[發明專利]晶界自凈化鎢鎂合金的制備技術

有效

• 申請號: 201710342132.6
• 申請日: 2017-05-16
• 公開（公告）號: CN107099717B
• 公開（公告）日: 2018-11-09
• 發明（設計）人: 燕青芝;王一甲
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C27/04
• 分類號: C22C27/04;C22C1/04
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

本發明提供了一種晶界自凈化鎢鎂合金的制備技術，采用金屬鎂粉與鎢粉混合，通過向鎢粉中添加適當粒徑和質量百分比鎂粉，在真空條件下，進行分段加壓燒結，首先第一階段升溫至400℃?800℃燒結1?30min，隨后進行第二段升溫，在1200℃?1600℃燒結1?60min，再進行第三段升溫，在1600℃?1900℃燒結1?30min，制得鎢鎂合金。本發明利用鎂的流動性和混合粉體初始狀態較多的孔隙，可以實現鎂在鎢基體中的微觀流動，吸收接觸到的氧元素，凈化了局部的有害氧元素，并與基體中固有的氧元素結合形成穩定彌散的增強相，消除氧元素對鎢晶界的弱化作用，形成穩定強韌的鎢鎂合金，顯著提高了鎢鎂合金塊體的力學性能，可廣泛用于高溫工業領域。

技術領域

本發明屬于鎢鎂合金材料領域，具體涉及一種晶界自凈化鎢鎂合金的制備技術。

背景技術

鎢是一種廣泛應用各工業領域的金屬材料，具有高密度，高熔點，高熱導率，低熱膨脹系數等特點。在軍事工業，核工業，航空航天方面有獨特的應用。在這些應用條件下，鎢需要經常承受耦合外場作用，如高溫、輻照和熱沖擊等，在這些工況下鎢材料很容易失效，主要表現為受外力情況下的脆性斷裂與熱效應下的再結晶脆化。對于晶體結構為體心立方的鎢而言，其晶界強度差，是容易發生斷裂的地方，外加載荷作用下，多發生沿晶斷裂。因此對于鎢材料而言，凈化晶界與強化晶界是增韌鎢材料的有效手段。第二相彌散強化是鎢最有效的強韌化技術。彌散強化顆粒主要有兩大類：金屬碳化物(如碳化鈦，碳化鋯，碳化鉿等)和稀土氧化物(氧化釔，氧化鑭，氧化釷等)。例如文獻《添加微量TiC對鎢的性能與顯微組織的影響》(中國有色金屬學報,2015(1):80-85)，以機械合金化方法向鎢中加入1％的碳化鈦粉體，其燒結態強度由260MPa提高到401MPa，并且斷裂模式從純鎢的沿晶斷裂變為“沿晶斷裂+穿晶斷裂”。類似地，文獻《La_2O_3對超細鎢復合粉末燒結性能與鎢合金顯微組織的影響》(粉末冶金材料科學與工程,2014(3):439-445)中通過向鎢中加入0.7％的氧化鑭，燒結態的抗彎強度由213MPa提高到548MPa。以上研究表明，超細陶瓷顆粒粉體的加入使鎢基體的晶粒得到細化，從而強韌性提高。但碳化物和氧化物用作彌散相可能會形成造成鎢中碳氧元素含量升高。正如文獻《雜質對鎢晶界脆性的影響》(稀有金屬材料與工程,(1986)41-45)中指出，這些偏聚于晶界的元素影響鎢基體的性能，這些元素偏聚于晶界會造成顯著降低晶界強度；同時，稀土氧化物熔點較低，高溫下會發生融化和蒸發現象，留下坑洞，造成一系列微觀裂紋，不利于高溫強度的保持。

制備彌散強化鎢粉的方法多采用機械合金化，如文獻《一種納米氧化釔彌散強化鎢合金的制備方法》(中國.CN201310123415.3[P].2015-04-08)的報道，即將彌散顆粒與鎢粉混合放入球磨機，進行長時間高能量的球磨，將第二相粒子通過機械碰撞和研磨等物理作用與鎢粉達到復合的效果。同樣也有采用沉淀包覆法，如文獻《一種亞微米近球形鎢粉的制備方法》(中國.CN201010581902.0[P].2012-06-06)的報道，將可溶性鎢鹽與彌散顆粒配置成混合均勻的彌散溶液，通過調節溶液PH值，生成鎢酸沉淀，這些沉淀將溶液中懸浮的第二相顆粒進行包覆反應，得到核殼結構，通過煅燒還原，得到彌散強化的鎢粉。對于機械合金化而言，其需要消耗大量的能量，混合過程中由于罐體與磨球的劇烈運動，容易引入雜質，并且該方法制備彌散鎢粉周期長，經濟性差。沉淀包覆法能夠得到彌散均勻質量好的摻雜鎢粉，但由于該方法需要較多量的酸堿來調配控制溶液PH值進行沉淀包覆反應，是一種對環境不友好的方法。綜上所述，我們可以看出，傳統的彌散強化都是從初始狀態向鎢基體中引入第二相，這個引入過程容易引入雜質元素，添加的第二相通常是性質穩定的陶瓷顆粒或氧化物，并不能與粉末制備過程中含有的氧元素發生反應。并且添加手段與工藝流程復雜，使得鎢材的生產流程變長，成本升高。

鎂是一種活潑金屬元素，易與氧等元素反應。在成熟的鋼鐵工業中，鎂作為一個有益的添加元素早已經證明了其凈化基體，降低鋼材氧含量的效果。鎂的熔點比較低，為648℃，氧化鎂的熔點則為2852度。氧化鎂是一種性能良好的高溫耐火材料，除此之外，在高溫下，氧化鎂與鎢可以發生反應，生成鎢酸鎂，鎢酸鎂的生成能增加第二相顆粒與基體之間的結合力，固化氧元素，強化基體。