CN105088017A

CN105088017A - 一种双相高密度可铸锻动能钨镍钴合金及制备方法

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Publication number: CN105088017A
Application number: CN201510567928.2A
Authority: CN
Inventors: 王春旭; 厉勇; 谭成文; 刘少尊; 于晓东; 王富耻; 黄顺喆; 韩顺; 刘宪民; 李建新; 庞学东
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2035-09-08
Also published as: CN105088017B

Abstract

一种双相高密度可铸锻动能钨镍钴合金及制备方法，属于动能合金领域，该合金的化学成分重量％为：W？35-65％,Ti？0-3％,Al？0-3％，Nb？0-8％，Ta？0-10％，余量为Ni或Co或NiCo及不可避免的杂质元素及微量元素如稀土等。制备方法采用真空感应+真空自耗重熔。本发明与现有技术相比综合性能优良，具有高密度高韧性和超高强度，超高动态强度等优异性能，密度达到11.0-15.0g/cm³、冲击韧性达到80J/cm²以上、静态拉伸强度达到1300MPa以上、动态压缩强度达到1800MPa以上。

Description

一种双相高密度可铸锻动能钨镍钴合金及制备方法

技术领域

本发明属于动能合金技术领域，特别涉及一种双相高密度可铸锻动能钨镍钴合金(DT790)及制备方法，该合金具有高密度高韧性和超高强度，动态强度高等优异性能，密度达到11.0-15.0g/cm³、冲击韧性达到80J/cm²以上、静态拉伸强度达到1300MPa以上、动态压缩强度达到1800MPa以上。

背景技术

在此之前，国际上常用的高密度材料主要是钨合金，由于钨的熔点过高，此类材料通常采用粉末冶金的方法烧结成型，目前国际上广泛使用的钨合金有W90、W93、W95和W97等，此类材料的密度很高，可以达到15-18g/cm³，但强度较低韧性较差，正常烧结态的抗拉强度达到800-1000MPa，伸长率达到20-30％，为达到更高的强度，需要经过大塑性变形，其强度可达到1400MPa左右，但塑韧性降低厉害，只有10％左右；特别是粉末冶金工艺决定了钨合金的显微组织是钨颗粒+粘结相的两相结构。以广泛应用的93W为例，近似球形的钨颗粒分布于W-Ni-Fe的粘结相中，组织缺乏一致性和连续性，在高应变速率加载条件下力学性能不佳，限制了大量推广应用前景。以粉末冶金液相烧结法制备的钨合金，其强化方式只能为形变强化，而无法用到金属材料中广泛应用的第二相强化。这就决定了未经变形的钨合金的力学性能很难提高。而对于大尺寸钨合金零件，对变形设备的要求极高，同时变形也容易不均匀，影响组织的均匀性，这也决定了大尺寸钨合金的力学性能很难提高。

几种钨合金的化学成分和力学性能见表1和表2。

表1高密度钨合金轧制性能(70W-21Ni-9Fe)

	状态	变形量	抗拉强度MPa	屈服强度MPa	伸长率％
						1	冷轧	18％	1233	1116	12.5
2	冷轧	18％	1216	1104	11.9
						3	冷轧	50％	1494	1344	4.3
4	冷轧	50％	1416	1310	7.2
						5	热轧		1216	834	11
6	热轧		1189	860	23

表2高密度钨合金形变强化力学性能

	成分	状态	变形量％	抗拉强度MPa	延伸率％
						1	93W-7(Ni,Fe)	旋锻	18％	1279	7.7
2	91W-9(Ni,Fe)	锻造	48％	1370	6
						3	90W-7Ni-3Fe	旋锻	17％	1103	13
4	93W-5Ni-2Fe	旋锻	18％	1199	7.6
						5	93W-5Ni-2Fe	包套挤压	80％	1496	3.3
6	93W-7(Ni,Fe)	旋锻	70％	1430	12
						7	90W-7Ni-3Fe	旋锻+热处理	18％	1230	12
8	93W-5Ni-2Fe	旋锻+热处理	18％	1358	5

希望能够研制一种能够采用普通锻铸冶金工艺生产的高密度合金，具有可铸造可锻造的工艺特点，突破以往钨合金制备尺寸和强度的极限，同时具有高密度高韧性和超高强度，动态强度高等优异性能。由此在钨-镍固溶体或钨-钴固溶体中加入强化元素如Ti、Al、Nb等形成强化相γ＇等通过时效析出提高强度，如发明专利DT730等,但受限于γ＇相形成元素的溶度积，通常此类合金中钨元素含量小于40％时，密度很难提高到12g/cm³以上，诚然当钨元素含量小于40％时，熔点降低至1500℃以下，固溶温度降低到1050℃以下，可以具有较好的铸造和锻造工艺性能，但为进一步提高密度和动能，必须进一步提高钨元素的含量，钨元素超过38％时，合金是双相组织，通常双相钨镍合金的铸造和锻造工艺性能急剧下降，常规的工艺不能简单的适用，需要工艺上的精确控制。

希望研制一种密度达到11.0-15.0g/cm³、冲击韧性达到80J/cm²以上、静态拉伸强度达到1200MPa以上、动态压缩强度达到1800MPa以上的双相高密度合金及其制备方法，使密度进一步提高，同时实现工业化的生产。因此，新概念的双相高钨耐热合金的开发提到科研日程上来。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双相高密度可铸锻动能钨镍钴合金及制备方法，综合性能优良，具有具有高密度高韧性和超高强度，超高动态强度等优异性能，密度达到11.0-15.0g/cm³、冲击韧性达到80J/cm²以上、静态拉伸强度达到1200MPa以上、动态压缩强度达到1800MPa以上，双相高密度可铸锻动能钨镍合金及制备方法。

基于上述目的，本发明的主要技术方案是在钨镍或钨钴单相合金的基础上，与单相钨镍或钨钴合金相比，强化方式由W颗粒增强+Ni4W析出复合强化代替单相动能合金的γ＇相强化，为此合金中W含量控制在35-65％之间，同时也可以采用W及其他强化元素Ti、Al、Nb、Ta元素的复合加入，利用W颗粒增强+Ni4W析出强化与γ＇相复合强化，形成超高强度的高密度(≥11g/cm³)双相超高强度动能合金，同时严格控制(W+Ta)/Ni配比以及(W+Nb)/Ni、(W+Ti+Al)/Ni合金成分配比，本发明钢可采用常规的冶金工艺进行生产，采用真空感应+真空自耗，通过精确控制的铸造、开坯和锻造工艺，实现大批量、稳定性工业化大生产。该合金的化学成分(重量％)为：W35-65％,其他可含有Ti0-3％,Al0-3％和Nb0-8％，Ta0-10％，其余为Ni或Co或(Ni+Co)以及其他不可避免的杂质元素及微量元素如稀土等。本发明与现有技术相比综合性能优良。

上述化学成分的设计依据如下：

Ni：基体元素，保证在得到高密度的同时具有良好的强韧性配合，Ni可以将W固溶于相对低熔点金属中，从而使得采用熔炼的方式制备高密度合金成为可能。由于熔炼不存在致密度的问题，且可以通过锻造的方法细化晶粒，可通过固溶-析出的方式以第二相强化，也是Ni4W强化相，因此，力学性能可以大大提高。

Co：基体元素，可以与Ni互换，可以与Ni复合使用也可以单独应用，可以将W固溶于相对低熔点金属中，从而使得采用熔炼的方式制备高密度合金成为可能。但W在Co中固溶度不及在Ni中的固溶度，因此通常为提高W的固溶含量常采用Ni基或以Ni为主的NiCo复合。Co会促进析出相的析出，同时在Co基高密度动能合金中，Co会形成Co4W相等进行析出强化。因此本发明中Co可以单独最为基体元素使用也可以与Ni复合使用。

W：是提高密度的主要元素，固溶在Ni基体中，不仅提高密度，易可通过Ni4W时效析出强化，理论上W含量越高越好，但W在Ni中固溶度有限，超过40％时获得双相组织，超过70％时则由于熔点过高，只能采用粉末冶金的工艺，如果过低小于35％，密度达不到11.0g/cm³，因此在本专利范围，W含量限定为35-65％。

Ta：是较好的提高密度的元素，作用与W相当，但由于Ta是战略资源，价格昂贵，特别是Ta在冶炼中造成的污染问题限制了Ta的使用，因此本发明将Ta的含量控制在10％以内。

Ti：加入一定量Ti会在时效过程中析出γ’相，可有效提升力学性能，但过多会严重降低塑韧性，因此本发明控制在3％以内。

Al：加入一定量Al会在时效过程中析出γ’相，可有效提升力学性能，但过多会严重降低塑韧性，因此本发明控制在3％以内。

Nb：加入一定量Nb会在时效过程中析出γ’相，可有效提升力学性能，但过多会严重降低塑韧性，因此本发明控制在8％以内。

本发明的高密度超高强度耐热合金易于采用真空感应+真空自耗重熔，其具体工艺参数如下:

钢锭开坯温度1200—1250℃，装炉温度≤600℃；

锻造加热温度：1150－1180℃，1120℃≤开锻温度≤1180℃，850℃≤终锻温度≤950℃；

最终热处理：

加热到580-780℃，热透后5小时≤保温时间≤20小时，空冷；或进行二次时效处理。

根据上述化学成分及生产方法所制备的本发明合金，具有双相组织、高密度、高韧性和超高强度的优点，具体的性能为：密度达到11.0-15.0g/cm³、静态拉伸强度达到1200MPa以上、动态压缩强度达到1800MPa以上。与现有技术相比，本发明综合性能优良，具有更高的强度和密度，同时具有良好动态强度，组织一致性和均匀性好，可采用常规铸造和锻造工艺生产。

附图说明

图1为本发明13#试验钢金相组织图。

图2为对比钢单相钨镍钴合金金相组织图。

具体实施方式

根据本发明双相高密度可铸锻动能钨镍钴合金的化学成分范围，采用25公斤真空感应炉制备20公斤的合金锭15炉，其具体化学成分见表1.

试验钢冶炼浇铸成钢锭后，进行1180℃开坯，锻造加热温度为1170℃，终锻温度900℃。锻造试棒尺寸为：φ15×2000、15×15×2000。

锻后试棒首先进行试样段加工拉伸、冲击试样毛坯。最后进行时效处理：时效处理700℃×10h，AC。试样毛坯磨削加工后即可测试力学性能见表2。

为了对比，在表1和表2列入了对比例93W-7(Ni,Fe)等的化学成分和力学性能。

从表1看出，与对比例93W-7(Ni,Fe)等钨合金相比，本发明的主要技术方案是钨镍钴组织双相合金，同时可添加Ta、Ti、Al、Nb元素，形成时效强化的高密度(≥11g/cm³)超高强度动能合金，由于严格的(W+Ta)/Ni配比以及(W+Nb)/Ni、(W+Ti+Al)/Ni合金成分配比，本发明钢可采用常规的冶金工艺进行生产，采用真空感应+真空自耗，采用普通锻造技术即可，与钨合金必须采用的粉末冶金方法相比，易于大批量、稳定性工业化大生产，与单相无镍钴合金相比，本发明合金的组织具有均匀颗粒强化和连续性，见1。

由表2看出，本发明钢种与对比例相比，具有高密度高韧性和超高强度，动态强度高等优异性能，可以采用常规工艺生产，密度达到11.0-15.0g/cm³、静态拉伸强度达到1200MPa以上、动态压缩强度达到1800MPa以上.

表5本发明实施例与对比例化学成分(wt％)对比表

表6本发明实施例与对比例力学性能对比表

Claims

1.一种双相高密度可铸锻动能钨镍钴合金，其特征在于，化学成分重量％为：W35-65％,Ti0-3％,Al0-3％，Nb0-8％，Ta0-10％，余量为Ni或Co或NiCo及不可避免的杂质元素及微量元素。

2.一种权利要求1所述的一种双相高密度可铸锻动能钨镍钴合金的制备方法，采用真空感应+真空自耗重熔，其特征在于，工艺中控制的技术参数如下：

钢锭开坯温度1200—1250℃，装炉温度≤600℃；

锻造加热温度：1150－1180℃，1140℃≤开锻温度≤1180℃，900℃≤终锻温度≤1000℃；

最终热处理：

加热到650-780℃，热透后5小时≤保温时间≤20小时，空冷；或进行二次时效处理。