放电等离子烧结钽钨合金致密化及性能研究

发布时间：2020-11-20 04:39

　　 钽钨合金具有良好的室温加工性、耐腐蚀性、超耐温特性以及低蒸气压和高温下的低蒸发速率等优点,被广泛用于电子技术、航空航天技术、武器系统等重大工程领域。传统电子熔炼技术制备的钽钨合金,其晶粒粗大,轧制导致的各向异性明显。基于此,本文结合机械合金化和放电等离子烧结技术制备了高性能的钽钨合金材料。探讨了放电等离子烧结技术制备的钽及钽钨合金的致密化影响机制、组织结构演化行为、工艺参数对合金力学性能的影响规律。取得如下研究成果:纯钽的放电等离子烧结快速致密化温度区间为800℃-1300℃,其收缩速率最大值在1100℃。当烧结温度从1500℃增至1900℃,致密度、晶粒尺寸逐渐增大,材料的抗拉强度、抗弯强度增大,显微硬度先增大后降低,试样断裂方式由脆性断裂转变为韧性断裂。烧结过程中,对于低温/低有效应力指数n≈1.6,纯Ta烧结的表观活化能为107.01KJ/mol,其致密化机制是晶界滑移联动的一系列界面反应和晶界扩散;对于高温/高有效应力指数,当n=3.1时致密化机制为位错攀移,且其位错源密度与有效应力相关;当n=4.1时致密化机制仍然是位错攀移,但位错源密度与有效应力无关。在轴向压力为35Mpa,炉腔真空度小于10Pa的条件下,以100℃/min的升温速率,从室温升至700℃,保温5min,再升温至1200℃,保温5min,随后升温到1600℃,保温5min,最后随炉冷却至室温,纯钽试样呈现优异的室温延展性,其抗拉强度为325.3Mpa,极限抗弯强度338.83Mpa。Ta-2.5wt%W、Ta-5wt%W、Ta-7.5wt%W、Ta-10wt%W的混合粉末在烧结温度1600℃下能够实现合金化,形成致密度最高可达94.3%的钽钨固溶体。发现随着钨含量的增加合金致密和晶粒尺寸呈下降趋势,显微硬度和合金强度增强,塑性下降。Ta-10wt%W合金脆性增大,其抗拉强度693.41Mpa,抗弯强度749.25Mpa。综合分析了机械合金化对Ta-10wt%W复合粉末的影响,得出了预合金粉末制备的优化工艺。机械合金化能提高粉末烧结性,细化晶粒,提高合金力学性能,合金烧结致密度最高可达98.5%,室温极限压强度可达2239Mpa,其在1000℃下的抗拉强度是214Mpa。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.416
【部分图文】：

钨的主要价态有（–2），（–1），（0），（+1），（+2），（+3），（+4），（+5）和（+6），（+6）及（+4）是最常见的价态[1,13]。（2）热性能钽是除了钨、铼和锇等难熔金属之外熔点最高的金属，钽的熔点为2996℃，钨是熔点最高的金属，其熔点为 3460℃。他们都有低的蒸气压和高温下低的蒸发速率等优点。图 1-1 为钽和钨的热性能参数随温度变化而变化的曲线，表 1-1为钽和钨的热性能参数随温度变化的方程。

图 1-2 Ta-W 二元相图钽钨合金中间隙元素对合金的性能有很大的影响，钽中C、H。其中氧元素对钽的危害最大，在钽中形成间虽然能够一定程度增加钽合金的强度，但大大降低钽钽合金生产过程中应该尽量避免氧的污染。氢在钽中的而降低的，钽中氢含量的增加大大降低了钽的塑性，表对钽的塑性的影响。氮和碳在高温下直接与钽反应生等化合物化合物[1,2,15-17]。表 1-4 氢对钽塑性的影响[2] 时间/h 增重/% 130.0110.031钽钨合金的应用优越的高温性能、优良室温加工性、优异的抗腐蚀性能

图 1-4 放电等离子烧结的工作原理图等离子烧结的原理粉末冶金烧结技术主要是以直接加热和间接加热两种方所采用的电流是常规的直流电或者交流电，放电等离子流。其烧结过程可以看作粉末颗粒的放电、电阻加热和过程中电流通过粉末的示意图如 1-5 所示，脉冲电流，粉末颗粒间放电产生局部高温，一方面使颗粒表面氧化了粉末颗粒的表面；另一方面高温等离子的冲击清除表面吸附的气体杂质，在电场的辅助加热下实现粉末颗散。而且在电流冲击压下粉末颗粒间接触部分形成烧结分快速扩散并降温，使得烧结颈形成，图 1-6 为放电形成示意图。放电等离子烧结在电场的辅助加热下能活颈促进粉末颗粒间物质的传输。其独特的烧结机理被广、金属间化合物、超高温陶瓷、纳米材料、功能梯度材
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本文编号：2890963