一种可铸锻固溶体钨合金及制备方法技术

一种可铸锻固溶体钨合金及制备方法，属于难熔合金技术领域。其化学成分重量％为：W 20‑75％,Mo 0‑20％，Nb 0‑20％，Ta 0‑20％，Hf 0‑10％，V 0‑10％，Zr 0‑10％，Ti 0‑10％，Al 0‑10％，Cu 0‑5％,余量为Ni或Co及不可避免的杂质元素及微量元素，其中的Ni、Co元素可以由Ir 0‑50％，Fe 0‑30％，Cr0‑20％，Re 0‑20％，Ru 0‑20％其中的一种或两种及以上元素所部分替换。还含有以下一种或两种及以上晶界强化元素：C 0.001‑1.0％，B 0.001‑1.0％，Y 0.001‑1.0％，La或Ce或稀土元素0.001‑1.0％，Mg 0.001‑1.0％，Ca 0.001‑1.0％。优点在于，具有高密度超高强度和高韧性，热加工性能良好。该合金可铸可锻，可利用3D打印成型，密度达到11.0‑15.0g/cm

【技术实现步骤摘要】
一种可铸锻固溶体钨合金及制备方法
本专利技术属于难熔合金
，特别涉及一种可铸锻固溶体钨合金及制备方法。
技术介绍
在此之前，钨合金是国际上常用的高密度材料，由于钨的熔点过高，此类材料通常采用粉末冶金的方法烧结成型，目前国际上广泛使用的钨合金有W90、W93、W95和W97等，此类材料的密度很高，可以达到15-18g/cm3，但强度较低韧性较差，正常烧结态的抗拉强度达到800MPa，伸长率为20-30％。为达到更高的强度，需要经过大塑性变形，其强度可达到1400MPa左右，但塑韧性降低厉害，只有10％左右；特别是粉末冶金工艺决定了钨合金的显微组织是钨颗粒+粘结相的两相结构。以广泛应用的93W为例，近似球形的钨颗粒分布于W-Ni-Fe的粘结相中，组织缺乏一致性和连续性，力学性能不佳，限制了大量推广应用前景。以粉末冶金液相烧结法制备的钨合金，未经变形的钨合金的力学性能很难提高。而对于大尺寸钨合金零件，对变形设备的要求极高，同时变形也容易不均匀，影响组织的均匀性，这也极大的限制了大尺寸钨合金的力学性能很难提高。几种粉末冶金钨合金的化学成分和力学性能见表1和表2。表1粉末冶金高密度钨合金轧制性能(70W-21Ni-9Fe)状态变形量抗拉强度MPa屈服强度MPa伸长率％1冷轧18％1233111612.52冷轧18％1216110411.93冷轧50％149413444.34冷轧50％141613107.25热轧1216834116热轧118986023表2粉末冶金高密度钨合金形变强化力学性能成分状态变形量％抗拉强度MPa延伸率％193W-7(Ni,Fe)旋锻18％12797.7291W-9(Ni,Fe)锻造48％13706390W-7Ni-3Fe旋锻17％110313493W-5Ni-2Fe旋锻18％11997.6593W-5Ni-2Fe包套挤压80％14963.3693W-7(Ni,Fe)旋锻70％143012790W-7Ni-3Fe旋锻+热处理18％123012893W-5Ni-2Fe旋锻+热处理18％13585在前期的探索中，尝试了在Ni-W或Ni-Co-W合金体系中引入强化元素如Al,Ti等获得高强度，如专利CN201510176914.8中介绍了一种高密度动能超高强度钨镍耐热合金及制备方法，其中Ni50-80％,W20-40％,其他含有强化元素Al0-3％,Ti0-3,Nb1-8％等，可以采用铸造锻造工艺获得高密度和高强度。专利CN201510176027.0介绍了一种高密度超高强度钢Co增强镍基高钨耐热合金及制备方法，其中Co5-20％，W15-35％,其他可含有Ti0-3％,Al0-3％和Nb0-8％，其余为Ni和其他不可避免的杂质元素及微量元素，同样可以采用铸造锻造工艺获得高密度和高强度。专利CN1353214A公开了一种Ni-Co-W合金镀层，其中Ni55-95％,Co1-25％,W1-20％,具有硬度高、高温下稳定性强、耐腐蚀和耐高温腐蚀性强等特点。专利CN102234732A和US20110268989A1介绍了一种钴镍合金,成分为Co30-50％,Ni20-40％,Al0-10％,Cr0-10％,W10-16％,Ta0-4％。通过固溶处理、时效处理和空冷处理获得高性能。上述专利试图通过冶炼、锻造和时效处理获得较好性能，但其强化手段较为单一，强度较低普遍1500MPa以下，同时密度较低。无法保证一定韧性同时强度达到1700MPa以上。特别是，上述专利技术采用常规冶金铸锻工艺时，在锻造开坯和热加工成型过程中，极易出现锻造裂纹，如说明书图1所示为Ni57W30Co10Ti2AlNi合金在锻造过程中出现的裂纹，为此，如何改善钨镍钴合金的热加工性能是该类合金能否采用常规冶金工艺进行工业化生产的前提条件。为了能够解决高密度合金的热加工性能，可以采用常规冶金工艺和可铸造可锻造的工艺便利，突破以往钨镍钴合金制备尺寸和强度的极限，发挥高密度高韧性和超高强度等优异性能。由此在钨镍钴合金中通过采用多相复合强化和引入晶界强化元素提高晶界强度，改善高温热塑性，提高热加工性能。希望通过多相复合强化和改善晶界强度，改善高温热塑性，提高热加工工艺性能，使高密度的钨镍钴合金具备铸锻生产的能力，使高致密高强度大尺寸钨镍钴合金的研制与生产成为可能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供可铸锻固溶体钨合金及制备方法，以固溶体替代烧结相的组织状态以提高强度和韧性的思想，以Ni、Co、Fe多组元组成的无序固溶体为基体，在基体中固溶W、Mo、Nb、Re等高密度元素，降低熔点可以适用常规铸造锻造工艺，通过在时效过程中复合析出相(如Ni3(Ti、Al)、η-Ni3Ti、Ni4W、NiW、Co3(Al、W)、Ni3Nb、(Fe、Co、Ni)7(W、Mo)6、Fe2(Mo、W)等)有序强化相复合强化达到高强度和高韧性，添加微量元素C、B、Mg、Ca、Y、La、Ce或其他稀土元素等在晶界富集提高晶界强度，改善高温热塑性，提高热加工性能。使高密度的钨镍钴合金具备铸锻生产的能力，使高致密高强度大尺寸钨镍钴合金的研制与生产成为可能。本专利技术与现有技术相比，可将抗拉强度提高至1700MPa以上，且热加工性能优良。其化学成分重量％为：W20-75％,Mo0-20％，Nb0-20％，Ta0-20％，Hf0-10％，V0-10％，Zr0-10％，Ti0-10％，Al0-10％，Cu0-5％余量为Ni或Co及不可避免的杂质元素及微量元素，其中的Ni、Co元素可以由Ir0-50％，Fe0-30％，Cr0-20％，Re0-20％，Ru0-20％其中的一种或两种及以上元素所部分替换。合金中含有以下一种或两种及以上晶界强化元素：C0.001-1.0％，B0.001-1.0％，Y0.001-1.0％，La或Ce稀土元素0.001-1.0％，Mg0.001-1.0％，Ca0.001-1.0％。上述化学成分的设计依据如下：Ni：基体元素，保证在得到高密度NiW固溶体的同时具有良好的强韧性配合，Ni可以将W固溶于相对低熔点金属中，从而使得采用熔炼的方式制备高密度钨合金成为可能。由于熔炼不存在致密度的问题，且可以通过锻造的方法细化晶粒，可通过固溶-析出的方式以第二相强化，如Ni4W、Ni3(Ti、Al)、NiW、Ni3Nb等强化相，因此，力学性能可以大大提高。Co：基体元素，可以与Ni互换，可以与Ni复合使用也可以单独应用，可以将W固溶于相对低熔点金属中，从而使得采用熔炼的方式制备高密度合金成为可能。但W在Co中固溶度不及在Ni中的固溶度，因此通常为提高W的固溶含量常采用Ni基或以Ni为主的NiCo复合。Co会促进析出相的析出，同时在Co基高密度动能合金中，Co会形成Co3W、Co3(Al、W)相等进行析出强化。W：是提高密度的主要元素，固溶在Ni基体中，不仅提高密度，易可通过Ni4W、NiW等时效析出强化，理论上W含量越高越好，但W在Ni中固溶度有限，超过40％时获得双相组织，超过75％时则由于熔点过高，只能采用粉末冶金的工艺，如果过低小于20％，密度达不到10.0g/cm3，因此在本专利范围，W含量限定为20-75％。Nb：加入一定量Nb会在时效过程中析出Ni3Nb相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可铸锻固溶体钨合金，其特征在于，化学成分wt％为：W 20‑75％,Mo 0‑20％，Nb 0‑20％，Ta 0‑20％，Hf 0‑10％，V 0‑10％，Zr 0‑10％，Ti 0‑10％，Al 0‑10％，Cu 0‑5％，其余为Ni或Co及不可避免的杂质元素。

【技术特征摘要】
1.一种可铸锻固溶体钨合金，其特征在于，化学成分wt％为：W20-75％,Mo0-20％，Nb0-20％，Ta0-20％，Hf0-10％，V0-10％，Zr0-10％，Ti0-10％，Al0-10％，Cu0-5％，其余为Ni或Co及不可避免的杂质元素。2.按照权利要求1所述的可铸锻固溶体钨合金，其特征在于，其中含有以下元素中的一种或两种及以上晶界强化元素：B0.001-1.0％，C0.001-1.0％，Y0.001-1.0％，La或Ce稀土元素：0.001-1.0％，Mg0.001-1.0％，Ca0.001-1.0％。3.按照权利要求1所述的可...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春旭，刘少尊，厉勇，韩顺，黄顺喆，刑峰，刘宪民，
申请(专利权)人：钢铁研究总院，
类型：发明
国别省市：北京,11