【摘 要】
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高密度钨合金具有密度高、抗拉强度高、导电导热性好、延性好、低的氘滞留等优异物理力学性能,被广泛应用于陀螺仪转子、子弹、电接触材料、压铸模具、等离子材料等领域。随着军工、航天、电子、核工业等领域的飞速发展,对于钨合金多元组分设计、制备工艺优化、微量元素添加、晶粒细化、性能强韧化等方面的研究进步迅速。为研究掺杂稀土氧化物、粘结剂类型和烧结工艺对钨合金组织演变及力学性能的影响,本文从W-5Ni-3Cu三
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高密度钨合金具有密度高、抗拉强度高、导电导热性好、延性好、低的氘滞留等优异物理力学性能,被广泛应用于陀螺仪转子、子弹、电接触材料、压铸模具、等离子材料等领域。随着军工、航天、电子、核工业等领域的飞速发展,对于钨合金多元组分设计、制备工艺优化、微量元素添加、晶粒细化、性能强韧化等方面的研究进步迅速。为研究掺杂稀土氧化物、粘结剂类型和烧结工艺对钨合金组织演变及力学性能的影响,本文从W-5Ni-3Cu三元合金的微量CeO2掺杂、90W-6Ni-4Co三元合金的两步烧结工艺优化、Ni3Al粘结剂两步烧结W-Ni3Al合金、Ni3Al替代Ni制备90W-6Ni3Al-4Co三元合金和不同Ni3Al/Co的W-Ni3Al-Co三元合金等方面进行研究。通过揭示CeO2、Ni3Al和两步烧结对钨合金晶粒长大、相分布、致密化等组织演化的作用机理,阐明钨合金组织对其性能的影响机制,构建组分、工艺、结构和性能的一体关系。首先采用两步烧结技术,以CeO2粉为添加剂,制备了W-5Ni-3Cu系合金。通过对比研究表明,添加CeO2的W-5Ni-3Cu合金相对密度低于未添加合金;W相形状由不规则多边形转变为椭圆形,其平均晶粒尺寸先减小后增加,其中W-5Ni-3Cu-0.4CeO2合金的晶粒尺寸最小,产生界面强化效应,使W-5Ni-3Cu-0.4CeO2合金的综合性能较优;W-5Ni-3Cu系合金的主要断裂类型为W/粘结相界面断裂。基于两步烧结技术的研究基础,用高能球磨得到90W-6Ni-4Co混合粉末,然后用固相烧结和两步烧结技术制备了90W-6Ni-4Co合金。研究表明,在球磨前期,粉末被磨球冲击为薄片并聚集,使90W-6Ni-4Co混合粉末平均粒度增大;球磨后期,粉末加工硬化、断裂,使其平均粒度减小;在固相烧结和两步烧结的过程中,W相形状由条状转变为多边形,最后变为近似球状,两步烧结方法有效抑制了W相长大,显著细化了90W-6Ni-4Co合金组织;合金的力学性能由致密化、晶粒细化和W相与粘结相排布方式共同决定;在保温时间为5 min的两步烧结条件下,90W-6Ni-4Co合金的综合力学性能最佳。为进一步探究Ni3Al粘结相对W-Ni3Al合金组织和性能的影响,采用高能球磨和两步烧结技术制备不同Ni3Al含量的W-Ni3Al合金。发现在球磨和干燥过程中,Ni3Al与空气中的氧发生氧化反应生成α-Al2O3相,并且其含量随着Ni3Al含量的增加而增加,有效抑制W相长大,使组织细化;α-Al2O3相的细化、界面强化和致密化效应对W-Ni3Al合金的力学性能有明显促进作用,但是由于α-Al2O3相排布的不均匀性导致W-Ni3Al合金力学性能较90W-6Ni-4Co合金低得多。针对W-Ni3Al合金的力学性能降低问题,通过Ni3Al部分替代Ni为粘结剂,采用两步烧结制备90W-6Ni3Al-4Co合金。合金在烧结过程中主要发生Ni3Al-Co三元系统的合金化,生成（Ni,Co）3Al4和Co2Al9相,Ni3Al可降低合金相的反应温度;随着烧结温度的提高,合金的平均晶粒尺寸增大,组织致密;合金力学性能与合金组织的致密化密切相关,合金在1500℃,20 min的烧结条件下性能最优;合金弯曲断裂方式主要包括粘结相断裂、沿W相界面断裂和W/粘结相界面断裂,压缩断口包括韧性断口和脆性断口。为进一步调控Ni3Al粘结相钨基合金的组织和性能,采用两步烧结制备不同Ni3Al/Co的W-Ni3Al-Co合金。研究发现,随着Ni3Al/Co的增加,富W相呈网状结构,细化程度提高。采用EBSD技术研究了W-7Ni3Al-3Co合金的压缩变形行为。结果表明,粘结相中的孪晶通过孪晶-位错的相互作用阻碍粘结相和W/粘结相界面的应力集中。W网状结构呈均匀的整体变形,在变形过程中限制晶界滑动,阻止了裂纹的扩展和合并。粘结相中的孪晶和W网状结构都是提高W-Ni3Al-Co合金压缩性能的重要因素。
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