基于93W-4.9Ni-2.1Fe新型高密度钨合金的制备技术与性能研究

发布时间：2020-10-28 03:59

　　 高密度W-Ni-Fe合金是由体心立方(bcc)结构的W相与面心立方(fcc)结构的粘结相组成的双相复合材料,由于具有许多优异的物理和力学性能而被广泛应用在国防军工和民用领域。目前,钨合金的制备方法仍为冷等静压或模压成型后再进行液相烧结。除烧结方式外,合金成分和后处理对钨合金的性能有重要影响。本论文以93W-4.9Ni-2.1Fe合金为对象,通过添加纳米Al_2O_3/ZrO_2陶瓷相和金属Co来制备新型高密度钨合金,并对其进行形变处理或渗碳-循环热处理,研究不同成分和后处理方式对钨合金的显微组织、成分分布、力学性能和磨损性能的影响。采用液相烧结(1520℃保温90 min)和固溶淬火(1200℃保温60 min)制备了纳米Al_2O_3/ZrO_2陶瓷颗粒增强的高密度钨合金(陶瓷相含量为0 wt%~3 wt%)。钨合金的致密度与拉伸性能随陶瓷相含量的增加而降低,致密度从99.1%下降至98.2%,抗拉强度和延伸率分别由944 MPa与24.3%下降至705 MPa与2.9%,合金的断裂方式由W晶粒穿晶解理断裂为主转变为W-W界面断裂为主。相反地,合金的室温压缩屈服强度和硬度随Al_2O_3/ZrO_2陶瓷相含量的增加而增加,分别从未添加时的743 MPa和298 HV提高至843 MPa和350 HV(陶瓷相含量为3 wt%)。摩擦磨损实验表明,随纳米陶瓷相含量的增加,钨合金的摩擦系数变化不大,基本维持在0.5~0.65之间,磨损机制由粘着磨损与磨粒磨损共同作用转变为磨粒磨损为主,当Al_2O_3/ZrO_2含量大于1 wt%时,钨合金的磨损量有所下降。采用固溶淬火处理不同Co含量(0 wt%~1.5 wt%)的93W-4.9Ni-2.1Fe合金(1480℃保温60 min)。合金的致密度与拉伸性能随Co含量的增加而增加,当Co含量为1.5 wt%时,合金的抗拉强度和延伸率达到最高值,分别为985 MPa与31%。合金的室温压缩屈服强度和硬度对Co含量不敏感。对93W-4.2Ni-1.8Fe-1Co合金进行0%~30%变形量的旋锻处理,合金的抗拉强度、室温压缩屈服强度和硬度均随变形量的增加而增加,在30%的旋锻变形量时分别达到1403 MPa、1438 MPa、491 HV。然而合金的延伸率却随变形量的增加急剧下降。采用渗碳-循环热处理一体化技术对93W-4.9Ni-2.1Fe、93W-3.85Ni-1.65Fe-1.5Co和92.07W-4.85Ni-2.08Fe-1(Al_2O_3/ZrO_2)合金同时进行表面硬化和芯部增韧处理。结果表明:三种合金经渗碳-循环热处理后总渗碳层均由最外层WC层和次表层芯壳层组成,93W-4.9Ni-2.1Fe合金与92.07W-4.85Ni-2.08Fe-1(Al_2O_3/ZrO_2)合金生成的三元碳化物为Ni_2W_4C与Fe_6W_6C,而93W-3.85Ni-1.65Fe-1.5Co生成的三元碳化物为Ni_2W_4C与Co_2W_4C。随循环次数的增加(0~20次),三种合金的弯曲强度均呈下降趋势,渗碳层的断裂方式以碳化物断裂和碳化物与W颗粒界面断裂为主;合金的显微硬度得到显著提高,表面硬度最高达1050 HV左右。当热处理循环次数为5次左右时,合金具有较好的综合力学性能。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TF841.1
【部分图文】：

织与宏观力学性能，某实验用微波炉炉腔示意图如图 1-1 所示波烧结具有多种优点，研究者们便利用其对高密度钨合金展开了hyaya 等[22]对 92.5W-6.4Ni-1.1Fe 合金进行了常规液相烧结和微波烧结和微波烧结分别在功率为 4.5 KW 的管式炉和功率为 2 KW 的结温度均为 1500 ℃，由于微波烧结升温速率可达 20 ℃/min，是的 4 倍，因此大大缩短了烧结时间。且相比于常规烧结的显微组出现 NiW，Fe7W6等脆性相，合金的 W 晶粒尺寸更细小，基体是合金的 W-W 晶粒连接度与二面角更大。国内刘文胜等[23]对微波烧结的机械性能与显微组织转变进行了研究，结果显示：微在基体相中的溶解和扩散，强化了烧结活性。随着微波烧结温度逐渐减少直至消失，W 颗粒和粘结相分布更为均匀，但 W 颗粒波烧结温度的升高，93W-4.9Ni-2.1Fe 合金的界面结合强度得到提，合金的断裂模式也从晶间断裂转变为 W 晶粒穿晶断裂。

烧结时间短，晶粒生长被充分抑制，可制备纳米晶或超细晶具有一定的“清洁”和活化作用；升温速率快，节能环保，生产效率放电等离子烧结技术在制备 W-Ni-Fe 高密度钨合金方面，国内虽起步起众多研究者们的重视，并进行了大量的报道。向道平等[24]研究了放对钨合金的影响，结果表明：随烧结温度的升高，合金诺氏硬度不断持续上升。当烧结温度从 1000 ℃上升到 1200 ℃时，W 晶粒尺寸不沿晶断裂在抗弯断裂方式中占绝对优势。胡可等[25]研究了 93W-5.6Ni-1时间下的放电等离子烧结，并探讨了该钨合金的致密化与晶粒长大行洞附近的局部温度梯度能使粘结相融化或软化，形成包覆 W 颗粒的 在粘结相中的溶解度。在放电等离子烧结初始阶段，致密化主要表现颈的形成与长大，此时粘结相已生成。在放电等离子烧结中间阶段，溶扩散和粘滞效应共同促进合金的致密化与晶粒长大。在放电等离子烧结扩散和溶解-再析出使晶粒快速长大，在致密化过程中起主导作用。

图 1-3 所示为旋转锻造原理图，目前它是我国穿甲弹用高密加工方法。锻造前钨合金一般需加热到 600~800 ℃，常规的锻般一次最大变形量不能超过 25%~30%，否则材料易产生破坏退火，温度范围在 500~1100 ℃，通常以加热-锻造-退火为一个u 等[54]研究了 93W-4.9(Ni,Co)-2.1Fe 合金旋锻后的显微组织与至 600 ℃进行形变处理，变形量在 15%~84.8%之间，结果显具有最高的抗拉强度，达到 1490Mpa，但是延伸率只有 2.5%穿晶断口。对变形合金进行透射分析发现 W 晶粒和 W-Ni-Fe位错，使合金抗拉强度显著提高。国外 Levin 等[55]研究了 90W的硬度与热稳定性，结果显示合金的硬度随形变量的增大而增加RC 左右，W 颗粒的形貌由近球形拉长为椭球形或片状。退火温度为 500 ℃，而 W 相再结晶的温度大约为 800 ℃。
【参考文献】

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本文编号：2859554