高性能钨合金制备技术研究现状

黄安平，郑海强，翁 羽

（九江国科远大机电有限公司，江西 九江 332000）

钨金属具有很高的密度、熔点、硬度，而且热导率优良，低热膨胀系数，被广泛应用在各大领域。虽然钨金属具有很多优点，但缺点也比较明显，比如：低温脆性，钨的韧脆转变温度在400℃以上，再结晶脆性，当温度达到1200℃时钨就会发生在结晶脆化，而且钨在高温状态下强度比较低。钨的这些缺点决定了加工难度比较大，需要和其他化合物相互融合，形成钨合金才能提升使用性能，满足多领域对钨使用的要求。基于此，开展高性能钨合金制备技术的分析研究就显得尤为必要。

1 钨合金的种类和应用范围

1.1 钨合金的种类

目前在市面上应用的钨合金种类主要由三种，包括钼钨合金、铌钨合金、硬质合金。

钼钨合金是钼和钨两种元素的合金，此种钨合金能够以任何比例形成，即便从在高温状态下，钼钨合金也呈现完全固溶体合金。

铌钨合金是一种无限固溶体合金，在铌钨合金制备中，钨主要作为铌的有效强化元素，随着钨含量的增加，铌钨合金的塑性脆性转变温度会随之上升，合金结构晶粒也开始增大。因此，在铌钨合金制备中，要想得到高性能、高强度的铌钨合金，就必须严格控制钨的含量，并适当加入细化晶粒，比如：加入适量的锆元素，可有效降低铌钨 合金的塑性脆性转变温度。

硬质合金是一种比较常见的钨合金，和钼钨合金、铌钨合金有较大区别。硬质合金是钨、碳、钴等元素按照一定的比例混合而成，也被称为钨钴合金，主要应用在工业制造领域，比如：数控机床上的切割刀具都是硬质合金刀具，在工业领域硬质合金有个非常响亮的名字就是“工业牙齿”。

1.2 钨合金应用范围

钨合金具有非常优越的使用性能，被广泛应用在各大领域，包括：灯丝业、板材业、高温材料业、军事武器业等随处可见钨合金的身影。因此加大对高性能钨合金制备技术的研究，对很多行业持续发展有非常重要的意义。

2 高性能钨合金制备技术研究

2.1 合金元素研究

在高性能钨合金制备中应用最多的合金元素包括：铁、镍、铜、钴、锰、铪、铼等，常用的化合物三氧化二铁、三氧化二镧、三氧化二钇、碳化锆等。无论钨合金元素，还是钨合金化合物，在钨合金制备中起到机制有基本相同，主要包括以下几个方面：

第一，提升原子键的合力，同时向晶体内部引入相应的晶体缺陷，包括：位错、点缺陷、弥散介质点等，这些缺陷的存在会在一定程度阻碍位错运动，提升钨合金的性能。

第二，能够和钨合金中的氧原子、氮原子、碳原子、硫原子等在一定条件下形成化合物，降低钨合金中夹杂物在晶界中的偏聚，提升钨黏结相的结合性能。

第三，可有效降低钨合金制备所需问题，节约钨合金制备所需的成本和能源。在高性能钨合金制备还需要用到很多活化元素，比如：镍的使用可大幅度降低钨合金制备的烧结温度，避免晶粒持续长大，但如果添加不合理，镍容易和钨发生化学反应，形成四镍化钨。因此，在具体制备中需要加入适量的铁或者铜来降低镍在钨中的溶解度，阻止形成四镍化钨，提升钨合金的性能。合理加入铁可提升钨合金的强度和塑性。

近年来，现代石产业、石文化作为新兴产业和主流文化的兴起，受到各级政府的高度关注，开始制定了相关的政策、措施，石产业、石文化迎来了发展的春天。

2.2 粉末制备研究

在传统钨合金制备时采用的粉末冶金制备，但粉末的质量无法保证，需要较高的烧结温度，而且制备的钨合金晶粒比较大，使用性能无法保证。在科学技术飞速发展的背景下，传统粉末冶金制备技术逐步被淘汰，而是采用钨合金纳米粉末来制备高性能钨合金，不但可以大幅度降低钨合金的烧结温度，降低钨合金制备成本，而且可保证钨合金的密度、强度等都达到使用要求。目前在高效性能钨合金制备中常用的纳米粉末制备方法有机械合金化法、喷雾干燥法、水热发等。

机械合金化法的制备机理为采用一种或者多种金属和磨球之间进行长时间、多次、频繁的碰撞，发生组织断裂，从而获得纳米级别的固溶体合金粉末的方法。但在应用此种方法时，粉末和磨球长时间处于高速运动状态，会导致粉末颗粒快速长大，极易发生粘壁、混入杂质等相关问题，比较适用于工业领域对钨合金杂质含量要求不高的高性能钨合金制备中。

喷雾干燥法是在高性能钨合金制备中将偏钨酸铵和有氧酸按照一定的比例溶于蒸馏水中，并进行充分搅拌，待充分溶解之后对混合液进行雾化处理，雾化处理之后的溶液能够在很短时间就完成蒸发，从而获得金属盐微粒，在经过焙烧和氢还原，就可以得到纳米级钨合金粉末，喷雾干燥法和机械合金化法相比，制备工艺比较简单，而且不易引入杂质，制备出的钨合金性能比较高[1]。

水热法制备钨合金的机理是将配置好的溶液放到反应釜中，然后在高温高压环境中发生一系列化学反应，从而获得纳米粉，相比于前两种方法，水热法中采用温液控制发，制备粉末颗粒比较小，反应条件也比较容易控制，生产过程中对环境造成的污染比较小，是目前制备超细和纳米粉的主要方法。

2.3 粉末压制研究

目前在高性能钨合金制备中，常用的粉末压制方法等静压方式制坯，以保证每个方向都能在均等压力下成形，可按照粉末成形和固结时的温度高低，选择合理的静压方式，常用的静压方式有：冷等静压、温等静压、热等静压三种。这三种方法相比，热等静压具有其他两种静压方式的全部优点，能够在高温、高压的状态下完成粉末压制，不但可以看作是在高压下烧结，也可以看作是在高温下压制。在高温高压下粉末压制时，会促使粒晶之间发生不同程度的位移和相应的塑性变形，从而起到弥合钨合金制备空隙和裂缝的作用，提升钨合金制备的致密度。

2.4 粉末烧结研究

烧结是高性能钨合金制备的关键环节，烧结质量直接决定了钨合金的使用性能，科学合理的烧结工艺，可大幅度提升钨合金的致密度、晶粒大小、组织形貌和偏析情况等。因为对高性能钨合金而言在制备过程中，决定烧结致密性的主要因素包括化学成分、压坯密度、烧结温度、烧结时间等。在钨合金制备中，烧结的驱动力是降低表面能，因此，在粉煤烧结过程中，粉煤越细在具有的表明能越，烧结的驱动力也就越大。钨合金粉末烧结的方法有以下几种，需要结合实际情况，选择可与之相适的烧结方法[2]。

第一种，两步烧结。先在低熔点组元的液相线温度之下进行固相烧结，然后再将温度加热到液相线之上进行液相烧结。此种烧结方法的主要优点是通过固相烧结，可提升钨合金的致密度，以免在液相烧结中溶析出钨颗粒，从而提升粉末烧结后钨合金组织的均匀性。通常在1300℃下，对94W-5.6Ni-1.4Fe 粉末先进行固相烧结60min，然后再在1470℃下进行液相烧结，通过这两步烧结之后，钨合金中钨颗粒尺寸和连接度都可以得到行之有效的控制，制备出的钨合金性能比较高。

第二种，放电等离子烧结，主要是通过直流电和脉冲电促使粉末之间发生电弧放电的方法进行粉末烧结，此种烧结方法的主要优点是升温速度非常快，粉末烧结所用的时间比短，烧结温度较低，可对钨合金组织进行有效开展，而且在烧结过程中不会形成污染物，污染周围的环境，符合绿色、环保的生产要求。在高性能钨合金制备中，采用放电等离子烧结方法，可有效控制钨晶粒的长大，形成细晶强化作用，在1350℃时，钨晶粒最小，平均尺寸不足5μm，可提升钨合金的性能[3]。

第三种，微波烧结，主要机理是利用微波的特殊波段和材料的基本细微结构发生耦合释放的热量，在通过材料的介质损耗，促使粉末能够加热到规定的烧结温度，从而提升钨合金的致密度。此种烧结方法的主要优势是烧结温度比较低，升温速度快，而且烧结加热时粉末受热均匀，也不会产生污染物，但存在烧结孔洞和电磁辐射污染的问题，对操作人员的综合素质，烧结设备的要求比较高。

3 提升钨合金性能的方法

3.1 锻造方法

锻造是提升钨合金性能的主要方法之一，按照锻造方法的不同，可分为两种锻造方式，一种是旋转锻造，另一种是径向锻造，二者相比，旋转锻造设备使用成本比较低，应用范围更广。主要是通过2～4 块旋锻模环绕钨合金坯料进行高速旋转锻造，在旋转过程中，可对坯料进行径向高速脉冲锻打，促使钨合金表面持续收缩，长度持续增加。

在径向锻造过程中，坯料需要围绕着对称分布的锤头进行中心轴旋转，在锤头上施加超过坯料施加抗压强度的径向压力，促使坯料发生均匀的塑像变形，内部颗粒按照要求路劲进行转移，此种锻造方式应用得当，可大幅度提升钨合金的抗拉强度和弹性极限。经过旋转锻造的钨合金，错位密度非常低，可形成高密度错位缠结，其中钨相强化起着主导作用，从强化效果上来看，钨合金表明强化效果远远好于内部的强化效果。比如：钨镧合金经过锻造变形程度达到78.7%之后，其硬度远远大于纯钨，且金相组织更加细致、更加均匀，经过车削之后，钨镧合金表面具有很高的光洁度，性能也比较高[4]。

3.2 挤压方法

在钨合金制备中，为最大限度上提升钨合金的性能，还要对其进行挤压出来，常用的挤压方法有两种，一种是静液挤压，另一种是热挤压。二者相比，静液挤压主要应用在变现难度较大的钨合金后处理中，而且还能有效改善钨合金的毛坯尺寸，改善钨合金的纤维组织和韧性，可实现钨合金三向受力挤压，促使钨合金内部存在的缺陷不断愈合，从而达到钨合金形变强化的效果。和锻造处理方法相比，静液挤压处理法的主要优点是可大幅度提升变形能力，每次挤压都能获得60%～80%的变形量，这一点是锻造法难以比拟的，可提升钨合金配备的合格率，而且变形均匀性比较好，可提升钨合金的强度性能[5]。

热挤压是从冷挤压基础上发展来的钨合金处理技术，和冷挤压相比，热挤压只需要较小的挤压力，就能获得良好的变形效果，可降低钨合金挤压时间，而且获得的金相组织更加均匀，延长模具使用寿命也必将长，但需要较高的温度加持，处理成本略大于冷挤压。

3.3 轧制方法

轧制也是钨合金处理中比较常用的方法，按照轧制方法的不同，分为冷轧制和热轧制两种，通常情况下，当钨合金通过多次轧制处理和退火处理之后，就可以得当所需的高性能钨合金板材，主要应用在板材业。当钨合金经过轧制后，会获得较大的变形量，在钨相和黏结相中就可以形成大量错位，从而提升钨合金的硬度、脆性，但会给后续加工制造增大难度[6]。为解决这一问题，需要经过一定的退火处理来改善钨合金的塑性。比如：20%冷轧制的变形量，就可以促使钨合金的抗拉强度从烧结状态的900MPa，增大到1270MPa，但伸长率会有所降低，从7.6%下降到4.0%，因此，在具体使用时，需要结合实际使用情况，控制轧制量，提升钨合金的使用性能。

综上所述，本文结合理论实践，研究了高性能钨合金制备技术现状，研究结果表明，钨合金具有非常广泛的应用范围，在很多领域都有良好应用。钨合金制备技术经过多年的发展，愈发先进，可有效提升钨合金的制备性能。当钨合金制备完成之后，为获得更高性能的钨合金，使用使用效果，还要相应的处理技术，来改善钨合金的组织性能，以满足实际需求，促使钨合金制备事业稳健发展。