本發(fā)明屬于有色金屬冶煉及壓延加工
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種鎢合金材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展和裝甲防護(hù)技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)鎢合金材料的要求越來越高，尤其是要求在保證高密度的前提下兼有高的強(qiáng)度和良好的韌性。因此，如何提高和改善鎢合金形變強(qiáng)化后的強(qiáng)度和塑性是當(dāng)前的重要研究課題之一。而影響彈用鎢合金材料強(qiáng)度和塑性的因素主要有成分設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)。鎢合金最為傳統(tǒng)的制備方法是制粉、壓制、液相燒結(jié)，其燒結(jié)溫度高，時(shí)間長，晶粒粗大，容易產(chǎn)生坍塌與變形。專利CN1048066A介紹了一種新型鎢合金球，只是在美國專利US3254995的W-Ni-Fe-Co系合金的基礎(chǔ)上添加了一種稀土元素Re，用于提高鎢合金球的抗氧化和抗腐蝕性能。未提到燒結(jié)工藝，只有化學(xué)成分的變動(dòng)，根據(jù)其年代可知，其采用的是傳統(tǒng)的液壓燒結(jié)工藝。專利CN105441765A介紹了一種彈用高比重鎢合金，主要化學(xué)成分有鎢、氧化鋯、粘結(jié)相鎳和鐵，采用混合粉末壓制、液相燒結(jié)的方法制備高比重鎢合金。液相燒結(jié)若燒結(jié)坯體液相數(shù)量控制不當(dāng)或者混合粉的粒度、混合不均，容易出現(xiàn)變形，力學(xué)性能下降。且液相燒結(jié)收縮大，尺寸槽度難以控制。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明克服了上述的缺點(diǎn)，本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供一種鎢合金材料，包括以下質(zhì)量百分比含量的金屬元素：W85～92％、金屬元素a3～7％，金屬元素b1～5％，稀土元素氧化物0.5～1％，金屬元素a為Ni、Fe、Cu中的任意一種或多種，金屬元素b為Mo、Zr、Hf、Re、Nb、V、Ta中的任意一種或多種，稀土元素氧化物為稀土元素氧化物中的任意一種或多種，其中，金屬元素b中Re的質(zhì)量百分比含量不少于1％，CeO2的質(zhì)量百分比含量不少于0.5％。優(yōu)選的，包括以下質(zhì)量百分比含量的金屬元素：W85～92％、金屬元素a3～5％，金屬元素b1～2％，稀土元素氧化物0.5～1％，金屬元素a為Ni、Fe、Cu中的任意一種或多種，金屬元素b為Mo、Zr、Hf、Re、Nb、V、Ta中的任意一種或多種，稀土元素氧化物為稀土元素氧化物中的任意一種或多種，其中，金屬元素b中Re的質(zhì)量百分比含量不少于1％，CeO2的質(zhì)量百分比含量不少于0.5％本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種鎢合金材料的制備方法，具體包括以下步驟：1)按配比稱取W、金屬元素a，金屬元素b，稀土元素氧化物等原料粉末，混合均勻，得混合原料；2)在球磨罐中加入步驟1)中的混合原料、乙醇和硬質(zhì)合金球，在氬氣氣氛下以200-600r/min的速度研磨，研磨后的粉末在紅外燈下進(jìn)行干燥；3)將步驟2)中高能球磨合金化得到的混合物粉末裝入石墨模具內(nèi)，將石墨模具放入到放電等離子系統(tǒng)中進(jìn)行放電等離子燒結(jié)。燒結(jié)過程中燒結(jié)腔內(nèi)始終保持真空，燒結(jié)結(jié)束后，隨燒結(jié)爐自然冷卻；4)取出步驟3)中的石墨模具在室溫下繼續(xù)冷卻，脫模，即得燒結(jié)體。優(yōu)選的，具體包括以下步驟：1)按配比稱取W、金屬元素a，金屬元素b，稀土元素氧化物等原料粉末，混合均勻，得混合原料；2)在球磨罐中加入步驟1)中的混合原料、乙醇和硬質(zhì)合金球，在氬氣氣氛下以200-600r/min的速度研磨20～48h，將研磨后的粉末在紅外燈下進(jìn)行干燥10～60min；3)將步驟2)中高能球磨合金化得到的混合物粉末裝入石墨模具內(nèi)，將石墨模具放入到放電等離子系統(tǒng)中進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，要確保粉末的中心位置對(duì)準(zhǔn)測(cè)溫點(diǎn)。所述石墨模具有密布的內(nèi)徑為Φ5～20，粉末與石墨模具之間用碳紙隔開，將石墨模具放于預(yù)壓機(jī)中，在石墨模具上下兩個(gè)壓頭之間施加5～20MPa的壓力，然后卸壓，完成預(yù)壓過程，再調(diào)整石墨模具上下兩個(gè)壓頭的位置，使粉末置于石墨模具的中間位置，將石墨模具放入燒結(jié)爐的燒結(jié)腔中，開始燒結(jié)，燒結(jié)壓力為20～70MPa，升溫過程為1min內(nèi)從20℃升至500℃左右，然后以0～200℃/min的速率升至800～1200℃左右，再以0～200℃/min的速率升至燒結(jié)溫度1000～1250℃，燒結(jié)過程中燒結(jié)腔內(nèi)始終保持0.0001～0.09Pa，燒結(jié)結(jié)束后，隨燒結(jié)爐自然冷卻；4)取出步驟3)中的石墨模具在室溫下繼續(xù)冷卻，脫模，即得燒結(jié)體。本發(fā)明的有益效果是：1)本發(fā)明鎢合金配方中各原料易獲得；2)本發(fā)明采用高能球磨合金化和放電等離子燒結(jié)相結(jié)合的方法制備鎢合金材料，機(jī)械合金化采用高能球磨工藝。高能球磨是一個(gè)高能量干式球磨過程。簡單地說，它是在高能量磨球的撞擊研磨作用下，使研磨的粉末之間發(fā)生反復(fù)的冷焊和斷裂，形成細(xì)化的復(fù)合顆粒，發(fā)生固態(tài)反應(yīng)形成新材料的過程。原材料可以是元素粉末、元素與合金粉末和金屬間化合物、氧化物粉末等的混合物。磨球一般采用軸承鋼球。球－粉末－球的碰撞引起塑性粉末的壓扁和加工硬化，當(dāng)被壓扁的金屬粒子重疊時(shí)，原子級(jí)潔凈的表面緊密地接觸，發(fā)生冷焊，形成由各組分組成的多層的復(fù)合粉末粒子，同時(shí)發(fā)生加工硬化的組分及復(fù)合粒子的斷裂。冷焊與斷裂不斷重復(fù)，有效地“揉混”復(fù)合粉末的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其不斷細(xì)化并越來越均勻，形成均勻細(xì)化的復(fù)合顆粒。放電等離子燒結(jié)(簡稱SPS)，是世紀(jì)末發(fā)展起來的一種新型的粉末快速固結(jié)成形技術(shù)，也稱脈沖電流燒結(jié)，又稱場(chǎng)輔助燒結(jié)工藝(簡稱PECS)。具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、外加壓力和燒結(jié)氣氛可控、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，廣泛用于磁性材料、梯度功能材料、納米陶瓷、纖維增強(qiáng)陶瓷和金屬間復(fù)合材料等一系列新型材料的制備；3)制備得到的鎢合金材料具有晶粒度小、密度大、強(qiáng)度高、硬度高、延性好、機(jī)械加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛適用于電子、航空航天、武器殺傷部件等領(lǐng)域。具體實(shí)施方式實(shí)施例11)按表1的配比稱取各原料粉末200g，混勻；表1鎢合金的原料配方粉末純度(％)配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)％)W不小于99.9％92Ni不小于99.5％3Fe不小于99.5％2Cu不小于99.5％1.5Re不小于99.5％1CeO2不小于99.0％0.52)在球磨罐中加入上述混勻的原料、乙醇150ml、硬質(zhì)合金球1kg，在氬氣氣氛下以350r/min的速度研磨48h，將研磨后的粉末在紅外燈下進(jìn)行干燥10min；3)將高能球磨合金化得到的混合物粉末裝入石墨模具內(nèi)，然后將石墨模具放入到放電等離子系統(tǒng)中進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，要確保粉末的中心位置對(duì)準(zhǔn)測(cè)溫點(diǎn)。所述石墨模具有密布的內(nèi)徑為Φ20，粉末與石墨模具之間用碳紙隔開，將石墨模具放于預(yù)壓機(jī)中，在石墨模具上下兩個(gè)壓頭之間施加壓力至10MPa，然后卸壓，完成預(yù)壓過程，再調(diào)整石墨模具上下兩個(gè)壓頭的位置，使粉末置于石墨模具的中間位置，將石墨模具放入燒結(jié)爐的燒結(jié)腔中，開始燒結(jié)，燒結(jié)壓力為50MPa，升溫過程為5min內(nèi)從20℃升至400℃，然后以100℃/min的速率升至1000℃，再以10℃/min的速率升至燒結(jié)溫度1050℃，燒結(jié)過程中燒結(jié)腔內(nèi)始終保持真空，燒結(jié)結(jié)束后，隨燒結(jié)爐自然冷卻；4)取出石墨模具在室溫下繼續(xù)冷卻，脫模后獲得燒結(jié)體。實(shí)施例21)按表2的配比稱取各原料粉末200g，混勻；表2鎢合金的原料配方2)在球磨罐中加入上述混勻的原料、乙醇150ml、硬質(zhì)合金球1kg，在氬氣氣氛下以350r/min的速度研磨48h，將研磨后的粉末在紅外燈下進(jìn)行干燥10min；3)將高能球磨合金化得到的混合物粉末裝入石墨模具內(nèi)，然后將石墨模具放入到放電等離子系統(tǒng)中進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，要確保粉末的中心位置對(duì)準(zhǔn)測(cè)溫點(diǎn)。所述石墨模具有密布的內(nèi)徑為Φ20，粉末與石墨模具之間用碳紙隔開，將石墨模具放于預(yù)壓機(jī)中，在石墨模具上下兩個(gè)壓頭之間施加壓力至10MPa，然后卸壓，完成預(yù)壓過程，再調(diào)整石墨模具上下兩個(gè)壓頭的位置，使粉末置于石墨模具的中間位置，將石墨模具放入燒結(jié)爐的燒結(jié)腔中，開始燒結(jié)，燒結(jié)壓力為50MPa，升溫過程為5min內(nèi)從20℃升至400℃，然后以100℃/min的速率升至1000℃，再以10℃/min的速率升至燒結(jié)溫度1050℃，燒結(jié)過程中燒結(jié)腔內(nèi)始終保持真空，燒結(jié)結(jié)束后，隨燒結(jié)爐自然冷卻；4)取出石墨模具在室溫下繼續(xù)冷卻，脫模后獲得燒結(jié)體。實(shí)施例31)按表3的配比稱取各原料粉末200g，混勻；表3鎢合金的原料配方2)在球磨罐中加入上述混勻的原料、乙醇150ml、硬質(zhì)合金球1kg，在氬氣氣氛下以350r/min的速度研磨48h，將研磨后的粉末在紅外燈下進(jìn)行干燥10min；3)將高能球磨合金化得到的混合物粉末裝入石墨模具內(nèi)，然后將石墨模具放入到放電等離子系統(tǒng)中進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，要確保粉末的中心位置對(duì)準(zhǔn)測(cè)溫點(diǎn)。所述石墨模具有密布的內(nèi)徑為Φ20，粉末與石墨模具之間用碳紙隔開，將石墨模具放于預(yù)壓機(jī)中，在石墨模具上下兩個(gè)壓頭之間施加壓力至10MPa，然后卸壓，完成預(yù)壓過程，再調(diào)整石墨模具上下兩個(gè)壓頭的位置，使粉末置于石墨模具的中間位置，將石墨模具放入燒結(jié)爐的燒結(jié)腔中，開始燒結(jié)，燒結(jié)壓力為50MPa，升溫過程為5min內(nèi)從20℃升至400℃，然后以100℃/min的速率升至1000℃，再以10℃/min的速率升至燒結(jié)溫度1050℃，燒結(jié)過程中燒結(jié)腔內(nèi)始終保持真空，燒結(jié)結(jié)束后，隨燒結(jié)爐自然冷卻；4)取出石墨模具在室溫下繼續(xù)冷卻，脫模后獲得燒結(jié)體。實(shí)施例41)按表4的配比稱取各原料粉末200g，混勻；表4鎢合金的原料配方粉末純度(％)配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)％)W不小于99.9％89Ni不小于99.5％3Fe不小于99.5％1.5Cu不小于99.5％1.5Re不小于99.5％1Mo不小于99.5％1Ta不小于99.5％1CeO2不小于99.0％0.5ThO2不小于99.0％0.52)在球磨罐中加入上述混勻的原料、乙醇150ml、硬質(zhì)合金球1kg，在氬氣氣氛下以350r/min的速度研磨48h，將研磨后的粉末在紅外燈下進(jìn)行干燥10min；3)將高能球磨合金化得到的混合物粉末裝入石墨模具內(nèi)，然后將石墨模具放入到放電等離子系統(tǒng)中進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，要確保粉末的中心位置對(duì)準(zhǔn)測(cè)溫點(diǎn)。所述石墨模具有密布的內(nèi)徑為Φ20，粉末與石墨模具之間用碳紙隔開，將石墨模具放于預(yù)壓機(jī)中，在石墨模具上下兩個(gè)壓頭之間施加壓力至10MPa，然后卸壓，完成預(yù)壓過程，再調(diào)整石墨模具上下兩個(gè)壓頭的位置，使粉末置于石墨模具的中間位置，將石墨模具放入燒結(jié)爐的燒結(jié)腔中，開始燒結(jié)，燒結(jié)壓力為50MPa，升溫過程為5min內(nèi)從20℃升至400℃，然后以100℃/min的速率升至1000℃，再以10℃/min的速率升至燒結(jié)溫度1050℃，燒結(jié)過程中燒結(jié)腔內(nèi)始終保持真空，燒結(jié)結(jié)束后，隨燒結(jié)爐自然冷卻；4)取出石墨模具在室溫下繼續(xù)冷卻，脫模后獲得燒結(jié)體。實(shí)施例51)按表5的配比稱取各原料粉末200g，混勻；表5鎢合金的原料配方2)在球磨罐中加入上述混勻的原料、乙醇150ml、硬質(zhì)合金球1kg，在氬氣氣氛下以350r/min的速度研磨48h，將研磨后的粉末在紅外燈下進(jìn)行干燥10min；3)將高能球磨合金化得到的混合物粉末裝入石墨模具內(nèi)，然后將石墨模具放入到放電等離子系統(tǒng)中進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，要確保粉末的中心位置對(duì)準(zhǔn)測(cè)溫點(diǎn)。所述石墨模具有密布的內(nèi)徑為Φ20，粉末與石墨模具之間用碳紙隔開，將石墨模具放于預(yù)壓機(jī)中，在石墨模具上下兩個(gè)壓頭之間施加壓力至10MPa，然后卸壓，完成預(yù)壓過程，再調(diào)整石墨模具上下兩個(gè)壓頭的位置，使粉末置于石墨模具的中間位置，將石墨模具放入燒結(jié)爐的燒結(jié)腔中，開始燒結(jié)，燒結(jié)壓力為50MPa，升溫過程為5min內(nèi)從20℃升至400℃，然后以100℃/min的速率升至1000℃，再以10℃/min的速率升至燒結(jié)溫度1050℃，燒結(jié)過程中燒結(jié)腔內(nèi)始終保持真空，燒結(jié)結(jié)束后，隨燒結(jié)爐自然冷卻；4)取出石墨模具在室溫下繼續(xù)冷卻，脫模后獲得燒結(jié)體。對(duì)鎢合金材料的性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括粒度測(cè)試、密度測(cè)試、力學(xué)性能測(cè)試(包括硬度、沖擊韌性、抗拉強(qiáng)度、伸長率)。1、檢驗(yàn)項(xiàng)目產(chǎn)品的檢驗(yàn)項(xiàng)目、取樣位置及數(shù)量見表6表6檢驗(yàn)項(xiàng)目、取樣位置及數(shù)量2、檢驗(yàn)方法2.1晶粒度測(cè)試嚴(yán)格按照GB/T3249規(guī)定用費(fèi)氏粒度測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。2.2密度測(cè)定嚴(yán)格按照GB/T3850規(guī)定用密度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)定。2.3硬度測(cè)定嚴(yán)格按照GB/T230.1規(guī)定用洛氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。2.4沖擊韌性按GB/T9096規(guī)定用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定。試樣為GB/T5318中規(guī)定的長條試樣。2.5抗拉強(qiáng)度和伸長率按GB/T7964規(guī)定用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試樣為GB/T7963中規(guī)定的圓柱試樣。3、測(cè)量結(jié)果實(shí)例1至5的鎢合金質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果匯總見表7。表7鎢合金材料檢驗(yàn)結(jié)果通過測(cè)試結(jié)果可以看出，采用先進(jìn)的SPS燒結(jié)技術(shù)得到的鎢合金材料，與常規(guī)的鎢合金的致密度不好，力學(xué)性能差相比具有晶粒度小、密度大、強(qiáng)度高、硬度高、延性好、機(jī)械加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛用于電子、航空航天、武器殺傷部件等。當(dāng)前第1頁1 2 3