一种具有超大应变硬化能力的高强度高塑性钨合金制造技术

一种具有超大应变硬化能力的高强度高塑性钨合金。通过将室温脆性金属钨与脆性陶瓷巧妙复合，可使二者实现协同变形，材料在室温下呈现出优异的塑性、强度和超大的应变硬化能力。将金属钨的韧脆转变温度从600℃以上降至室温，室温压缩应变大于20.0％，甚至超过40.0％；压缩强度随压缩应变的增加而升高，呈现出超大的应变硬化能力，室温压缩强度超过3.0GPa，甚至可超过5.0GPa，强塑积是传统钨合金的4倍以上；具有优异的热稳定性，在2000℃高温处理10h，平均晶粒尺寸不超过5.0μm,甚至小于3.0μm，仅为传统钨合金的1/10

【技术实现步骤摘要】
一种具有超大应变硬化能力的高强度高塑性钨合金


[0001]本专利技术属于粉末冶金
，涉及一种具有超大应变硬化能力的高强度高塑性钨合金。

技术介绍

[0002]金属钨(W)是熔点(3390～3423℃)和沸点(5700
±
200℃)最高、蒸汽压最低的金属，此外，还具有高密度(19.3g/cm3)、高弹性模量、高强度以及低热膨胀系数等一系列优异特性，在现代国防、原子能、电真空等工程应用领域占有重要地位，在一些特殊高温应用领域具有不可取代的作用。然而，由于晶界结合力差以及低于韧脆转变温度(DBTT)时有效滑移系少，金属钨在室温下表现为脆性(近乎零塑性)，极大限制了其应用，这也是该类脆性金属材料存在的通病和瓶颈。因此，如何提高金属钨在室温下的韧塑性和可加工性，是目前该领域的一大挑战。
[0003]近年来围绕金属钨的韧化开展了大量研究，目前认为最有效的方法是形变和铼合金化，然而前者局限于生产丝材或板材产品，而后者由于铼价格昂贵且通常需要配合变形加工，此外，这些方法制备工艺复杂，成本高，且局限于制备形状简单的产品，在制备形状复杂的产品存在一定的困难。因此，金属钨的新的强韧化方法研究对促进其发展和应用意义重大。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种具有超大应变硬化能力的高强度高塑性钨合金，具体成分、组织和性能如下：
[0005](1)成分：由金属钨基体与陶瓷第二相组成，第二相体积分数在3.0～40.0％之间。第二相为氧化物(La2O3、Y2O3、Lu2O3、Ce2O3、Al2O3、ZrO2、ThO2、HfO2)、碳化物(TiC、ZrC、TaC)、氮化物(AlN、TiN、BN)或硼化物(B4C、TiB2、ZrB2、HfB2)中的至少一种。
[0006](2)显微组织：相对密度不低于95.0％，钨晶粒平均尺寸不超过3.0μm。陶瓷第二相粒子均匀分布在钨晶粒内部与晶界处，并与钨基体形成良好的界面结构，优选为共格或半共格界面。其中，晶内第二相粒子体积分数为1.0～10.0％，平均粒径不超过100.0nm，晶界第二相颗粒体积分数为2.0～39.0％，平均粒径不超过2.0μm。
[0007](3)性能：具有低的韧脆转变温度、高的强度和塑性以及优异的热稳定性。将金属钨的韧脆转变温度从600℃以上降至室温，室温压缩塑性大于20.0％，甚至可超过40.0％；压缩强度随压缩应变的增加而升高，呈现出超大的应变硬化能力，室温压缩强度大于3.0GPa，甚至超过5.0GPa，较传统钨合金提高2
‑
4倍；在2000℃高温处理10h，平均晶粒尺寸不超过5.0μm，甚至小于3.0μm，仅为传统钨合金的1/10～1/5。
[0008]进一步地，所述具有超大应变硬化能力的高强度高塑性钨合金的相对密度优选为不低于98.0％。
[0009]进一步地，所述具有超大应变硬化能力的高强度高塑性钨合金的晶粒尺寸优选为
小于2.0μm。
[0010]进一步地，所述具有超大应变硬化能力的高强度高塑性钨合金中所含第二相颗粒体积分数优选为：6.0～20.0％，晶内第二相颗粒体积分数优选为2.0～8.0％，平均粒径优选为小于60.0nm；晶界第二相颗粒体积分数优选为4.0～18.0％，平均粒径优选为小于1.2μm；晶内和晶界处第二相粒子均与钨基体具有良好的界面结合，优选为共格结构(即，两相界面上原子呈完全匹配关系)。
[0011]进一步地，所述具有超大应变硬化能力的高强度高塑性钨合金室温下具有高塑性，室温压缩塑性甚至可超过40.0％。
[0012]进一步地，所述具有超大应变硬化能力的高强度高塑性钨合金室温下具有高强度，室温压缩强度甚至可超过5.0GPa，较传统钨合金提高2
‑
4倍。
[0013]进一步地，所述的具有超大应变硬化能力的高强度高塑性钨合金具有优异的热稳定性，在2000℃高温处理10h，平均晶粒尺寸甚至小于3.0μm，仅为传统钨合金的1/10～1/5。
[0014]本专利技术无需形变以及铼合金化，创造性地将室温脆性金属钨与脆性陶瓷巧妙复合，合理控制晶内第二相粒子体积分数和晶界第二相粒子体积分数的比例，并使第二相粒子与金属W形成共格或半共格界面，即可在室温下使二者实现协同变形，材料呈现出优异的塑性、强度和超大的应变硬化能力。以往文献报道的采用热等静压、放电等离子烧结和轧制等工艺制备的细晶钨合金，通常表现为塑性高则强度低，强度高则塑性低，然而，本专利技术所提供的钨合金表现出了强度和塑性的独特组合，压缩强度随着压缩应变的增加而升高，具有超大的应变硬化能力和高强高塑性的特点，不仅彻底打破了金属钨因其脆性无法进行室温变形加工以及材料强度与塑性通常不可兼得的传统认知，而且还为其他脆性材料(如脆性金属钼、陶瓷等)的强韧化设计提供了新思路。
[0015]金属钨室温脆性大，且韧脆转变温度(DBTT)高(通常高于600℃)，这不仅造成金属钨室温下无法进行变形加工，而且使其应用受到了限制。本专利技术将金属钨的韧脆转变温度从600℃以上降至室温，室温下即具有优异的加工变形能力，其压缩应变超过20.0％，甚至可高达40.0％以上，这对于改善金属钨的加工性能及拓展其应用具有重要意义。
[0016]由于应变硬化能力差，传统超细晶钨的室温压缩强度较低，通常小于2.0GPa。本专利技术将金属钨的应变硬化能力和压缩强度大幅提高，其室温压缩强度可达3.0GPa，甚至超过5.0GPa，较传统钨合金提高2
‑
4倍。
[0017]传统钨合金在高温服役后，通常会出现晶粒异常长大，将金属钨在高于2000℃处理，晶粒尺寸往往会长大到30.0μm以上。本专利技术所提供的钨合金具有优异的热稳定性，在2000℃处理10h后，平均晶粒尺寸不超过5.0μm，甚至小于3.0μm，仅为传统钨合金的1/10～1/5。
具体实施方式
[0018]实施例1
[0019]一种氧化镧弥散强化钨合金，相对密度为97.0％，钨晶粒尺寸为0.5μm，氧化镧体积分数为6.0％，晶内氧化镧颗粒平均尺寸为60.0nm，体积分数约2.0％；晶界处氧化镧颗粒平均尺寸150.0nm，体积分数4.0％；材料的室温压缩强度为3.1GPa，断裂应变达到24.0％。
[0020]实施例2
[0021]一种氧化镧弥散强化钨合金，相对密度为97.9％，钨晶粒尺寸为0.7μm，氧化镧体积分数为13.5％，晶内氧化镧颗粒平均尺寸为60.0nm，体积分数约3.0％；晶界处氧化镧颗粒平均尺寸150.0nm，体积分数10.5％；材料的室温压缩强度为3.3GPa，断裂应变达到26.2％。
[0022]实施例3
[0023]一种氧化镧弥散强化钨合金，相对密度为98.2％，钨晶粒尺寸为0.9μm，氧化镧体积分数为13.5％，晶内氧化镧颗粒平均尺寸为60.0nm，体积分数约3.5％；晶界处氧化镧颗粒平均尺寸200.0nm，体积分数10.0％；材料的室温压缩强度为4.2GPa，断裂应变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有超大应变硬化能力的高强度高塑性钨合金，其特征在于成分、组织和性能如下：(1)成分：由钨基体与第二相粒子组成，第二相粒子粒体积分数在3.0～40.0％之间，为氧化物(La2O3、Y2O3、Lu2O3、Ce2O3、Al2O3、ZrO2、ThO2、HfO2)、碳化物(TiC、ZrC、BC)、氮化物(AlN、TiN、BN)或硼化物(B4C、TiB2、ZrB2、HfB2)中的至少一种；(2)组织：相对密度不低于95.0％，钨晶粒平均尺寸不超过3.0μm；第二相粒子均匀分布在钨晶粒内部与晶界处，并与钨基体形成良好的界面结合，其中晶内第二相颗粒体积分数为1.0～10.0％，平均粒径不超过100.0nm，晶界第二相颗粒体积分数为2.0～39.0％，平均粒径不超过2.0μm；(3)性能：具有低的韧脆转变温度、高的强度和塑性以及优异的热稳定性；韧脆转变温度从600℃以上降至室温，室温压缩应变大于20.0％；压缩强度随压缩应变的增加而升高，呈现出超大的应变硬化能力，室温压缩强度大于3.0GPa；在2000℃高温处理10h，平均晶粒尺寸不超过5.0μm。2.根据权利要求1所述高强高塑性钨合金，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦明礼，杨军军，陈刚，樊峰嵩，章林，吴昊阳，贾宝瑞，许贺彬，于瀛，曲选辉，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：