一種複合強化鉬合金材料及其製備方法
2023-05-01 17:50:11
專利名稱：一種複合強化鉬合金材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及鉬合金材料及其製備方法，特別涉及一種複合強化鉬合金材料及其制 備方法。
背景技術：
鉬是一種珍貴的稀有高熔點金屬，是重要的戰略性物資。鉬金屬具有高熔點 (26200C )、高彈性模量(320GPa 350GPa)，高耐磨性，良好的導電導熱性能，低膨脹係數 (5. 03X10-6/K)，以及良好的耐酸鹼及耐液體金屬的腐蝕等性能，而且地球儲量較豐富。但 鉬金屬材料具有體心立方金屬所固有的韌脆轉變和低溫脆性的本徵特性，使得純鉬材料的 塑性在室溫下就降低到了脆性範疇，這種脆性是純鉬材料深加工困難以及加工產品質量不 過關的本質原因。除此之外，純鉬材料強度上的不足也是純鉬材料應用領域受限的重要原 因之一。因此，鉬金屬材料的強韌化是改善深加工性能的根本措施和手段。稀土氧化物彌散強化的鉬合金可以明顯提高鉬基體的強度和韌性，提高其再結晶 溫度，降低其韌脆轉變溫度。其製備工藝的研究已趨於成熟，有些已投入工業化生產，並得 到了廣泛的推廣和應用。鉬合金的其它強化方式，如固溶強化，碳化物強化，氣泡強化等， 儘管沒有稀土氧化物彌散強化的應用範圍廣，但也都在一定程度上改善了鉬合金的力學性 能，在生產上得到了應用。但是，目前隨著航空航天等技術的飛速發展，各種器件形狀更復 雜，加工精度更高，這對鉬合金的加工性能提出了新的要求，要求鉬合金要有更高的強度和 延展性。毫無疑問，單一強化方式強化的鉬合金將難於滿足這些要求。因此，為進一步提高 鉬合金材料的力學性能，研究開發新型鉬合金材料成為關鍵，而在稀土氧化物彌散強化的 鉬合金的基礎上再結合其它強化方式的複合強化鉬合金成為新型鉬合金的研究開發的主 要方向。根據Mo-Si 二元合金相圖，矽可在鉬中少量固溶，形成鉬的固溶體，過飽和固溶後 剩餘的矽將和鉬反應生成金屬間化合物相(Mo3Si)，而該金屬間化合物相具有高硬度，同時 由於是原位反應生成的，因此在鉬基體上分布均勻，尺寸細小，也具有比稀土氧化物更好的 彌散強化的效果，基於此，本發明提出了一種彌散強化和固溶強化相結合的複合強化鉬合 金材料及其製備方法，以獲得具有更高強度的新型鉬合金材料及製備技術。
發明內容
本發明的目的在於提供一種複合強化鉬合金材料及其製備方法，本發明所提出的 複合強化鉬合金，選擇了稀土氧化物作為主要彌散強化相，同時選擇了通過添加矽來起到 固溶和彌散的雙重強化效果。本發明的技術方案是這樣實現的本發明材料由鉬、矽及稀土氧化物組成，其中稀土氧化物為氧化鑭La2O3、氧化鈰 CeO2中的一種或兩種，稀土氧化物的質量百分數範圍為0. 3-1. 2%，矽的質量百分數範圍為
30. 1-0.6%，其餘為鉬。複合強化鉬合金材料的製備方法，其步驟如下首先分別稱取質量百分數範圍為0.3-1. 2%的稀土氧化物粉、質量百分數範圍 為0. 1-0. 6%矽粉，以及質量百分數範圍為98. 2-99. 6%的鉬粉，各粉末的純度均需大 於99. 9 %，將混合後的鉬合金粉進行球磨和過篩處理，要求粉末粒度小於80 μ m,然後將 鉬合金粉體在160-200MPa下進行冷等靜壓壓製成型，保壓時間為10-20min，成型後的坯 料在馬弗爐中進行預燒結，燒結溫度為1050-1250°C，燒結時間為0. 5-1.5小時，之後在 1750-1900°C的真空中頻感應燒結爐中燒結，燒結時間8-16小時； 將燒結後的坯料進行壓力加工使之總變形量大於75 %，變形後進行去應力退火處 理，退火溫度1050-1350°C，退火保溫時間0. 5-1. 5小時，即得到複合強化鉬合金。所述的稀土氧化物粉為氧化鑭La2O3、氧化鈰CeO2中的一種或兩種。該材料的晶粒組織非常細小，平均晶粒尺寸為1. 5-4. 5 μ m0該材料具有高強度、高硬度。室溫下和純鉬材料相比，強度提高10-25 %，硬度提高 10-30%。本發明解決的技術關鍵在於選擇適量的矽及稀土氧化物添加到鉬合金中，並在制 備過程中保證矽固溶到鉬基體中並與鉬反應生成鉬和矽的化合物，以避免矽的氧化導致材 料性能惡化。同時控制鉬合金粉體的粒度大小，使得所製備的鉬合金晶粒細小而尺寸均勻， 具有很好的細晶強化效果，此外還由於存在矽的固溶強化效果及稀土氧化物的彌散強化效 果，從而保證了所得到的材料具有高強度和硬度的同時還具有較高的延展性。與鎢、錸等元素不同，矽在鉬中不能無限互溶，僅能有限而且是微量的固溶，固溶 後剩餘的矽可以和鉬發生化學反應生成金屬間化合物相(Mo3Si)，Mo3Si具有高硬度，同時 由於是在鉬基體上原位反應生成的，因此該相在鉬基體上分布均勻，尺寸細小，具有彌散強 化的效果。此外，無論是添加稀土氧化物，還是由於矽的固溶過程，以及Mo3Si相得生成，都 會作為質點阻礙鉬基體晶界的遷移，進而阻礙晶粒的長大，起到細化晶粒的效果。這樣，本 發明所提出的鉬合金具有了明顯的細晶強化、固溶強化和彌散強化的綜合強化效果，因此 具有比純鉬以及單一強化鉬合金更優良的性能。此外，本發明提出的新型鉬合金在製備過 程中，需要防止矽的氧化，例如需要以鉬粉為原料，而不能採用鉬的氧化物為原材料，只有 這樣才能避免鉬的氧化物的還原過程中導致的矽的氧化，而一旦矽發生了氧化，就會生成 二氧化矽，二氧化矽在氫氣氣氛中並不能在被還原成矽，因此不會對鉬具有固溶強化和彌 散強化的作用。綜上所述，本發明的優點和積極效果體現在(1)本發明所提出的材料具備了細晶強化、固溶強化和彌散強化的複合強化效果， 因此所製備鉬合金具有更高的強度。(2)採用本發明技術所製備的矽和稀土氧化物複合鉬合金材料的晶粒組織細小， 平均晶粒尺寸為1. 5-4. 5 μ m。(3)本發明所製備的複合強化鉬合金具有優良的力學性能，其抗拉強度可達 650-800MPa,斷裂延伸率可達20-35%。(4)本發明提出複合強化鉬合金製備方法，所用設備少，工藝簡捷，工藝流程短，產 量大，容易實現產業化生產。
具體實施例方式實施例一分別稱取1992克鉬粉、2克矽粉(矽質量百分數為0. )以及6克氧化鑭粉末 (氧化鑭質量百分數為0. 3% )，進行機械混合，混合後的粉末進行球磨使之通過200目篩 子，球磨工藝為粉料球體=3 2(質量)，時間為lh。過篩後的粉料在190MPa下進行冷 等靜壓壓製成厚度為IOmm的板坯，保壓時間為20min，成型後的坯料在馬弗爐中進行預燒 結，燒結溫度為1200°C，燒結時間為1小時，之後在1750°C的真空中頻感應燒結爐中燒結， 燒結時間10小時。將燒結後的板坯軋製成厚度2. 5mm的鉬板(變形量75% )，將軋制後鉬 板進行去應力退火處理，退火溫度1250°C，退火保溫時間1小時，即得到複合強化鉬合金 板材。所製備鉬合金板材的平均晶粒尺寸為4.2 μ m。按照國家標準GB 228-87對所得到的 鉬合金板材進行加工和室溫拉伸實驗測試，實驗結果表明材料的抗拉強度為655. 78MPa,屈 服強度為620.42MPa，斷裂延伸率為27.0%。採用載荷為100g，保壓10s，測定的平均維氏 硬度值為245. 30。(純鉬的抗拉強度為598. 75MPa,屈服強度為547. 36MPa,斷裂延伸率為 22. 3%，平均維氏硬度值為191. 39)。實施例二 分別稱取1988克鉬粉、6克矽粉(矽質量百分數為0. 3% )以及6克氧化鑭粉末 (氧化鑭質量百分數為0. 3% )，進行機械混合，混合後的粉末進行球磨使之通過200目篩 子，球磨工藝為粉料球體=3 2(質量)，時間為lh。過篩後的粉料在190MPa下進行冷 等靜壓壓製成厚度為IOmm的板坯，保壓時間為15min，成型後的坯料在馬弗爐中進行預燒 結，燒結溫度為1250°C，燒結時間為1小時，之後在1800°C的真空中頻感應燒結爐中燒結， 燒結時間12小時。將燒結後的板坯軋製成厚度2. 5mm的鉬板(變形量75% )，將軋制後鉬 板進行去應力退火處理，退火溫度1250°C，退火保溫時間1小時，即得到複合強化鉬合金 板材。所製備鉬合金板材的平均晶粒尺寸為3.3 μ m。按照國家標準GB 228-87對所得到的 鉬合金板材進行加工和室溫拉伸實驗測試，實驗結果表明材料的抗拉強度為768. 15MPa，屈 服強度為682. 18MPa，斷裂延伸率為25.6%。採用載荷為100g，保壓10s，測定的平均維氏 硬度值為280. 98。實施例三分別稱取1982克鉬粉、12克矽粉(矽質量百分數為0. 6 % )以及6克氧化鑭粉 末(氧化鑭質量百分數為0.3%)，進行機械混合，混合後的粉末進行球磨使之通過200目 篩子，球磨工藝為粉料球體=3 2(質量)，時間為1.5h。過篩後的粉料在195MPa下 進行冷等靜壓壓製成厚度為IOmm的板坯，保壓時間為20min，成型後的坯料在馬弗爐中進 行預燒結，燒結溫度為1250°C，燒結時間為0. 5小時，之後在1820°C的真空中頻感應燒結爐 中燒結，燒結時間15小時。將燒結後的板坯軋製成厚度2. 5mm的鉬板(變形量75%)，將 軋制後鉬板進行去應力退火處理，退火溫度1150°C，退火保溫時間1.5小時，即得到複合 強化鉬合金板材。所製備鉬合金板材的平均晶粒尺寸為3.1 μ m。按照國家標準GB 228-87 對所得到的鉬合金板材進行加工和室溫拉伸實驗測試，實驗結果表明材料的抗拉強度為 702. 24MPa，屈服強度為635. 79MPa，斷裂延伸率為31. 3%。採用載荷為100g，保壓10s，測 定的平均維氏硬度值為274. 76。
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實施例四分別稱取3978克鉬粉、8克矽粉(矽質量百分數為0. 2% )以及24克氧化鑭粉 末(氧化鑭質量百分數為0.6%)，進行機械混合，混合後的粉末進行球磨使之通過200目 篩子，球磨工藝為粉料球體=3 2(質量)，時間為1.5h。過篩後的粉料在195MPa下 進行冷等靜壓壓製成厚度為20mm的板坯，保壓時間為20min，成型後的坯料在馬弗爐中進 行預燒結，燒結溫度為1200°C，燒結時間為1. 0小時，之後在1800°C的真空中頻感應燒結爐 中燒結，燒結時間16小時。將燒結後的板坯軋製成厚度3. Omm的鉬板(變形量85%)，將 軋制後鉬板進行去應力退火處理，退火溫度1200°C，退火保溫時間1. 5小時，即得到複合 強化鉬合金板材。所製備鉬合金板材的平均晶粒尺寸為3.0 μ m。按照國家標準GB 228-87 對所得到的鉬合金板材進行加工和室溫拉伸實驗測試，實驗結果表明材料的抗拉強度為 726. 31MPa，屈服強度為652. 70MPa，斷裂延伸率為29.6%。採用載荷為100g，保壓10s，測 定的平均維氏硬度值為290. 27。實施例五分別稱取3944克鉬粉、16克矽粉(矽質量百分數為0. 4% )以及20克氧化鑭粉 末和20克氧化鈰粉末(氧化物質量百分數為1. 0% )，進行機械混合，混合後的粉末進行球 磨使之通過200目篩子，球磨工藝為粉料球體=3 2(質量)，時間為2h。過篩後的粉 料在195MPa下進行冷等靜壓壓製成厚度為20mm的板坯，保壓時間為20min，成型後的坯料 在馬弗爐中進行預燒結，燒結溫度為1250°C，燒結時間為1. 0小時，之後在1850°C的真空中 頻感應燒結爐中燒結，燒結時間16小時。將燒結後的板坯軋製成厚度3. Omm的鉬板(變形 量85% )，將軋制後鉬板進行去應力退火處理，退火溫度1250°C，退火保溫時間1.0小時， 即得到複合強化鉬合金板材。所製備鉬合金板材的平均晶粒尺寸為2.8 μ m。按照國家標 準GB 228-87對所得到的鉬合金板材進行加工和室溫拉伸實驗測試，實驗結果表明材料的 抗拉強度為732. 13MPa，屈服強度為663. 06MPa，斷裂延伸率為27. 4%。採用載荷為IOOg, 保壓10s，測定的平均維氏硬度值為295. 15。實施例六分別稱取3932克鉬粉、20克矽粉(矽質量百分數為0. 5% )以及48克氧化鑭粉 末(氧化鑭質量百分數為1.2% )，進行機械混合，混合後的粉末進行球磨使之通過200目 篩子，球磨工藝為粉料球體=3 2(質量)，時間為31!。過篩後的粉料在200MPa下進 行冷等靜壓壓製成直徑為50mm的棒坯，保壓時間為20min，成型後的坯料在馬弗爐中進行 預燒結，燒結溫度為1250°C，燒結時間為1. 5小時，之後在1900°C的真空中頻感應燒結爐中 燒結，燒結時間15小時。將燒結後的棒坯軋製成直徑為7. 5mm的鉬棒(變形量97. 8% )，將 軋制後鉬板進行去應力退火處理，退火溫度1250°C，退火保溫時間1. 5小時，即得到複合 強化鉬合金棒材。所製備鉬合金棒材的平均晶粒尺寸為2.5 μ m。按照國家標準GB 228-87 對所得到的鉬合金棒材進行加工和室溫拉伸實驗測試，實驗結果表明材料的抗拉強度為 772.09MPa，屈服強度為689. 21MPa，斷裂延伸率為34. 7%。採用載荷為100g，保壓10s，測 定的平均維氏硬度值為309. 72。實施例七分別稱取3932克鉬粉、20克矽粉(矽質量百分數為0. 5% )以及24克氧化鑭粉 末和24克氧化鈰粉末(氧化物質量百分數為1.2%)，進行機械混合，混合後的粉末進行球磨使之通過200目篩子，球磨工藝為粉料球體=3 2(質量)，時間為3h。過篩後的粉 料在200MPa下進行冷等靜壓壓製成直徑為50mm的棒坯，保壓時間為20min，成型後的坯料 在馬弗爐中進行預燒結，燒結溫度為1250°C，燒結時間為1. 5小時，之後在1900°C的真空中 頻感應燒結爐中燒結，燒結時間16小時。將燒結後的棒坯軋製成直徑為7. 5mm的鉬棒(變 形量97. 8% )，將軋制後鉬板進行去應力退火處理，退火溫度1250°C，退火保溫時間1. 5小 時，即得到複合強化鉬合金棒材。所製備鉬合金棒材的平均晶粒尺寸為2.4 μ m。按照國家 標準GB 228-87對所得到的鉬合金棒材進行加工和室溫拉伸實驗測試，實驗結果表明材料 的抗拉強度為793. 20MPa,屈服強度為697. 12MPa,斷裂延伸率為32. 5%。採用載荷為100g， 保壓10s，測定的平均維氏硬度值為313. 20。
權利要求
一種複合強化鉬合金材料，其特徵在於由鉬、矽及稀土氧化物組成，其中稀土氧化物為氧化鑭La2O3、氧化鈰CeO2中的一種或兩種，稀土氧化物的質量百分數範圍為0.3 1.2％，矽的質量百分數範圍為0.1 0.6％，其餘為鉬。
2.一種如權利要求1所述的複合強化鉬合金材料的製備方法，其特徵在於，其步驟如下首先分別稱取質量百分數範圍為0. 3-1. 2%的稀土氧化物粉、質量百分數範圍為 0. 1-0. 6%矽粉，以及質量百分數範圍為98. 2-99. 6%的鉬粉，各粉末的純度均需大於 99.9%,將混合後的鉬合金粉進行球磨和過篩處理，要求粉末粒度小於80 μ m,然後將鉬 合金粉體在160-200MPa下進行冷等靜壓壓製成型，保壓時間為10-20min，成型後的坯 料在馬弗爐中進行預燒結，燒結溫度為1050-1250°C，燒結時間為0. 5-1. 5小時，之後在 1750-1900°C的真空中頻感應燒結爐中燒結，燒結時間8-16小時；將燒結後的坯料進行壓力加工使之總變形量大於75%，變形後進行去應力退火處理， 退火溫度1050-1350°C，退火保溫時間0. 5-1. 5小時，即得到複合強化鉬合金。
3.根據權利要求2所述的複合強化鉬合金材料的製備方法，其特徵在於，所述的稀土 氧化物粉為氧化鑭La2O3、氧化鈰CeO2中的一種或兩種。
全文摘要
本發明公開了一種複合強化鉬合金材料及其製備方法，以鉬粉、矽粉和稀土氧化物粉為原料，其中矽的質量百分數範圍為0.1-0.6％，稀土氧化物的質量百分數範圍為0.3-1.2％，原料混合後經過球磨、過篩處理後，在160-200MPa下冷等靜壓壓製成型，保壓時間為10-20min，成型後的坯料在馬弗爐中進行預燒結，燒結溫度為1050-1250℃，在真空中頻感應燒結爐中燒結，進行去應力退火處理，即可採用常規機加工方法製備滿鉬合金材料。本發明所製備的複合強化鉬合金，具有細小的晶粒尺寸，同時由於存在微量矽固溶強化及鉬矽化合物與稀土氧化物彌散強化的綜合效果，具有高的強度、硬度和塑性延伸率，具有廣泛的用途。
文檔編號C22C27/04GK101948976SQ201010286528
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月19日 優先權日2010年9月19日
發明者劉剛, 孫軍, 孫院軍, 張國君, 江峰, 趙義 申請人:西安交通大學