一種共成形共燒結鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法與流程

2024-04-04 01:58:05 1

本發明涉及一種共成形共燒結鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法；屬於複合材料製備技術領域。

背景技術：

鎢及其合金具有高密度、高硬度、高強度、耐高溫和耐腐蝕等優異特性，被廣泛應用於航空航天、武器裝備、能源和電子等領域。由於鎢的本徵脆性和製備方法的限制，難以獲得大尺寸以及形狀複雜的純鎢構件，發展鎢/鋼複合結構來替代全鎢結構不但能增加部件的使用便利性，還能綜合發揮各連接材料的性能優勢。

目前製備鎢/鋼系複合結構材料一般採用機械連接、膠接、焊接等方法。機械連接和膠接屬於物理連接，存在強度低、結構質量大、在變載荷作用下容易鬆動、可靠性差的缺點。而採用焊接方法，如釺焊和擴散焊，常需要一定的加載壓力以實現鎢與鋼之間的相互接觸，同時對鎢與鋼的表面光潔度有較高要求，導致鎢與鋼焊接時接頭尺寸適應性差，而且由於鎢及其合金的本徵硬脆性，導致鎢與鋼焊接存在一定的加工與裝配難題，限制了鎢/鋼系複合材料的生產應用。因此，需要研發一種簡單經濟的鎢合金/鋼複合材料的製備方法。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：針對現有方法的不足，提供了一種共成形共燒結鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法，有效解決了鎢合金/鋼連接存在的加工和裝配難題，實現了鎢合金/鋼複合材料結構功能一體化的近淨成形。

本發明一種共成形共燒結鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法；包括以下步驟：

步驟一原料粉末的設計和製備

以W粉和/或W合金粉為原料，以低熔點金屬粉末或低熔點合金粉末為輔料；按質量比，輔料：原料＝5:95～20：80配取輔料和原料，混合均勻，得到混合物；所述輔料的熔點低於原料的熔點；

測量備用鋼粉的熔點，定義備用鋼粉的熔點為A；

步驟二共成形

在模具內先鋪設一層備用鋼粉，然後再鋪設一層混合物；或

在模具內先鋪設一層混合物，然後再鋪設一層備用鋼粉；

鋪設完成後，在600MPa～1000MPa壓力下壓製成形，獲得鎢合金/鋼複合成形坯；

步驟三

將鎢合金/鋼複合成形坯置於氫氣或真空氣氛中，於B攝氏度下進行燒結，得到鎢合金/鋼複合材料；

所述B/A＝0.5-0.9、優選為0.6-0.9；

在B攝氏度下進行燒結時，步驟一所配取的輔料的液化程度為75-100％。本發明中，在B攝氏度下進行燒結時，步驟一所配取的輔料的液化程度為75-100％是指：在B攝氏度下進行燒結時，所配取的輔料總質量的75-100％被液化。

本發明一種共成形共燒結鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法；步驟一中，所述W合金粉選自W-La2O3合金，W-Y2O3合金，W-Y2O3合金，W-TiC合金，W-ZrC合金，W-Y合金，W-Mo合金，W-Re合金，W-K合金，W-CNT(碳納米管)合金中的至少一種。

本發明一種共成形共燒結鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法；所述B為1000℃～1300℃。優選1100℃～1300℃。進一步優選為1130℃～1200℃。更進一步優選為1150℃～1185℃。

本發明一種共成形共燒結鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法；步驟一中，所述低熔點金屬粉末選自Ni粉、Fe粉、Cu粉、Mn粉、Sn粉、Al粉中的至少一種。

本發明一種共成形共燒結鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法；步驟一中，所述低熔點合金粉末選自Ni-Fe合金粉、Fe-Cu合金粉、Ni-Cu合金粉、Ni-Mn合金粉、Ni-Fe-Cu合金粉、Ni-Fe-Al合金粉、Ni-Fe-Mn合金粉、Ni-Fe-Sn合金粉、Fe-Cu-Sn合金粉、Ni-Cu-Sn合金粉、Ni-Cu-Mn合金粉中的至少一種。

本發明一種共成形共燒結鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法；原料的粒度為30nm～5μm、輔料的粒度為30nm～5μm。

本發明一種共成形共燒結鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法；步驟一中備用鋼粉的粒度為50～200μm。

本發明一種共成形共燒結鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法；備用鋼粉為粉末冶金用合金鋼。

本發明一種共成形共燒結鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法；步驟一中，以W粉和/或W合金粉為原料，以低熔點金屬粉末或低熔點合金粉末為輔料；按質量比，輔料：原料＝5:95～20：80配取輔料和原料，將配取的輔料和原料置於球磨機中，進行機械球磨，得到所述混合物；所述球磨時，控制球磨轉速為150-300轉/min，時間為20-50小時。

本發明一種共成形共燒結鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法；步驟三中，所述燒結工藝是先以10～20℃/min的升溫速率從室溫升溫至600～950℃，保溫0.5～2h，隨後繼續升溫至1100℃～1300℃，保溫1～3h，燒結結束後隨爐冷卻至室溫。

本發明一種共成形共燒結鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法；將元素金屬粉末W、Ni、Cu、Sn等按照90:6.3:2.7:1的質量比稱重，置於行星式球磨機中進行球磨，球磨時控制轉速為200轉/min、時間為20h，球磨後得到粉末粒度為100nm的混合物；以平均粒度為100μm粉末冶金用鋼粉為備用鋼粉；在模具內先鋪設一層備用鋼粉，然後再鋪設一層混合物，接著800MPa壓力下壓製成形，獲得直徑為40mm的鎢合金/鋼圓片狀複合成形坯；接著在氫氣氣氛下，首先以10℃/min的升溫速率從室溫升溫至900℃，保溫1h，隨後繼續升溫至1180℃，保溫2h，燒結結束後隨爐冷卻至室溫，得到鎢合金/鋼複合材料；所述鎢合金/鋼複合材料的界面結合強度為600MPa；或

將元素金屬粉末W、Ni、Cu、Sn等按照90:6.3:2.7:1的質量比稱重，置於行星式球磨機中進行球磨，球磨時控制轉速為250轉/min、時間為30h，球磨後得到粉末粒度為80nm的混合物；以平均粒度為150μm粉末冶金用鋼粉為備用鋼粉；在模具內先鋪設一層備用鋼粉，然後再鋪設一層混合物，接著600MPa壓力下壓製成形，獲得直徑為50mm的鎢合金/鋼圓片狀複合成形坯；接著在氫氣氣氛下，首先以20℃/min的升溫速率從室溫升溫至950℃，保溫0.5h，隨後繼續升溫至1150℃，保溫3h，得到鎢合金/鋼複合材料；所述鎢合金/鋼複合材料的界面結合強度為540MPa。在本發明中，採用行星式球磨機進行球磨時，可使部分或全部粉末實現機械合金化。

在本發明中，備用鋼粉優選為採用水霧化或氣霧化技術製備粉末冶金用鋼粉。在本發明中GB/T 19743-2005所限定的合金鋼粉均能用於本發明。

作為優選方案，在本發明中，步驟二中在模具內先鋪設一層備用鋼粉，振實，然後再鋪設一層混合物；振實，然後再壓制。

作為優選方案，在本發明中，步驟二中在模具內先鋪設一層混合物，振實，然後再鋪設一層備用鋼粉；振實，然後再壓制。也可先將備用鋼粉壓成鋼粉坯體，然後在鋼粉坯體上鋪設混合物，再壓製成型或者先將混合物壓成混合物坯體，再將鋼粉鋪設於混合物坯體上再壓製成型。

同時本發明還可以先製備鋼粉坯體和混合物坯體，再將鋼粉坯體和混合物坯體統一壓制。

採用本發明中所設計的方法，可以製備出鎢合金/鋼、鎢合金/鋼/鎢合金、鋼/鎢合金/鋼或鎢合金/鋼/鎢合金/鋼……的複合材料。

在工業化應用時，先將配取好的原料和輔料通過機械混合均勻。機械混合均勻時，可以使部分或全部粉料發生機械合金化。

原理和優勢

本發明設計了「共成形共燒結」的粉末冶金方法，並通過成分設計和工藝優化將該方法應用於鎢合金/鋼異種材料結構件的製備中，實現了鎢合金/鋼複合材料的結構功能一體化的近淨成形。本發明創造性地通過匹配鎢合金與鋼的燒結特性，使鎢合金與鋼在同一燒結制度下實現協同固結緻密化。具體是通過添加活性元素(如Al、Sn、Mn等)和採用粉末改性技術(如粉末微納米化)來實現鎢合金的活化燒結，降低其燒結溫度，協調鎢合金和低合金鋼的燒結工藝以實現兩者的共燒結緻密化。本發明通過基體合金粉末成分設計和工藝優化，協調了鎢合金與鋼的粉末冶金共成形共燒結的工藝相容，實現了鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備。

相比現有方法，本發明的優點在於：

(1)本發明提供的粉末冶金方法採用粉末材料作原料，避免了焊接方法需要對鎢合金進行加工和表面處理的技術難題。

(2)與機械連接、膠接、焊接等方法不同，粉末冶金方法有利於促進界面原子擴散反應，有利於異種粉體材料在界面兩側的長程有序擴散和溶滲，有利於獲得結合強度高，界面穩定性好的鎢合金/鋼複合材料。

(3)粉末冶金方法可實現鎢合金/鋼複合材料的近淨成形，生成效率高，材料利用率高，成本低。

附圖說明

附圖1為本發明實施例1製備的鎢合金/鋼複合材料界面結合區域的掃描電鏡照片。

附圖2為本發明的工藝流程圖。

具體實施方式

以下結合實施例旨在進一步說明本發明，而非限制本發明。

實施例1

本實施方式的鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法是按如下步驟進行的：

一、原料粉末製備：將元素金屬粉末W、Ni、Cu、Sn等按照90:6.3:2.7:1的質量比稱重，置於行星式球磨機中進行機械合金化處理，控制轉速為200轉/min、球磨時間為20h，獲得粉末粒度為100nm，燒結溫度為1180℃的90W-Ni-Cu-Sn鎢合金粉末；採用氣霧化技術製備粉末粒度約100μm，燒結溫度為1180℃粉末冶金用鋼粉；

二、共成形：將製備的鎢合金粉和鋼粉疊層置於剛性模具中，在800MPa壓力下壓製成形，獲得直徑為40mm的鎢合金/鋼圓片狀複合成形坯；

三、燒結：將鎢合金/鋼複合成形坯置於氫氣或真空氣氛下進行燒結，首先以10℃/min的升溫速率從室溫升溫至900℃，保溫1h，隨後繼續升溫至1180℃，保溫2h，燒結結束後隨爐冷卻至室溫，即製得鎢合金/鋼複合材料。

本實施方式的鎢合金/鋼複合材料室溫拉伸強度可達600MPa，比常規採用焊接方法製備的鎢/鋼連接件(最大拉伸強度為425MPa)高30％。

本實施方式所得鎢合金/鋼複合材料抗熱疲勞性能好，與常規採用焊接方法製備的鎢/鋼連接件在經受30次從室溫到700℃的冷熱循環即產生微裂紋相比，可經受高達800℃的冷熱循環100次。

通過上述粉末冶金工藝後獲得的鎢合金/鋼複合材料的界面結合狀態微觀組織照片見圖1。

實施例2

本實施方式的鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法是按如下步驟進行的：

一、原料粉末製備：將元素金屬粉末W、Ni、Cu、Sn按照90:6.3:2.7:1的質量比稱重，置於行星式球磨機中進行機械合金化處理，控制轉速為250轉/min，球磨時間為30h，獲得粉末粒度為80nm，燒結溫度為1150℃的90W-Ni-Cu-Sn鎢合金粉末；採用氣霧化技術製備粉末粒度約100μm，燒結溫度為1150℃粉末冶金用鋼粉；

二、共成形：將製備的鎢合金粉和鋼粉疊層置於剛性模具中，在600MPa壓力下壓製成形，獲得直徑為50mm的鎢合金/鋼圓片狀複合成形坯；

三、燒結：將鎢合金/鋼複合成形坯置於氫氣或真空氣氛下進行燒結，首先以20℃/min的升溫速率從室溫升溫至950℃，保溫0.5h，隨後繼續升溫至1150℃，保溫3h，即製得鎢合金/鋼複合材料。

本實施方式的鎢合金/鋼複合材料室溫拉伸強度可達540MPa，比傳統採用焊接方法製備的鎢/鋼連接件(最大拉伸強度為425MPa)高20％。

本實施方式所得鎢合金/鋼複合材料抗熱疲勞性能好，與常規採用焊接方法製備的鎢/鋼連接件在經受30次從室溫到700℃的冷熱循環即產生微裂紋相比，可經受高達700℃的冷熱循環80次。

實施例3

本實施方式的鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法是按如下步驟進行的：

一、原料粉末製備：將元素金屬粉末W、Ni、Cu、Sn按照85:7:7:1的質量比稱重，置於行星式球磨機中進行機械合金化處理，控制轉速為300轉/min，球磨時間為50h，獲得粉末粒度為30nm，燒結溫度為1100℃的85W-Ni-Cu-Sn鎢合金粉末；採用氣霧化技術製備粉末粒度約50μm，燒結溫度為1100℃粉末冶金用鋼粉；

二、共成形：將製備的鎢合金粉和鋼粉疊層置於剛性模具中，在1000MPa壓力下壓製成形，獲得直徑為15mm的鎢合金/鋼圓片狀複合成形坯；

三、燒結：將鎢合金/鋼複合成形坯置於氫氣或真空氣氛下進行燒結，首先以20℃/min的升溫速率從室溫升溫至600℃，保溫2h，隨後繼續升溫至1100℃，保溫1h，即製得鎢合金/鋼複合材料。

本實施方式的鎢合金/鋼複合材料室溫拉伸強度可達515MPa，比傳統採用焊接方法製備的鎢/鋼連接件(最大拉伸強度為425MPa)高17％。

本實施方式所得鎢合金/鋼複合材料抗熱疲勞性能好，與常規採用焊接方法製備的鎢/鋼連接件在經受30次從室溫到700℃的冷熱循環即產生微裂紋相比，可經受高達700℃的冷熱循環60次。

實施例4

本實施方式的鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法是按如下步驟進行的：

一、原料粉末製備：將元素金屬粉末W、Ni、Mn按照85:9:6的質量比稱重，置於行星式球磨機中進行機械合金化處理，控制轉速為200轉/min，球磨時間為20h，獲得粉末粒度為120nm，燒結溫度為1200℃的85W-Ni-Mn鎢合金粉末；採用水霧化技術製備粉末粒度約150μm，燒結溫度為1200℃粉末冶金用鋼粉；

二、共成形：將製備的鎢合金粉和鋼粉疊層置於剛性模具中，在700MPa壓力下壓製成形，獲得直徑為40mm的鎢合金/鋼圓片狀複合成形坯；

三、燒結：將鎢合金/鋼複合成形坯置於氫氣或真空氣氛下進行燒結，首先以20℃/min的升溫速率從室溫升溫至900℃，保溫1h，隨後繼續升溫至1200℃，保溫2h，即製得鎢合金/鋼複合材料。

本實施方式的鎢合金/鋼複合材料室溫拉伸強度可達450MPa，高於常規採用焊接方法製備的鎢/鋼連接件。

本實施方式所得鎢合金/鋼複合材料抗熱疲勞性能好，與常規採用焊接方法製備的鎢/鋼連接件在經受30次從室溫到700℃的冷熱循環即產生微裂紋相比，可經受高達700℃的冷熱循環50次。

實施例5

本實施方式的鎢合金/鋼複合材料的粉末冶金製備方法是按如下步驟進行的：

一、原料粉末製備：將元素金屬粉末W、Ni、Cu、Mn按照85:6:4:5的質量比稱重，置於行星式球磨機中進行機械合金化處理，控制轉速為150轉/min，球磨時間為25h，獲得粉末粒度為160nm，燒結溫度為1300℃的85W-Ni-Cu-Mn鎢合金粉末；採用水霧化技術製備粉末粒度約200μm，燒結溫度為1300℃粉末冶金用鋼粉；

二、共成形：將製備的鎢合金粉和鋼粉疊層置於剛性模具中，在900MPa壓力下壓製成形，獲得直徑為30mm的鎢合金/鋼圓片狀複合成形坯；

三、燒結：將鎢合金/鋼複合成形坯置於氫氣或真空氣氛下進行燒結，首先以20℃/min的升溫速率從室溫升溫至950℃，保溫2h，隨後繼續升溫至1300℃，保溫1.5h，即製得鎢合金/鋼複合材料。

本實施方式的鎢合金/鋼複合材料室溫拉伸強度可達480MPa，高於常規採用焊接方法製備的鎢/鋼連接件。

本實施方式所得鎢合金/鋼複合材料抗熱疲勞性能好，與常規採用焊接方法製備的鎢/鋼連接件在經受30次從室溫到700℃的冷熱循環即產生微裂紋相比，可經受高達750℃的冷熱循環60次。