專利名稱：一種含氧化釔的鎢合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及粉末冶金技術(shù)，具體是指一種含氧化釔的鎢合金材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
W-Ni-Fe高比重合金因具有高密度、高強(qiáng)度等優(yōu)異的力學(xué)性能以及良好的抗腐蝕 性能，長期以來在航空航天器件、輻射屏蔽、軍工武器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有 技術(shù)中的W-Ni-Fe高比重合金，主要由基體鎢和粘結(jié)相鎳、鐵等組成，并采用傳統(tǒng)的 壓制和液相燒結(jié)方法達(dá)到近全致密，然而采用液相燒結(jié)鎢晶粒會迅速長大，通?？蛇_(dá) 30 5(Hrni，從而削弱了合金的力學(xué)性能，特別是高溫下的力學(xué)性能。
目前，國內(nèi)外材料研究者們普遍認(rèn)為獲得細(xì)晶微觀組織將有利于改善塊體鎢合金 的綜合性能。添加晶粒長大抑制劑，被認(rèn)為是獲得細(xì)晶鎢合金的一種較為可行的方法。 其中添加少量的稀土氧化物不僅可以細(xì)化晶粒，還能起到彌散強(qiáng)化的作用。RyuHo J 等于2003年363巻1-2期《Materials Science & Engineering A》上發(fā)表的論文"Fabrication and properties of mechanical alloyed oxide-dispersed tungsten heavy alloy"中嘗試性地研 究了氧化釔(￥203)對93W-5.6Ni-l.4Fe顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究表明，Y203 彌散分布于W晶粒周圍，可起到彌散強(qiáng)化和細(xì)化W晶粒的作用，并且￥203含量越高， 燒結(jié)合金中的W晶粒細(xì)化越顯著，燒結(jié)合金的高溫抗壓強(qiáng)度越高，而且在不形成絕熱 剪切帶的條件下可產(chǎn)生"自銳化"效果。不過該論文未能對材料中的W、 Ni和Fe的成 分配方進(jìn)行優(yōu)化；而且在研究￥203質(zhì)量百分含量在0.1~5%范圍內(nèi)時變化時，在注意 到提高Y203含量可改善燒結(jié)合金的高溫強(qiáng)度的同時，未考慮高的￥203含量將削弱燒 結(jié)合金的室溫強(qiáng)度，從而對Y203含量進(jìn)行優(yōu)化；另外，由于采用傳統(tǒng)的加熱方法進(jìn)行
燒結(jié)，燒結(jié)時間長達(dá)i小時以上，以致燒結(jié)合金中w晶粒仍存在較明顯的長大，從而
影響了燒結(jié)合金綜合性能的進(jìn)一步提高。近十幾年來，快速發(fā)展起來一種放電等離子 燒結(jié)方法，該方法的實質(zhì)就是強(qiáng)脈沖電流燒結(jié)。由于強(qiáng)脈沖電流對粉末的活化作用可 降低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時間，所以這一方法被認(rèn)為是制備細(xì)晶、超細(xì)晶塊體材料的 一種非常有效的、低成本途徑，而且由于該燒結(jié)方法在燒結(jié)過程中施加有一定的外力，
還可有效控制燒結(jié)合金或零件的尺寸精度。梅雪珍等于2007年第29巻第5期《北京科技大學(xué)學(xué)報》上發(fā)表的論文"W-Ni-Fe高比重合金的SPS燒結(jié)行為"中，采用放電等 離子燒結(jié)方法制備93W-5.6Ni-l.4Fe高比重合金，證實放電等離子燒結(jié)確實可抑制鎢晶 粒長大，并得到了晶粒尺寸較為均勻的微觀組織，但由于未加入￥203和對鎢合金成份 配方以及燒結(jié)工藝進(jìn)行充分優(yōu)化，仍未能獲得組織細(xì)小的塊體燒結(jié)合金，從而顯著改 善燒結(jié)合金的綜合性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對制備塊體高比重鎢合金材料現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，通過 對鎢合金成份配方和燒結(jié)工藝的優(yōu)化選擇，提供一種含氧化釔的鎢合金材料及其制備 方法，實現(xiàn)微觀組織均勻且細(xì)小、近全致密和綜合性能優(yōu)異的高比重鎢合金細(xì)晶塊體 材料的制備。
通過如下措施實現(xiàn)本發(fā)明。
一種含氧化釔的鎢合金材料，含有鎢、鎳和鐵，其特征在于它還含有少量氧化
釔，具體是按質(zhì)量百分比計的組分及其含量為W92.50~93.50%， Ni4.50~5.50%， Fel.00~2.00%， Y2O30.05~0.60%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)。 一種含氧化釔的鎢合金材料的制備方法包括如下步驟
步驟一含氧化釔的鎢合金材料的配方
將原料鎢、鎳、鐵和氧化釔粉末按下述質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配比W92.50~93.50%， Ni4.50~5.50%， Fel.00~2.00%， Y2O30.05~0.60%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；
步驟二混粉
按步驟一所述鎢合金材料配方的用量，將粉末原料置于混粉機(jī)中，混合不少于5 小時；
步驟三放電等離子快速燒結(jié)
將步驟二混合均勻后的混合粉末裝入石墨燒結(jié)模具內(nèi)，再采用放電等離子快速燒 結(jié)，燒結(jié)工藝條件如下
燒結(jié)電流類型直流脈沖電流 燒結(jié)壓力30~50MPa 燒結(jié)加熱速率50~300°C/min 燒結(jié)溫度1170-1300 °C 燒結(jié)保溫時間2~10min 燒結(jié)真空度《4Pa
經(jīng)快速燒結(jié)獲得組織細(xì)小、均勻的一種含氧化釔的高比重鎢合金塊體材料。為更好地實現(xiàn)本發(fā)明，所述放電等離子快速燒結(jié)，其優(yōu)選工藝是加熱速率為
250~300°C/min，燒結(jié)溫度為1200~1250°C，且燒結(jié)保溫時間為2~4min。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點
1、 通過對W、 Ni、 Fe和￥203的質(zhì)量百分含量的優(yōu)化，本發(fā)明的含氧化釔的鎢合
金材料配方合理，既可利用Y203在燒結(jié)過程對W晶粒生長的抑制作用，獲得組織細(xì)
小、均勻的燒結(jié)態(tài)材料，又可減少價格較為昂貴的Ni和Y203在W合金中的使用量，
避免因Y203含量過高而削弱合金的室溫綜合力學(xué)性能。此外，通過對實施例制備的塊
體材料綜合力學(xué)性能的測試，證實了采用本發(fā)明優(yōu)化配方可有效改善燒結(jié)態(tài)材料在室 溫和高溫下的綜合力學(xué)性能。
2、 本發(fā)明采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)含有適量￥203的W-Ni-Fe合金，可在充 分利用￥203對燒結(jié)過程中W晶粒生長的抑制作用的同時，發(fā)揮放電等離子燒結(jié)技術(shù) 的放電效應(yīng)、燒結(jié)溫度低和燒結(jié)時間短等一系列優(yōu)點，從而進(jìn)一步細(xì)化燒結(jié)合金的組 織，并獲得組織均勻、細(xì)小的塊體燒結(jié)態(tài)鎢合金。
3、 本發(fā)明優(yōu)化了含有少量Y203的W-Ni-Fe合金的放電等離子燒結(jié)工藝，當(dāng)加熱 速率、燒結(jié)溫度和保溫時間分別優(yōu)選為250~300°C/min、 1200 125(TC和2~4min時， 更能充分發(fā)揮放電等離子燒結(jié)W合金的優(yōu)勢，從而在獲得高致密燒結(jié)W合金的同時， 充分抑制W晶粒的生長。
4、 因在W合金中減少了價格較為昂貴的Ni和Y203的使用量，降低了原材料成
本，又因采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)，減低了制備成本；因此本發(fā)明所制備的一種含氧
化釔的鎢合金材料，不僅有效地降低了成本，而且具有近全致密、硬度高、室溫抗彎
強(qiáng)度好和高溫力學(xué)性能優(yōu)異等特點，具有良好的性價比優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。
具體實施例方式
通過如下實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。 實施例1:
一種含氧化釔的鎢合金材料的制備方法包括如下步驟 步驟一含氧化釔的鎢合金材料的配方
按質(zhì)量百分比計的組分及其含量為W92.50%， Ni5.50%， Fel.50%， Y2O30.50%， 其余為不可避免的微量雜質(zhì)；
上述原料鎢、鎳和鐵均以單質(zhì)形式加入，其中，鎢粉平均顆粒直徑約2.3~2.7Hm， 純度^99.0%;鎳粉平均顆粒直徑約l~3pm,純度^99.8%;鐵粉平均顆粒直徑約l~3pm，純度299.5%;氧化釔粉末平均顆粒直徑約l~2nm，純度^99.9%; 步驟二混粉
按步驟一所述鎢合金材料配方的用量，將粉末原料置于滾筒式混粉機(jī)中混合5小
時；
步驟三放電等離子燒結(jié)
將30g混合粉末裝入直徑為①20mm的石墨燒結(jié)模具中，在放電等離子燒結(jié)設(shè)備 中快速燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為50MPa，燒結(jié)溫度為U7(TC，加熱速率為100°C/min， 保溫時間為IO分鐘，真空度為4Pa。燒結(jié)后獲得92.50W-5.50Ni-1.50Fe-0.50Y203的含 氧化釔的鎢合金塊體材料，這種高比重合金塊體材料組織細(xì)小且均勻，鎢晶粒尺寸分 布在2 3pm范圍內(nèi)，平均尺寸為2.5Wn，密度為17.2g/cm3，室溫硬度和室溫抗壓強(qiáng)度 分別為42HRC和2010MPa， 80(TC下的抗壓強(qiáng)度為750MPa。
實施例2:
步驟一含氧化釔的鴇合金材料的配方
按質(zhì)量百分比計的組分及其含量為W93.50%， Ni4.50%， Fel.50%， Y2O30.50%， 其余為不可避免的微量雜質(zhì)；
上述原料鎢、鎳和鐵均以單質(zhì)形式加入，其中，鎢粉平均顆粒直徑約2.3~2.7pm， 純度299.0%;鎳粉平均顆粒直徑約l~3nm,純度^99.8%;鐵粉平均顆粒直徑約l~3nm， 純度299.5%;氧化釔粉末平均顆粒直徑約1 2pm,純度^99.99%;
步驟二混粉
按步驟一所述鎢合金材料配方的用量，將粉末原料置于滾筒式混粉機(jī)中混合6小
時；
步驟三放電等離子燒結(jié)
將30g混合粉末裝入直徑為0)20mm的石墨燒結(jié)模具中，在放電等離子燒結(jié)設(shè)備 中快速燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為1250°C，加熱速率為250°C/min， 保溫時間為4分鐘，真空度為3Pa。燒結(jié)后獲得93.50W-4.50Ni-1.50Fe-0.50Y2O3的含氧 化釔的鎢合金塊體材料，這種高比重合金塊體材料組織細(xì)小且均勻，鎢晶粒尺寸分布 在2 3pm范圍內(nèi)，平均尺寸為2.6pm，密度為17.5g/cm3，室溫硬度和室溫壓抗壓強(qiáng)度 分別為46HRC和2500MPa， 80(TC下的抗壓強(qiáng)度為900MPa。 實施例3:
步驟一含氧化釔的鉤合金材料的配方 .
6按質(zhì)量百分比計的組分及其含量為W93.00%， Ni5.40%， Fel.00%， Y2O30.60%， 其余為不可避免的微量雜質(zhì)；
上述原料鎢、鎳和鐵均以單質(zhì)形式加入，其中，鎢粉平均顆粒直徑約2.3~2.7^un， 純度299.0%;鎳粉平均顆粒直徑約l~3pm，純度^99.8%;鐵粉平均顆粒直徑約l~3pm， 純度^99.5%;氧化釔粉末平均顆粒直徑約l~2nm，純度^99.99%;
步驟二混粉
按步驟一所述鎢合金材料配方的用量，將粉末原料置于滾筒式混粉機(jī)中混合，混
合5小時；
步驟三放電等離子燒結(jié)
將30g混合粉末裝入直徑為①20rnm的石墨燒結(jié)模具中，在放電等離子燒結(jié)設(shè)備 中進(jìn)行快速燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為50MPa，燒結(jié)溫度為1250°C，加熱速率為50°C/min， 保溫時間為5分鐘，真空度為3Pa。燒結(jié)后獲得93.00W-5.40Ni-1.00Fe-0.60Y2O3的含氧 化釔的鎢合金塊體材料，這種高比重合金塊體材料組織細(xì)小且均勻，鎢晶粒尺寸分布 在2 3pm范圍內(nèi)，平均尺寸為2.7pm，密度為17.3g/cm3，室溫硬度和室溫壓抗壓強(qiáng)度 分別為44HRC和2330MPa， 800。C下的抗壓強(qiáng)度為810MPa。 實施例4:
步驟一含氧化釔的鎢合金材料的配方
按質(zhì)量百分比計的組分及其含量為W93.00%， Ni5.50%， Fel.45%， Y2O30.05%， 其余為不可避免的微量雜質(zhì)；
上述原料鎢、鎳和鐵均以單質(zhì)形式加入，其中，鎢粉平均顆粒直徑約2.3~2.7pm, 純度^99.0%;鎳粉平均顆粒直徑約l~3pm，純度299.8%;鐵粉平均顆粒直徑約l~3nm， 純度^99.5%;氧化釔粉末平均顆粒直徑約l~2pm，純度^99.99%;
步驟二混粉
按步驟一所述鎢合金材料配方的用量，將粉末原料置于滾筒式混粉機(jī)中混合10小
時；
步驟三放電等離子燒結(jié)
將30g混合粉末裝入直徑為O20mm的石墨燒結(jié)模具中，在放電等離子燒結(jié)設(shè)備 中進(jìn)行快速燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為130(TC，加熱速率為100°C/min, 保溫時間為2分鐘，真空度為1Pa。燒結(jié)后獲得93.00W-5.50Ni-1.45Fe-0.05Y2O3的含氧 化釔的鉤合金塊體材料，這種高比重合金塊體材料組織細(xì)小且均勻，鎢晶粒尺寸分布在2 3pm范圍內(nèi)，平均尺寸為2.7nm，密度為17.2g/cm3，室溫硬度和室溫壓抗壓強(qiáng)度
分別為42HRC和2100MPa， 800。C下的抗壓強(qiáng)度為740MPa。
實施例5:
步驟一含氧化釔的鎢合金材料的配方
按質(zhì)量百分比計的組分及其含量為W93.00%， Ni5.50%， Fel.45%， Y2O30.05%， 其余為不可避免的微量雜質(zhì)；
上述原料鎢、鎳和鐵均以單質(zhì)形式加入，其中，鎢粉平均顆粒直徑約2.3~2.7jim， 純度^99.0%;鎳粉平均顆粒直徑約l~3pm，純度^99.8%;鐵粉平均顆粒直徑約l~3nm， 純度299.5%;氧化釔粉末平均顆粒直徑約l~2pm，純度^99.99%;
步驟二混粉
按步驟一所述鎢合金材料配方的用量，將粉末原料置于滾筒式混粉機(jī)中混合10小
時；
步驟三放電等離子燒結(jié)
將30g混合粉末裝入直徑為O20mm的石墨燒結(jié)模具中，在放電等離子燒結(jié)設(shè)備 中進(jìn)行快速燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為50MPa，燒結(jié)溫度為1200°C，加熱速率為300°C/min， 保溫時間為2分鐘，真空度為1Pa。燒結(jié)后獲得93.00W-5.50Ni-1.45Fe-0.05Y2O3的含氧 化釔的鎢合金塊體材料，這種高比重合金塊體材料組織細(xì)小且均勻，鎢晶粒尺寸分布 在2 3nm范圍內(nèi)，平均尺寸為2.5pm，密度為17.4g/cm3，室溫硬度和室溫壓抗壓強(qiáng)度 分別為46HRC和2430MPa， 800'C下的抗壓強(qiáng)度為860MPa。
權(quán)利要求
1、一種含氧化釔的鎢合金材料，含有鎢、鎳和鐵，其特征在于它還含有少量氧化釔，具體是按質(zhì)量百分比計的組分及其含量為W92.50～93.50％，Ni4.50～5.50％，F(xiàn)e1.00～2.00％，Y2O30.05～0.60％，其余為不可避免的微量雜質(zhì)。
2、 一種含氧化釔的鎢合金材料的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟一含氧化釔的鴿合金材料的配方將原料鎢、鎳、鐵和氧化釔粉末按下述質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配比W92.50~93.50%， Ni4.50~5.50%， Fel.00~2.00%， Y2O30.05~0.60%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；步驟二混粉按步驟一所述鎢合金材料配方的用量，將粉末原料置于混粉機(jī)中，混合不少于5小時； 步驟三放電等離子快速燒結(jié)將步驟二混合均勻后的混合粉末裝入石墨燒結(jié)模具內(nèi)，再采用放電等離子快速燒結(jié)， 燒結(jié)工藝條件如下燒結(jié)電流類型直流脈沖電流 燒結(jié)壓力30~50MPa 燒結(jié)加熱速率50~300°C/min 燒結(jié)溫度1170~1300°C 燒結(jié)保溫時間2~10min 燒結(jié)真空度"Pa經(jīng)快速燒結(jié)獲得組織細(xì)小、均勻的一種含氧化釔的高比重鎢合金塊體材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種含氧化釔的鎢合金材料的制備方法，其特征在于所述放電等離子快速燒結(jié)的加熱速率為250~300°C/min。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種含氧化釔的鎢合金材料的制備方法，其特征在于所 述放電等離子快速燒結(jié)的溫度為1200~1250°C。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種含氧化釔的鎢合金材料的制備方法，其特征在于所 述放電等離子快速燒結(jié)的保溫時間為2~4min。
全文摘要
本發(fā)明通過對鎢合金成份配方和燒結(jié)工藝的優(yōu)化選擇，提供一種含氧化釔的鎢合金材料及其制備方法，具體包括先將原料粉末按下述質(zhì)量百分比進(jìn)行配比W92.50～93.50％，Ni4.50～5.50％，F(xiàn)e1.00～2.00％，Y₂O₃0.05～0.60％；再將上述粉末經(jīng)滾筒式混粉機(jī)混合均勻；然后再對其進(jìn)行放電等離子快速燒結(jié)，燒結(jié)壓力30～50MPa、燒結(jié)加熱速率50～300℃/min、燒結(jié)溫度1170～1300℃、燒結(jié)保溫時間2～10min、燒結(jié)真空度≤4Pa，即可獲得高比重鎢合金塊體材料。該塊體材料具有近全致密、硬度高、室溫抗彎強(qiáng)度好和高溫力學(xué)性能優(yōu)異等特點，具有良好的性價比優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。
文檔編號C22C1/05GK101525714SQ200910038740
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者屈盛官, 文 張, 張大童, 李元元, 李小強(qiáng), 可 胡 申請人:華南理工大學(xué)