[发明专利]一种高强韧钨合金及其制备方法

说明书

本发明提供一种高强韧钨合金及其制备方法，所述高强韧钨合金的制备方法包括：将钨粉、合金化金属粉和稀土氧化物混合，进行高能球磨，得到双尺寸分布的钨基复合粉末后，将所述钨基复合粉末烧结成型，获得目标钨合金；其中，大颗粒尺寸2‑5微米，占比40‑80％；小颗粒尺寸0.5‑1微米，占比20‑60％。本发明通过将钨粉、合金化金属粉和稀土氧化物混合，高能球磨得到特定双尺寸分布的钨基复合粉末后再烧结，得到高强韧钨合金。该方法改善效果优于现有技术，且所用原料均为微米级金属或微米级稀土氧化物粉末，制备流程简单，采用常规设备即可完成且无需后续热加工处理，为难熔金属的强韧化提供了新的研究思路。

技术领域

本发明涉及难熔金属粉末冶金制备技术领域，尤其涉及一种高强韧钨合金及其制备方法。

背景技术

钨(W)具有高熔点、高密度、高硬度等优异性能，在国防军工、航空航天和核工业等领域具有广泛应用。然而，钨的BCC晶体结构使其具有本征脆性。而且，钨对晶界杂质非常敏感，氧氮等杂质几乎不固溶于钨，而是在晶界处偏聚导致晶界间结合力变弱，使钨表现出低温脆性和再结晶脆性，严重限制了其服役温度窗口。

目前改善钨合金韧性的主流方法包括严重塑性变形(severe plasticdeformation，SPD)、合金化和弥散强化。严重塑性变形可以细化晶粒而显著提高钨合金的韧性，但该方法对设备要求高且只适用于小尺寸样品。此外，严重塑性变形会使样品存储大量形变能，在高温环境中易发生再结晶和晶粒长大，失去细晶组织的优势。对于合金化，Re是工业上最有效的改善钨韧性的合金元素，但是Re价格昂贵且Re在中子辐照后会产生嬗素锇，形成硬脆的α相导致钨合金脆化。对于弥散强化，添加简单氧化物或碳化物的弥散强化有望扩宽钨的服役温度窗口。但是，制备过程中简单氧化物或碳化物易在晶界处形成大尺寸颗粒，导致强化效果差且无法有效改善晶界杂质造成的脆性，限制了其实际工程应用。

发明内容

本发明提供一种高强韧钨合金及其制备方法，用以解决现有技术中钨的低温脆性和再结晶脆性改善效果不显著的缺陷，实现钨的高强韧性，扩宽服役温度窗口。

本发明提供一种高强韧钨合金的制备方法，包括：将钨粉、合金化金属粉和稀土氧化物混合，进行高能球磨，得到双尺寸分布的钨基复合粉末，然后将所述钨基复合粉末烧结成型，获得目标钨合金；其中，所述双尺寸为大颗粒尺寸2-5微米，占比40-80％；小颗粒尺寸0.5-1微米，占比20-60％。

发明人在先前研究过程中，基于本领域常规技术，总将原料粉末球磨至很细很均匀，一般球磨45-50小时，从而让各组分混合均匀。但发明人意外发现，将原料粉末球磨至上述双尺寸范围，更有利于提高钨合金的韧性。发明人推测能获得良好效果是得益于双尺寸复合粉末和复杂弥散相形成的协同作用，缩短球磨时间使添加的合金化金属和稀土氧化物粉末部分固溶到钨粉中，形成双尺寸复合粉末。随后烧结过程中，固溶的合金化金属和稀土氧化物元素会以纳米级复杂氧化物的形式在钨晶粒内部析出，有助于保持细晶结构；同时，未固溶合金化金属和稀土氧化物在晶界处发生反应形成尺寸略大的复杂氧化物，阻碍大尺寸晶粒的进一步长大。以双尺寸复合粉末为原料可烧结得到双尺寸晶粒钨合金，复杂氧化物的形成进一步稳定了该双尺寸晶粒结构，同时消耗了钨基体中杂质氧。基于上述结构特征，所制备钨合金具有良好的强韧性。

其中，为避免氧气的干扰，将钨粉、合金化金属粉和稀土氧化物在有惰性气体保护的手套箱中进行混合。

根据本发明提供的高强韧钨合金的制备方法，所述高能球磨的参数包括球料比为10:1-5:1，球磨转速为300-450转每分钟，球磨时间为5-30小时，球磨气氛为惰性气体。所述惰性气体可为氩气、氮气等常用惰性气体，优选为高纯氩气。

本发明研究发现，为获得上述双尺寸粒径分布，需调控上述高能球磨参数。进一步地，所述球磨时间优选为15-25小时，且最初球磨5h内重新手动混合粉末。

根据本发明提供的高强韧钨合金的制备方法，所述高能球磨采用的球磨罐为WC硬质合金罐，球磨介质为WC硬质合金球。