【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于粉末冶金液相烧结钨合金领域，具体涉及一种高致密度的钨合金及其制备方法。
技术介绍
1、钨合金是一种复合材料，通常由高强度高硬度的钨颗粒和软质的粘结相组成。钨合金具有高强度(＞900mpa)、高硬度(＞400hv)、高韧性(延伸率＞20％)、高密度(＞17g/cm3)等显著特点。这些优势使钨合金被广泛应用于军事国防领域，如子弹、炮弹、手榴弹和火炮部件，特别是其高密度的特点，使其被视为穿甲弹的最佳材料。钨合金穿甲弹具备极高的动能，穿甲能力优异，可以击穿多层复合装甲和大倾角装甲。钨合金穿甲弹对比贫铀弹，具有无辐射、无污染、成本低等显著优势。
2、由于钨的熔点较高，使用熔炼法制备钨基材料晶粒粗大，性能下降。因此，钨合金的制备通常采用粉末冶金方法。粉末冶金法制备钨合金需要经历粉末混合-压制成型-烧结三步工艺。其中，在压制成型过程中，采用模压、冷等静压等方式只能将压坯的致密度提升到60～65％，在烧结过程中，压坯中会产生大量孔洞，因此，烧结过程中加压可以有效提升钨合金的相对密度。同时，烧结工艺也会严重影响钨合金的性能。常见的钨合金粉末冶金方法有放电等离子体烧结法、热等静压烧结法、真空热压烧结法。其中，放电等离子体烧结法可以在较大的电流和较高的压力下，使粉末在短时间内完成合金化。但因为液相会损坏放电等离子体烧结设备，因此，通常采用固相烧结法在较低的温度下进行烧结，合金的性能和致密度较差。热等静压烧结可以在高温下施加等静压力，在较低的烧结温度下获得致密的钨合金。但热等静压烧结需要较高的封装技术，热等静压包套的成本较高，
3、201810255013.1改进型钨合金及其制备方法中，对于钨合金的烧结步骤公布如下：烧结，将压制好的成型钨合金放在烧结炉中进行烧结，以升温速率为450℃/h的升温速度升至900℃，在900℃的温度下保温4h，再由900℃升温至1400℃，升温速率为75℃/h，保温4h，这段时间的烧结工艺为固相烧结工艺；再由1400℃升温至1440℃，升温速率为40℃/h，保温1h，这段时间的烧结工艺为液相烧结工艺；以上的烧结阶段是在持续通入氢气下进行的。最后由1440℃温度下降至1100℃，在1100℃时将氢气转换为氮气，由1100℃直至到自然温度，在将制备好的钨合金取出，得到60w-28ni-12fe合金。然而，由于烧结过程中没有对样品施加压力，钨合金致密度较低(相对密度83～87.2％)，合金抗拉强度(小于265mpa)和延伸率(低于2.3％)极差。
技术实现思路
1、针对现有技术中粉末冶金钨合金在真空热压烧结过程中无法加压，合金相对密度较差的问题，本专利技术的第一个目的在于提供一种高致密度的钨合金的制备方法，本专利技术采用真空+热压，固-液相多级烧结的方法，制备获得相对密度≥99.5％的钨合金。
2、本专利技术的第二个目的在于提供上述制备方法所制备的高致密度的钨合金。
3、为实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：
4、本专利技术一种高致密度的钨合金的制备方法，将钨合金压坯于真空下升温至预烧温度，并在到达预烧温度时加压，于15-20mpa的压力下进行预烧，预烧完成后，降压至5-15mpa，然后升温至固相烧结温度，进行固相烧结，固相烧结完成后，降压至0mpa，然后升温至液相烧结温度，进行液相烧结，即得钨合金；所述预烧的温度为850-950℃，固相烧结的温度为1200-1300℃，液相烧结的温度为1450-1500℃。
5、本专利技术中所提供的压力为相对压力，0mpa时即是相对于真空表来说的常压。
6、本专利技术的制备方法，采用真空+热压，固-液相多级烧结的方法，先在真空下升温，由于钨合金压坯含有大量的气孔，真空环境下有助于压坯中气体的排出,气体的排出有助于钨颗粒之间的连接接触，真空环境会降低压坯中各成分的熔点，有助于钨颗粒之间烧结颈的形成，然后在到达预烧温度时加压，于15-20mpa的压力下进行预烧，在预烧下进行压力烧结，进一步的促进钨粉末之间形成烧结颈，促进钨合金中钨骨架的形成，然后降压至5-15mpa，再升温至1200-1300℃进行固相烧结，由于固相烧结时，一方面，由于温度升高，钨合金粘结相的强度下降，因此适当的降低压力，可以有助于钨骨架的维持，另一方面，又由于钨合金粘结相的强度下降，保持一定的压力，通过施加5-15mpa的压力，可以通过变形很好的填充钨骨架中的空隙，通过固相烧结保温，使压坯密度迅速提高，最后通过降压至0mpa，并升温至液相烧结温度，可以避免粘结相的弹性变形，使粘结相充分的填充空隙，最终经液相烧结获得高致密度的钨合金。
7、本专利技术的制备方法，通过先于压力下进行预烧，促进烧结颈的形成，在预烧过程中，只发生钨颗粒之间的冶金结合，使其提前成型，从而降低固相烧结温度，使得本专利技术中可以在较低的温度1200-1300℃时进行固相烧结，而由于固相烧结温度与液相烧结温度的区间较大，从而可以实现在固相烧结时加压，在液相时不加压，若本专利技术不在加压下进行预烧，则需要在更高的温度下进行固相烧结致密化，此时，由于温度已接近γ-(ni,fe)相的熔点，热场波动及粘结相局部成分的偏析会导致压坯中提前出现液相。提前出现的液相在压力作用下快速挤出，这会导致压坯坍塌、变形。同时，挤出的液相也会与加压模具(通常为石墨)反应，轻则导致脱模困难，重则导致模具乃至设备的损坏。
8、在本专利技术的整个制备过程中，需要有效的控制温度与压力，如预烧时温度较低，粘结相并没有通过扩散形成稳定的γ-(ni,fe)相，大量镍和铁粉仍以颗粒形式存在。此时，过高的压力会使颗粒之间发生运动，宏观上压坯边缘会开裂掉粉；而过小的压力则不足以使钨颗粒之间达成初步的接触；无法有效的促进烧结颈的形成；而固相烧结温度过高会导致大量钨颗粒之间互相结合，从而形成大块的钨颗粒，这些大块钨颗粒之间仍存在孔隙，而由于封闭的钨颗粒的阻挡作用，后续的液相很难填充这些孔隙，因此，这种结构是不利于后续的致密化烧结的，而且固相烧结温度过高，不利于固相烧结时加压，而液相不加压。
9、优选的方案，所述钨合金压坯由钨粉、镍铁基粉末混合后，压制成型获得。
10、进一步的优选，所述钨合金压坯中，钨粉的质量分数为85-95％。
11、进一步的优选，所述镍铁基粉末中，包含镍与铁，且镍与铁的总质量占比≥85％，同时按质量比计，镍：铁＝6-8：2-4。
12、本专利技术的烧结方法，即适用于w-ni-fe合金，也适用于w-ni-fe-co基合金，但是需要控制镍与铁的总质量总占比≥85％。
13、进一步的优选，所述压制成型的方式为模压或冷等静压。
14、优选的方案，所述钨合金压坯的致密度≥55％，优选为≥60％。
15、优选的方本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高致密度的钨合金的制备方法，其特征在于：将钨合金压坯于真空下升温至预烧温度，并在到达预烧温度时加压，于15-20MPa的压力下进行预烧，预烧完成后，降压至5-15MPa，然后升温至固相烧结温度，进行固相烧结，固相烧结完成后，降压至0MPa，然后升温至液相烧结温度，进行液相烧结，即得钨合金；所述预烧的温度为850-950℃，固相烧结的温度为1200-1300℃，液相烧结的温度为1450-1500℃。
2.根据权利要求1所述的一种高致密度的钨合金的制备方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的一种高致密度的钨合金的制备方法，其特征在于：所述钨合金压坯的致密度≥55％。
4.根据权利要求1所述的一种高致密度的钨合金的制备方法，其特征在于：先将钨合金压坯置于真空热压烧结炉中，抽真空，当真空度＜5×10-3Pa时，开始以5-15℃/min的升温速度升温至预烧温度，升温期间控制真空度＜1×10-2Pa。
5.根据权利要求1或4所述的一种高致密度的钨合金的制备方法，其特征在于：在到达预烧温度时，于5-10min内加压至15-20MPa；
6.根据权利要求1所述的一种高致密度的钨合金的制备方法，其特征在于：预烧完成后，在5-10min内降压至5-15MPa；
7.根据权利要求1所述的一种高致密度的钨合金的制备方法，其特征在于：
8.根据权利要求1或7所述的一种高致密度的钨合金的制备方法，其特征在于：以5-8℃/min的速度升温至液相烧结温度，进行液相烧结；所述液相烧结的时间为0.5-1.5h。
9.根据权利要求1所述的一种高致密度的钨合金的制备方法，其特征在于：所述液相烧结完成后，先以5-10℃/min速度降温至850-950℃，然后再随炉冷却至室温。
10.权利要求1-9任意一项所述的制备方法所制备的一种高致密度的钨合金。
...【技术特征摘要】
1.一种高致密度的钨合金的制备方法，其特征在于：将钨合金压坯于真空下升温至预烧温度，并在到达预烧温度时加压，于15-20mpa的压力下进行预烧，预烧完成后，降压至5-15mpa，然后升温至固相烧结温度，进行固相烧结，固相烧结完成后，降压至0mpa，然后升温至液相烧结温度，进行液相烧结，即得钨合金；所述预烧的温度为850-950℃，固相烧结的温度为1200-1300℃，液相烧结的温度为1450-1500℃。
2.根据权利要求1所述的一种高致密度的钨合金的制备方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的一种高致密度的钨合金的制备方法，其特征在于：所述钨合金压坯的致密度≥55％。
4.根据权利要求1所述的一种高致密度的钨合金的制备方法，其特征在于：先将钨合金压坯置于真空热压烧结炉中，抽真空，当真空度＜5×10-3pa时，开始以5-15℃/min的升温速度升温至预烧温度，升温期间控制真空...
【专利技术属性】
技术研发人员：马运柱，王垚，黄宇峰，刘文胜，张磊，樊沛源，李梓怡，黄哲，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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