一种高比重钨合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高比重钨合金材料及其制备方法。该制备方法包括：1)对钨粉进行球磨，制得改性钨粉；2)将镍粉和铁粉混合后进行球磨，制得纳米晶镍铁固溶体；3)将改性钨粉和纳米晶镍铁固溶体按照质量配比为93：7混粉后，压制成坯料；4)对坯料进行液相烧结，制成相对密度为93.9～99.8％的烧结坯料；5)将超细石墨粉和纳米二氧化硅粉末按照质量配比为(60～90)：(20～40)混粉后进行球磨，压制至相对密度为80～90％并制成润滑介质；6)将烧结坯料置于润滑介质中进行热静液挤压，并对热静液挤压后的烧结坯料进行热处理，制得高比重钨合金材料。该方法制得的高比重钨合金材料在强度大幅提高时仍能保持良好的延伸率。

【技术实现步骤摘要】
一种高比重钨合金材料及其制备方法
本专利技术涉及一种钨合金材料，特别涉及一种高比重钨合金材料及其制备方法。
技术介绍
高比重钨合金是一类以钨元素为基体材料(含钨量为80％～97％)，并适量添加有Ni、Cu、Fe、Co、Mo、Cr等元素组成的合金，由于其克服了钨的脆性，并保持了钨的高熔点、高密度、低膨胀系数等优良性能，因而在航空航天、军事、民用工业等行业中得到了广泛的应用。目前，高比重钨合金的制备主要通过烧结后进行旋转锻造。虽然旋转锻造能够提高钨合金强度，但塑性很差；另外，旋转锻造的一次变形量很小，需要经过多次加热和锻造才能获得较大的变形量，不仅工艺周期长、能耗大、成本高，而且表面质量较差、加工余量较大、材料利用率也较低。静液挤压技术是一种对难变形材料进行塑性加工的工艺，其主要分为冷静液挤压和热静液挤压。冷静液挤压一般采用高压或超高压液体作为压力传递的润滑介质，其使挤压材料置于密封的高压液体中，这样在变形时材料始终处于良好的润滑条件和有利的三向压应力状态下，因此可提高材料的塑性；然而，采用高压液体会带来模具密封和生产安全等问题，并且其变形抗力大、残余应力大，这些因素均限制了其在生产中的实际应用。热静液挤压能够克服冷静液挤压的上述缺陷，因此在生产上具有极大的应用潜力，目前也有少量相关研究。例如，公开号为CN101386947A的专利技术专利公开了一种高比重钨合金材料及其制备方法，首先将钨粉末、镍粉末、铁粉末和钴粉末混合均匀后制成坯料，然后进行烧结；同时，将石墨和玻璃粉混粉后成型，制成润滑介质；其次，将预热的坯料和润滑介质放入模具中进行挤压，即制得高比重钨合金材料。上述方法将各元素粉末混合后烧结至致密状态，然而由于原料钨粉末的粒度通常较大(3～10um)，在高温烧结后钨合金微观组织较为粗大(钨颗粒尺寸30～40um)，材料容易出现成分偏析和严重的坍塌变形，即使通过后续的形变强化工艺也很难将其细化，并且在强度提高的同时会产生塑性降低。此外，现有的钨合金材料在变形量、抗拉强度和延伸率等方面还有待进一步提高。
技术实现思路
本专利技术提供一种高比重钨合金材料及其制备方法，用于解决现有技术的钨合金材料微观组织粗大，强度提高时塑性降低，合金材料变形量、抗拉强度和延伸率有限等技术缺陷。本专利技术提供一种高比重钨合金材料的制备方法，包括如下步骤：1)对钨粉进行球磨，制得平均尺寸为亚微米级的改性钨粉；2)将镍粉和铁粉按照质量配比为(6～8)：(4～2)混合后进行球磨，制得纳米晶镍铁固溶体；3)将所述改性钨粉和所述纳米晶镍铁固溶体按照质量配比为93：7混粉后，压制成相对密度为70～85％的坯料；4)对所述坯料进行液相烧结，制成相对密度为93.9～99.8％的烧结坯料；5)将粒径为500nm～2.5μm的石墨粉和粒径为5～15nm的二氧化硅粉末按照质量配比为(60～90)：(20～40)混粉后进行球磨，随后压制至相对密度为80～90％并制成润滑介质；6)将所述烧结坯料置于所述润滑介质中进行热静液挤压，并对热静液挤压后的烧结坯料进行热处理，制得高比重钨合金材料。在本专利技术中，所采用的钨粉为纯度达到99.9％以上、平均粒径为3μm左右的还原钨粉；镍粉为纯度达到99.5％以上、平均粒径为5μm左右的羰基镍粉；铁粉为纯度达到99.5％以上、平均粒径为5μm左右的羰基铁粉。并且，所述改性钨粉的颗粒尺寸为500nm～5μm，晶粒尺寸为14nm～117nm；所述纳米晶镍铁固溶体的颗粒尺寸为0.8～2μm，晶粒尺寸为6nm～10nm。由经球磨改性的超细化且均匀的改性钨粉和纳米晶镍铁固溶体经一段时间的混粉所形成的合金粉末，能够有效避免钨向镍铁固溶体中大量扩散并溶解，从而避免了合金材料的塑性降低；同时，其还能够有效地阻止钨颗粒在后续液相烧结时长大，因此能够在相对较低的温度下达到较高的致密度，进而提高材料的力学性能。在一具体实施方式中，步骤1)和步骤2)所述的球磨在保护气氛中进行，并且控制所述球磨的转速为200～350转/分，球磨时间为5～35小时。所述保护气氛例如可以采用纯度达到99.99％以上的高纯氩气作为保护气体，从而防止粉末在球磨过程被氧化；镍粉和铁粉的质量配比例如可以为7：3，并且可以采用常规的球磨机进行(例如搅拌式高能球磨机)所述球磨，磨球材料可以为GCr15(直径例如为6mm)，球料比(质量比)可以为5:1～15:1。进一步地，为了防止所述球磨过程中粉末的过度粘球，可以加入一定量(例如0.5～2wt％)的过程控制剂，例如无水乙醇、硬脂酸等。添加适当的过程控制剂能够明显提高机械球磨的出粉率，特别有利于工业生产。经上述球磨改性的在本专利技术一具体方案中，可以在球磨机中进行步骤3)所述的混粉。进一步地，控制步骤3)所述的混粉的时间为50～70小时，例如60小时，此外，所述混粉可以在转速为80～120转/分下进行；并且采用冷等静压进行步骤3)所述的压制，并且控制所述压制的压力为200～350MPa，例如230～270MPa。在该压力下可以获得密度较高、密度分布及孔隙度更加均匀的冷压坯，其在后续的液相烧结工艺中有利于液相均匀填充孔隙，从而不易造成成分偏析。进一步地，控制步骤4)所述的液相烧结的温度为1445～1530℃，例如1465℃左右，烧结时间为20～120分钟，例如30～60分钟。烧结温度过低或烧结时间过短时会使得γ相对钨相不浸润或浸润差，导致两相界面结合较弱，易成为裂纹源；而当烧结温度过高或烧结时间过长时，则会产生钨晶粒的聚集长大，合金中会出现钨颗粒大小不均且粘结相分布不均匀，其易使得合金的延伸性降低。在本专利技术中，采用纳米级的SiO2和超细的石墨粉为原料制作热静液挤压的润滑介质，其能够在更细的微观状态下形成充分混合，在以该润滑介质进行热静液挤压时，细化的熔融SiO2所形成微小且均匀的传力单元被吸附在石墨层中，由于传力单元与润滑单元均细化至纳米级，因而能形成更加稳定的静液传力层，不仅能够有效地改善挤压工艺(例如降低挤压力)，还能够大幅改善强化后的材料的性能(例如大幅提高材料强度时仍能保持良好的延伸率)以及尺寸精度。具体地，在步骤5)中，将所述石墨粉和二氧化硅粉末置于球磨装置中进行所述混粉和球磨；并且在进行所述混粉和球磨前，先对所述球磨装置抽真空并充入0.5～1.0MPa氩气；在进行所述混粉和球磨时，控制所述混粉的转速为80～120转/分，混粉时间为40～60小时，所述球磨的转速为300～450转/分，球磨时间为10～30小时。进一步地，所采用的石墨粉的纯度为99.8％以上，二氧化硅粉末的纯度为99.9％以上。进一步地，采用冷压进行步骤5)所述的压制，并且控制所述压制的压力为400～1000MPa。压制后形成的坯料可经机加工形成包套形式的润滑介质，其外径例如可以为52mm，壁厚例如可以为3～6mm。在本专利技术一具体方案中，步骤6)中的所述热静液挤压包括：将所述烧结坯料置于所述润滑介质后，以10～20℃/分钟的升温速度升温至600～1250℃，保温30～60分钟后，置于挤压模具中进行热静液挤压；其中，控制所述烧结坯料与所述润滑介质的质量配比为2.5～3.5:1，所述热静液挤压的挤压比6～40，挤压力600～800MPa。挤压模具的预本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高比重钨合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对钨粉进行球磨，制得平均尺寸为亚微米级的改性钨粉；2)将镍粉和铁粉按照质量配比为(6～8)：(4～2)混合后进行球磨，制得纳米晶镍铁固溶体；3)将所述改性钨粉和所述纳米晶镍铁固溶体按照质量配比为93：7混粉后，压制成相对密度为70～85％的坯料；4)对所述坯料进行液相烧结，制成相对密度为93.9～99.8％的烧结坯料；5)将粒径为500nm～2.5μm的石墨粉和粒径为5～15nm的二氧化硅粉末按照质量配比为(60～90)：(20～40)混粉后进行球磨，随后压制至相对密度为80～90％并制成润滑介质；6)将所述烧结坯料置于所述润滑介质中进行热静液挤压，并对热静液挤压后的烧结坯料进行热处理，制得高比重钨合金材料。

【技术特征摘要】
1.一种高比重钨合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对钨粉进行球磨，制得平均尺寸为亚微米级的改性钨粉；2)将镍粉和铁粉按照质量配比为(6～8)：(4～2)混合后进行球磨，制得纳米晶镍铁固溶体；3)将所述改性钨粉和所述纳米晶镍铁固溶体按照质量配比为93：7混粉后，压制成相对密度为70～85％的坯料；4)对所述坯料进行液相烧结，制成相对密度为93.9～99.8％的烧结坯料；5)将粒径为500nm～2.5μm的石墨粉和粒径为5～15nm的二氧化硅粉末按照质量配比为(60～90)：(20～40)混粉后进行球磨，随后压制至相对密度为80～90％并制成润滑介质；6)将所述烧结坯料置于所述润滑介质中进行热静液挤压，并对热静液挤压后的烧结坯料进行热处理，制得高比重钨合金材料；所述热静液挤压包括：将所述烧结坯料置于所述润滑介质后，以10～20℃/分钟的升温速度升温至600～1250℃，保温30～60分钟后，置于挤压模具中进行热静液挤压；其中，控制所述烧结坯料与所述润滑介质的质量配比为2.5～3.5:1，所述热静液挤压的挤压比6～40，挤压力600～800MPa。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述改性钨粉的颗粒尺寸为500nm～5μm，晶粒尺寸为14nm～117nm；所述纳米晶镍铁固溶体的颗粒尺寸为0.8～2μm，晶粒尺寸为6nm～10nm。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)和...

【专利技术属性】
技术研发人员：房文斌，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，房文斌，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23