專利名稱：一種制備強化鉭及鉭合金材料的方法
技術領域：
一種制備強化鉭及鉭合金材料的方法，涉及高強鉭及鉭合金材料的制備方法，特別是鉭及鉭合金材料的顯微組織結構強化方法。
背景技術：
金屬的強化有許多方式，如固溶強化、沉淀強化、彌散強化、加工硬化、細晶強化以及顆粒強化、纖維強化、晶須強化和層狀強化等。除了細晶強化以外，其它幾種強化方式的機制主要是利用溶質(zhì)原子和孤立存在于基體之中的第二相(沉淀相、彌散相、外加顆粒、纖維、晶須等)來阻止位錯的運動，以提高金屬的變形抗力。細晶強化則是利用多晶體中的晶界強度在室溫下高于晶內(nèi)強度的特性，通過增加晶界的數(shù)量來進行強化。加工硬化是利用金屬中位錯密度的增加造成晶體點陣的畸變和位錯的相互纏結來阻止位錯的運動，使金屬強化。
對于鉭及鉭合金，主要強化方法是固溶強化和析出強化，其它還有利用片晶和纖維強化的。但目前用途最大、用量最廣的仍是鎢固溶強化的鉭鎢系列合金。超細晶強化是當前金屬強韌化研究的一個熱點。但鉭及鉭合金變形抗力大，大多數(shù)情況下都采用熱加工，晶粒很難細化，目前的研究還沒看到明顯的晶粒超細化效果。并且鉭常常用于高溫結構，超細晶強化不適合高溫的工作環(huán)境。
氧在鉭中具有固溶強化的作用，可使鉭的硬度增加1～3倍，但卻大大降低鉭的塑性。一般情況下，鉭中固溶的氧作為損害塑韌性的有害元素，要盡量減少去除。從鉭中去除固溶氧需要2000℃以上的高溫和高真空長時間擴散，而在2000℃以下，氧在鉭中具有較低的擴散速率，很難去除。因此，目前在鉭及鉭合金的加工制備過程中盡力避免氧元素的污染。
鉭及鉭合金結構材料多采用真空熔煉法制備，固溶型鉭合金主要依賴于溶質(zhì)元素的固溶強化，如TaW合金，強度隨著鎢含量的增加而提高，鎢含量為12％時，強度650MPa左右，鎢含量15％時，最高可達750MPa。但鎢含量的增加使合金的加工難度加大，故目前合金中鎢的含量限制在12％以下。在鉭鎢合金的基礎上加入了鉿、碳等元素多元鉭合金，雖然抗高溫蠕變能力有所提高，但其強度也僅能達到800MPa左右，且加工難度進一步加大。
采用粉末冶金燒結法制備鉭及鉭合金時，粉末表面會吸附較多的氧，高溫燒結時氧擴散固溶，造成材料整體含氧量增高，雖然強度提高，但塑性急劇下降。如用粉末冶金燒結法制備的Ta-7.5W合金，經(jīng)壓力加工成絲材和板材后，雖然強度可以達到1170MPa的較高水平，但其延伸率卻大大受損，僅及熔煉合金的六分之一左右。而使用低氧含量的預合金化Ta-10W合金粉末，經(jīng)熱等靜壓制備的致密材料，其強度則與熔煉合金的相當。因此，目前還沒有更合適的方法進一步提高鉭及鉭合金的強度。而強度的低下使人們不得不增加材料的用量，這就造成了鉭合金應用范圍受到很大限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上術已有技術存在的不足，提供一種制備延伸率好、強度高鉭及鉭合金材料的方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的。
一種制備強化鉭及鉭合金材料的方法，其特征在于將鉭及鉭合金粉末在低氧分壓條件下，進行表面增氧處理，使粉末表面形成具有硬質(zhì)封閉薄殼結構的氧的固溶體或低價鉭氧化合物；再將處理后的鉭粉進行熱等靜壓固化，獲得致密的塊體材料；最后進行真空熱處理，調(diào)整材料的力學性能。
本發(fā)明的一種鉭及鉭合金材料的強化方法，其特征在于制備強化鉭及鉭合金材料的鉭及鉭合金粉末是采用電子束真空熔煉法制備的低雜質(zhì)含量純凈化的鉭或鉭合金鑄錠，用氫化脫氫法制成的粉末。
本發(fā)明的一種鉭及鉭合金材料的強化方法，其特征在于制備過程中是將鉭及鉭合金粉末在氧分壓為10-1Pa～103Pa、溫度為300℃～800℃條件下進行表面增氧處理的，處理時間為2～12h。
本發(fā)明的一種鉭及鉭合金材料的強化方法，其特征在于制備過程是將預處理過的鉭粉末封裝入包套中，在溫度1300℃～1500℃、壓力150MPa～200MPa下進行熱等靜壓固化，獲得致密的塊體材料的。
本發(fā)明的一種鉭及鉭合金材料的強化方法，其特征在于制備過程是將獲得的致密的塊體材料去除包套后，在1800℃～2400℃的高溫度下，進行1～4小時真空熱處理，調(diào)整材料力學性能的。
本發(fā)明的方法，在傳統(tǒng)材料的基礎上，通過改變材料組織中的強化相結構來進一步提高鉭及鉭合金的強度，充分挖掘材料的潛力。與傳統(tǒng)的分離硬質(zhì)相(析出或彌散第二相、顆粒、纖維等)強化方式不同，強化相是各向同性且空間連續(xù)的；亦與超細晶強化不同，不是依賴晶界數(shù)量的增多，而是以提高晶界強度為基本出發(fā)點。提高晶界強度所依據(jù)的是，間隙元素氧在鉭中固溶或生成化合物會使鉭產(chǎn)生硬化效應，從而提高強度。通過粉末的表面預處理和隨后的熱等靜壓固結，使塊體材料內(nèi)產(chǎn)生一種宏觀各向同性的由連續(xù)胞狀硬質(zhì)薄殼空間網(wǎng)絡構成的強化相，強化相的單胞為果核結構，連續(xù)而封閉，單胞內(nèi)部為高韌性的基體金屬。由微區(qū)封閉的硬質(zhì)薄殼結構對材料進行強化，薄殼內(nèi)封閉的高韌性基體金屬進行材料的韌化。硬質(zhì)薄殼相由間隙元素氧通過鉭或鉭合金粉末的預處理固溶于顆粒表面層，或形成低價的鉭氧化合物層。預處理過的粉末在比傳統(tǒng)高溫燒結溫度低得多的溫度下熱等靜壓致密化，使具有硬化層的粉末顆粒通過冶金結合連接，在塊體材料中形成各向同性且連續(xù)分布的胞狀硬質(zhì)薄殼空間網(wǎng)絡。由于熱等靜壓的溫度較低，氧在晶粒內(nèi)很難擴散均勻化，氧含量和材料硬度仍是邊界層高而中心部低，因此材料得以強化。對這種塊體材料再進行更高溫度的退火熱處理，氧會逐漸由邊界層向中心部擴散，材料性能隨之改變。所以，通過高溫熱處理可以較大幅度地調(diào)控材料的力學性能，使材料的力學性能范圍擴展。
使用氫化脫氫的鉭或鉭合金粉末，在溫度為300℃～800℃、氧分壓為10-1Pa～103Pa的條件下進行熱處理，使粉末表面層形成氧固溶于鉭的固溶體或氧與鉭形成的低價鉭氧化物。通過改變增氧處理的溫度和氧分壓來控制含氧硬質(zhì)層的厚度和氧含量。
將具有表面硬質(zhì)薄殼結構的鉭或鉭合金粉末使用純鉭容器密封封裝，在溫度1300℃～1500℃、壓制壓力150MPa～200MPa條件下，熱等靜壓固結成致密塊體材料。材料內(nèi)部的組織結構由類似于果核結構的封閉硬質(zhì)薄殼單胞集合體構成，硬質(zhì)薄殼構成了材料的晶界，晶內(nèi)為韌性的基體金屬，無數(shù)的硬質(zhì)薄殼單胞的集合體構成連續(xù)的各向同性硬質(zhì)薄殼空間網(wǎng)絡，由這種硬質(zhì)薄殼空間網(wǎng)絡作為材料的主要強化元素。
以連續(xù)硬質(zhì)薄殼空間網(wǎng)絡作為強化相的鉭或鉭合金塊體材料，通過1800～2400℃不同溫度的高溫真空熱處理，可以進行材料強度和塑性的大范圍調(diào)控，使材料強度由熔煉合金的水平直到熔煉合金的兩倍左右。并且，這種結構的鉭合金材料在高溫熱處理后晶粒不長大，仍然保持熱等靜壓后的組織結構。
本發(fā)明的方法，克服了傳統(tǒng)的金屬強化多采用被基體金屬隔開的分離要素進行強化，各強化要素間相關性??；超細晶強化則靠晶界數(shù)量的增多進行強化，不能用于高溫結構的缺點。以連續(xù)胞狀硬殼空間網(wǎng)絡結構為強化要素，以硬殼包圍的基體金屬為韌化要素，主要強化結構為硬質(zhì)空間薄殼網(wǎng)絡。對鉭或鉭合金粉末進行表面增氧處理，得到外硬內(nèi)韌的金屬粉末，再將粉末熱等靜壓固結，獲得連續(xù)胞狀硬殼空間網(wǎng)絡強化的致密塊體材料，通過更高溫度熱處理，調(diào)整其力學性能。這種結構的鉭及鉭合金材料在2200℃高溫下無晶粒長大現(xiàn)象，可用于高溫結構。
具體實施例方式
首先采用電子束真空熔煉法制備低雜質(zhì)含量純凈化的鉭或鉭合金鑄錠，用氫化脫氫法制成粉末，再將此粉末在較低的氧分壓下(10-1Pa～103Pa)加熱到300℃～800℃之間進行多次表面增氧處理，使粉末表面形成氧的固溶體或低價鉭氧化合物；再將預處理過的鉭粉末封裝入包套中，在溫度1300℃～1500℃、壓力150MPa～200MPa下進行熱等靜壓固化，獲得致密的塊體材料；去除包套后，在更高溫度下(1800℃～2400℃)進行真空熱處理，調(diào)整材料的力學性能。
實施例1使用成分為Ta-9.2W-0.5Hf的鉭合金燒結條，經(jīng)電子束真空熔煉成合金鑄錠，進行氫化-破碎-脫氫處理，篩分后得到100目～300目的粉末，在300℃～800℃進行多次低氧分壓增氧處理，獲得表面硬化的鉭合金粉末顆粒，粉末總氧含量由鑄錠的0.02％增加到0.15％。將此粉末先冷等靜壓成型，壓坯相對密度65％。再將冷等靜壓壓坯裝入鉭包套中，封焊后進行熱等靜壓處理，熱等靜壓壓力200MPa，溫度1300℃，保持4小時，得到相對密度98.8％的塊體材料。材料的室溫力學性能為抗拉強度1303MPa，屈服強度1269MPa，延伸率4.6％，斷面收縮率15％，比同成份的退火態(tài)熔煉軋制材強度分別提高125％和164％，比加工態(tài)熔煉軋制材強度分別提高69％和76％。
實施例2使用與實施例1相同成分的Ta-9.2W-0.5Hf的鉭合金燒結條，經(jīng)電子束真空熔煉成合金鑄錠，進行氫化-破碎-脫氫處理，篩分后得到100目～300目的粉末，在300℃～800℃進行多次低氧分壓增氧處理，獲得表面硬化的鉭合金粉末顆粒，粉末總氧含量由鑄錠的0.02％增加到0.15％。將此粉末先冷等靜壓成型，壓坯相對密度65％。再將冷等靜壓壓坯裝入鉭包套中，封焊后進行熱等靜壓處理，熱等靜壓壓力200MPa，溫度1300℃，保持4小時，得到相對密度98.8％的塊體材料。將熱等靜壓材在2200℃真空退火熱處理4小時，材料的相對密度為98.2％。材料室溫力學性能為抗拉強度865MPa，屈服強度751MPa，延伸率25％，斷面收縮率34％。與實施例1相比強度下降，塑性提高，強度和延伸率仍高于加工硬化的熔煉軋制材。
實施例3使用與實施例1相同成分的Ta-9.2W-0.5Hf的鉭合金燒結條，經(jīng)電子束真空熔煉成合金鑄錠，進行氫化-破碎-脫氫處理，篩分后得到100目～300目的粉末，在300℃～800℃進行多次低氧分壓增氧處理，獲得表面硬化的鉭合金粉末顆粒，粉末總氧含量由鑄錠的0.02％增加到0.15％。將此粉末先冷等靜壓成型，壓坯相對密度65％。再將冷等靜壓壓坯裝入鉭包套中，封焊后進行熱等靜壓處理，熱等靜壓壓力200MPa，溫度1500℃，保持4小時，得到相對密度99.5％的塊體材料。材料的室溫力學性能為抗拉強度1220MPa，屈服強度1195MPa，延伸率18％，斷面收縮率33％，比同成份的退火態(tài)熔煉軋制材強度分別提高110％和149％，比加工態(tài)熔煉軋制材的強度分別提高58％和66％。
實施例4使用與實施例1相同成分的Ta-9.2W-0.5Hf的鉭合金燒結條，經(jīng)電子束真空熔煉成合金鑄錠，進行氫化-破碎-脫氫處理，篩分后得到100目～300目的粉末，在300℃～800℃進行多次低氧分壓增氧處理，獲得表面硬化的鉭合金粉末顆粒，粉末總氧含量由鑄錠的0.02％增加到0.15％。將此粉末先冷等靜壓成型，壓坯相對密度65％。再將冷等靜壓壓坯裝入鉭包套中，封焊后進行熱等靜壓處理，熱等靜壓壓力200MPa，溫度1500℃，保持4小時，得到相對密度99.5％的塊體材料。將熱等靜壓材在2200℃真空熱處理4小時，材料密度為99.1％。材料的室溫力學性能為抗拉強度879MPa，屈服強度764MPa，延伸率28％，斷面收縮率45％，強度和塑性都高于加工硬化的熔煉加工材和1300℃的熱等靜壓并2200℃真空熱處理的同成分材料。
權利要求
1.一種制備強化鉭及鉭合金材料的方法，其特征在于將鉭及鉭合金粉末在低氧分壓條件下，進行表面增氧處理，使粉末表面形成具有硬質(zhì)封閉薄殼結構的氧的固溶體或低價鉭氧化合物；再將處理后的鉭粉進行熱等靜壓固化，獲得致密的塊體材料；最后進行真空熱處理，調(diào)整材料的力學性能。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種鉭及鉭合金材料的強化方法，其特征在于制備強化鉭及鉭合金材料的鉭及鉭合金粉末是采用電子束真空熔煉法制備的低雜質(zhì)含量純凈化的鉭或鉭合金鑄錠，用氫化脫氫法制成的粉末。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種鉭及鉭合金材料的強化方法，其特征在于制備過程中是將鉭及鉭合金粉末在氧分壓為10-1Pa～103Pa、溫度為300℃～800℃條件下進行表面增氧處理的，處理時間為2～12h。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種鉭及鉭合金材料的強化方法，其特征在于制備過程是將預處理過的鉭粉末封裝入包套中，在溫度1300℃～1500℃、壓力150MPa～200MPa下進行熱等靜壓固化，獲得致密的塊體材料的。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種鉭及鉭合金材料的強化方法，其特征在于制備過程是將獲得的致密的塊體材料去除包套后，在1800℃～2400℃的高溫度下，進行1～4小時真空熱處理，調(diào)整材料力學性能的。
全文摘要
一種制備強化鉭及鉭合金材料的方法，涉及高強鉭及鉭合金材料的制備方法，特別是鉭及鉭合金材料的顯微組織結構強化方法。其特征在于將鉭及鉭合金粉末在低氧分壓條件下，進行表面增氧處理，使粉末表面形成具有硬質(zhì)封閉薄殼結構的氧的固溶體或低價鉭氧化合物；再將處理后的鉭粉進行熱等靜壓固化，獲得致密的塊體材料；最后進行真空熱處理，調(diào)整材料的力學性能。本發(fā)明的方法，對鉭或鉭合金粉末進行表面增氧處理，得到外硬內(nèi)韌的金屬粉末，再將粉末熱等靜壓固結，獲得連續(xù)胞狀硬殼空間網(wǎng)絡強化的致密塊體材料，通過更高溫度熱處理，調(diào)整其力學性能。這種結構的鉭及鉭合金材料在2200℃高溫下無晶粒長大現(xiàn)象，可用于高溫結構。
文檔編號B22F3/14GK1995420SQ20061015633
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月29日 優(yōu)先權日2006年12月29日
發(fā)明者張小明, 張廷杰, 劉建章, 胡忠武, 李晴宇, 楊雄毛, 郭讓民, 白宏讓, 丁旭 申請人:西北有色金屬研究院