由于兩者的變形方式不一樣，微觀組織不同，因而在高溫退火后，延伸率的下降趨勢存在明顯差異，具體原因有待開展深入研究。

圖6 不同退火溫度下Mo-50W的力學(xué)性能

圖7 不同退火溫度下鉬鎢合金板坯的顯微組織

3 結(jié) 論

通過對Mo-50W合金的鎢粉與鉬粉的粒度配比、燒結(jié)溫度、軋制方式和退火熱處理的研究，可以得出如下結(jié)論：

(1)2.0 μm的鉬粉與2.5 μm的鎢粉配比，可以得到較細(xì)的合金粉末，壓坯強(qiáng)度大，致密度高。

(2)燒結(jié)溫度的提高可以提高鉬鎢合金的致密度，但是2 300 ℃的高溫?zé)Y(jié)反而會造成晶粒長大。

(3)交叉軋制比單向軋制可以得到各向同性的板材，晶粒形貌和尺寸也基本一致。

(4)退火溫度增加，可降低抗拉強(qiáng)度，在1 400～1 500 ℃，材料完全再結(jié)晶，延伸率則急劇下降至零。