硼强化高密度高强度钨镍钴合金及制备方法技术

硼强化高密度高强度钨镍钴合金及制备方法，化学成分重量%为：W 20‑55%,B 0.001‑0.1%，Co 0‑40%,其他含有Nb 0‑10%，Ta 0‑20%，V 0‑10%，Zr 0‑4%，Mo 0‑20%，Ti 0‑10%，Al 0‑10%，Fe0‑20%,Cr0‑20%,余量为Ni及不可避免的杂质元素及微量元素。该合金具有高密度超高强度和高韧性，特别是热加工工艺性能良好，可以在较宽温度范围开坯锻造，具有良好的表面质量，避免出现裂纹。可铸可锻，亦可利用3D打印技术成型，密度达到11.0‑13.0g/cm

【技术实现步骤摘要】
硼强化高密度高强度钨镍钴合金及制备方法
本专利技术属于高密度合金
，特别涉及硼强化高密度高强度钨镍钴合金及制备方法，该合金具有高密度超高强度和高韧性，特别是热加工工艺性能良好，可以在较宽温度范围开坯锻造，具有良好的表面质量，避免出现裂纹。可铸可锻，亦可利用3D打印技术成型，密度达到11.0-13.0g/cm3、抗拉强度可以达到1200MPa以上、冲击韧性达到80J/cm2以上。
技术介绍
在此之前，国际上常用的高密度材料主要是钨合金，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900MPa，伸长率达到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，组织缺乏一致性和连续性，钨颗粒和粘结相较难协同变形，很难做到良好的强韧性配合。在此后，开发能够采用非粉末冶金方法的高密度合金成为国际高性能高密度合金研究的方向。于是开发了降低W含量以致达到降低熔点可以适用常规铸造锻造工艺，并在Ni基合金中引入第二相强化获得高强度和高韧性，如在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AI0-3％，Ti0-3，Nb1-8％等，可以采用铸造锻造工艺获得高密度和高强度。几种钨合金的化学成分和力学性能见表1和表2。表1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％13585CN102234732A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。上述专利都试图在Ni-W或Ni-Co-W合金体系中引入强化元素如Al，Ti，Nb等获得高强度和高韧性，虽然上述合金可以采用常规冶金工艺通过冶炼、锻造和时效处理获得良好的性能，但由于W含量过高，采用常规冶金工艺时，在锻造开坯和热加工成型过程中，极易出现锻造裂纹，如图1所示为W30Co10Ti2AlNi合金在锻造过程中出现的裂纹，为此，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。本专利在钨镍钴高密度合金中通过采用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。可以采用常规冶金和锻造的工艺制备，突破以往钨镍钴高密度合金制备尺寸极限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于通过添加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，使高密度的钨镍钴合金具备工业化冶金生产的能力，使大尺寸钨镍钴合金的研制与生产成为可能。基于上述目的，本专利技术的主要技术方案是在钨镍钴合金的基础上，添加微量元素B，通过B元素在晶界的富集提高晶界强度，改善高温热塑性，提高热加工性能。本专利技术与现有技术相比热加工性能优良，降低锻造开裂倾向。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，且保持FCC结构，在常见结构金属中，W在Ni中固溶度最大，可达38％，从而使得采用熔炼的方式制备高密度合金成为可能。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，Ni可参与生成Ni4W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相等进行析出强化，但Co降低W在基体中的固溶度。因此本专利技术中Co可以与Ni复合使用，含量限定为0-40％。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38％时获得双相组织，超过55％时则由于熔点过高，只能采用粉末冶金的工艺，如果过低，密度达不到10.0g/cm3，因此在本专利范围，W含量限定为20-55％。B：B是晶界强化元素，通过B元素在晶界的富集，可以明显减少其他有害元素在晶界的富集，从而提高晶界强度，改善热塑性，提高热加工性能，但B含量的控制很重要，当B含量超过0.10％，反而会降低塑性，危害热加工性能，为此本专利技术中B含量控制在0.001-0.10％。Nb：加入一定量Nb会在时效过程中析出γ”相，可有效提升力学性能，但过多会严重降低塑韧性，因此本专利技术控制在0-10％以内。Ta：是较好的提高密度的元素，作用与W相当，但由于Ta是战略资源，价格昂贵，特别是Ta在冶炼中造成的污染问题限制了Ta的使用，因此本专利技术将Ta的含量控制在0-20％以内。Ti：加入一定量Ti会在时效过程中析出γ’相，可有效提升力学性能，但过多会严重降低塑韧性，因此本专利技术控制在0-10％以内。Al：加入一定量Al会在时效过程中析出γ’相，可有效提升力学性能，但过多会严重降低塑韧性，因此本专利技术控制在0-10％以内。V：可与Ni生成Ni3V强化相，但V的强化效果不如Nb，因此本专利技术中V的含量控制在0-10％。Zr：与Ni生产Ni5Zr相，但此第二相影响塑韧性，因此本专利技术中Zr的含量控制在0-4％。Mo：Mo与W是互换元素，二者基本可以无限互换，但Mo的密度低、原子半径小，特别是二者互换Mo:W为1：2，二者互换会严重影响密度的提高，因此本专利技术Mo含量控制在0-20％。Fe：Fe为基体元素，与Ni和Co可以互换，但Fe显著降低W等元素的固溶度，同时Fe会降低密度，因此本专利技术Fe的含量控制在0-20％。Cr：Cr可以参与基体元素互换，也具有固溶强化效果，但Cr严重影响密度，因此本专利技术中Cr含量控制在0-20％本专利技术的B强化高密度高强度钨镍钴合金易于采用真空感应+真空自耗重熔，其具体工艺参数如下:合金熔化温度在1500℃以上；热加工温度：800－1200℃；可进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硼强化高密度高强度钨镍钴合金，其特征在于，化学成分重量%为： W 20‑55%, B 0.001‑0.1%，Co 0‑40%,其他含有Nb 0‑10% ，Ta 0‑20%，，V 0‑10%，Zr 0‑4%，Mo 0‑20%，Ti 0‑10%，Al 0‑10%，Fe0‑20%, Cr0‑20%, 余量为Ni及不可避免的杂质元素及微量元素。

【技术特征摘要】
1.一种硼强化高密度高强度钨镍钴合金，其特征在于，化学成分重量%为：W20-55%,B0.001-0.1%，Co0-40%,其他含有Nb0-10%，Ta0-20%，，V0-10%，Zr0-4%，Mo0-20%，Ti0-10%，Al0-10%，Fe0-20%,Cr0-20%,余量为Ni及不可避免的杂质元素及微量元素。2.一种权利要求1所描述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘少尊，
申请(专利权)人：刘少尊，
类型：发明
国别省市：北京,11