CN109881048B - 一种高强度高塑性Ni-W-X合金制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度高塑性Ni‑W‑X合金制备方法，该合金的高强度高塑性是指：铸造态屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥800MPa，延伸率30％～50％，属于金属材料制备技术领域，且当原料配比不同时，得到的铸造合金的密度在8.8～12.1g/cm3范围内连续可调。本发明的成型工艺，无需锻造、热处理，对于工业化生产具有重要意义，通过成分及制备方法的选择，可以让合金在铸造态具有高强度，高塑性及连续可调的密度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度高塑性Ni-W-X合金制备方法，该合金的高强度高塑性是指：合金铸造态屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥800MPa，延伸率30％～50％，属于金属材料制备技术领域，且当原料配比不同时，得到的铸造合金的密度在8.8～12.1g/cm3范围内连续可调。
背景技术
在现代战争中，指挥所、武器库等重要军事设施通常建在地下，其上方建有坚固的防御工事。为了打击这类目标，国际上从20世纪80年代开始展开对攻击地下目标的钻地弹的研制和生产。钻地弹战斗部可分为动能侵彻战斗部、串联侵彻战斗部以及新概念战斗部等。其中最成熟的便是动能侵彻战斗部。动能侵彻战斗部的作用原理是利用弹体高速飞行所提供的动能，撞击并侵入坚固目标后引爆战斗部内部的高能***，以毁伤目标。
常用的战斗部结构材料为高强度钢与高密度钨或碳化钨复合而成，钢密度范围7～8g/cm3，钨或碳化钨密度在19.2～19.3g/cm3，现阶段动能侵彻战斗部的密度为9～12g/cm3。这类结构在侵彻过程中，由于材料属性的差异，在连接处会出现损伤，降低侵彻效果，单一合金的战斗部有利于保持弹体侵彻过程的完整性。专利CN201510567928及CN201610853863.2提及的钨镍钴合金密度属于11～13g/cm3,然而其制备过程复杂，铸造之后需要变形处理(锻造、轧制)及热处理，成本高昂。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提出一种高强度高塑性Ni-W-X合金制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种高强度高塑性Ni-W-X合金制备方法，该铸造合金的原材料包括镍钨二元中间合金、Ni单质和X单质；
所述的镍钨二元中间合金中钨的原子百分比为7％～21％；
所述的Ni单质的纯度不低于99％；
所述的X单质的纯度不低于99％，X为Al、Ti、Zr、Nb中的一种或两种以上的混合；
该铸造合金中的W的原子百分比为6％～20％、X的原子百分比为5％～15％，余量为Ni。
本发明的方法以镍钨二元中间合金、镍及X单质作为原材料，在惰性气体保护下，按照合适配比采用真空电弧熔炼或真空感应熔炼均匀后，合金化后得到合金液体，浇筑成型，得到初级合金铸锭。将初级合金铸锭进一步电渣重熔定向凝固得到最终铸锭。
一种高强度高塑性Ni-W-X合金制备方法，该方法的步骤包括：
步骤1：将合金的原材料按熔点由低到高的顺序从下而上堆放到熔炼炉内，对熔炼炉抽真空，当真空度要求小于等于1*10-3Pa后充入保护气体，进行熔炼，并搅拌，得到合金锭；
步骤2：将步骤1得到的合金锭翻转后(即合金锭上下颠倒)放到熔炼炉内，对熔炼炉抽真空，当真空度要求小于等于1*10-3Pa后充入保护气体，进行熔炼，并搅拌，得到初级铸态合金，该步骤是为了确保成分均匀；
步骤3：将步骤2得到的初级铸态合金经过电渣重熔定向凝固后得到最终铸态合金。
所述的步骤1中的保护气体为氩气；熔炼温度为1450℃-1550℃；
所述的步骤2中的保护气体为氩气；熔炼温度为1450℃-1550℃；
所述的步骤3中，电渣重熔定向凝固过程使用的设备为北京钢研高纳科技股份有限公司的ESR-CDS500电渣重熔定向凝固设备。
有益效果
(1)本发明的铸态合金的屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥800MPa，延伸率35％～50％；
(2)本发明的方法步骤简单，无需锻造、热处理，经济实用；
(3)本发明的铸态合金的的密度在8.8～12.1g/cm3范围内，能够满足战斗部结构材料的密度需求。
(4)本发明在镍钨二元中间合金基础上，添加适当比例X元素后，通过X元素与镍聚集偏析，形成细小网格，从而显著提高合金铸态力学性能；
附图说明
图1为实施例制备的Ni81W10Al9合金的X射线衍射(XRD)图谱；
图2为实施例制备的Ni81W10Al9合金的金相照片；
图3为实施例制备的Ni81W10Al9合金的电子背散射衍射图(EBSD)；
图4a为实施例制备的Ni81W10Al9合金的能谱(EDX)Ni元素面分布；
图4b为实施例制备的Ni81W10Al9合金的能谱(EDX)W元素面分布；
图4c为实施例制备的Ni81W10Al9合金的能谱(EDX)Al元素面分布；
图5为实施例制备的Ni81W10Al9合金的拉伸工程应力应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种高强度高塑性Ni-W-X合金制备方法，该铸造合金的原材料包括镍钨二元中间合金、Ni单质和X单质；
所述的镍钨二元中间合金中钨的原子百分比为11％；
所述的Ni单质的纯度不低于99.5％；
所述的X单质的纯度不低于99.5％，X为Al；
该铸造合金中的W的原子百分比为10％、Al的原子百分比为9％，余量为Ni。
制备原子比为Ni81W10Al9合金，具体步骤如下：
步骤一：选用W原子百分比11％的Ni-11W中间合金、纯度99.5％的镍、铝单质作为原材料，使用100#碳化硅砂纸将Ni-11W中间合金及Ni、Al单质进行打磨，得到洁净的原料，使用丙酮超声清洗，称得总质量为1000g的Ni-11W中间合金及Ni、Al单质，再次超声清洗；
步骤二：将超声清洗后的Ni-11W中间合金及Ni、Al单质，将Al堆放于高真空非自耗电弧熔炼炉内，将Ni-11W中间合金堆放于Al的上面，将Ni堆放于Ni-11W中间合金的上面，抽真空，真空度小于等于1*10-3Pa时候，冲入氩气保护，升温进行得到合金溶液后，磁场搅拌均匀，得到合金锭。
步骤三：将步骤2得到的合金锭翻转后再次进行电弧熔炼，并浇铸到模具内，得到初级铸态合金，后经过电渣重熔定向凝固制得Ni81W10Al9铸态合金。
用线切割工艺将所得Ni81W10Al9合金进行切割，进行密度测试时的样品尺寸为10*10*10(单位：mm)，进行金相测试时样品的尺寸为4*4*3(单位：mm)，进行XRD测试时的样品的尺寸为10*10*3(单位：mm)，进行拉伸时的样品依据GB/T-228.1-2010国家标准中有关规定制成工字件试样。随后对金相试样进行镶嵌、磨光、抛光、腐蚀，对密度、XRD和拉伸试样进行磨光、抛光，丙酮超声清洗，得到Ni79W12Al9待测试样。
熔炼设备为中科院沈阳科学仪器股份有限公司生产的Dh1-2型高真空非自耗电弧熔炼炉，及北京钢研高纳科技股份有限公司的ESR-CDS500电渣重熔定向凝固设备，其他性能表征设备如下：
(1)物相分析：Rigaku SMARTLAB X射线衍射仪，工作电压40KV，工作电流190Ma，X射线源为Cu Kα射线；
(2)微观组织：金相采用的是OLYMPUS U-MSSP，电子背散射衍射(EBSD)采用的是TESCAN Mira3LMH，扫描倍数300X，工作电压20KV，样品倾斜度70°，能谱面扫采用的是HITACHI SU 8220，工作电压17KV，扫描时间4.5min；
(3)密度测试：METTLER TOLEDO Density kit ME-DNY-43；
(4)准静态拉伸：INSTRON 5966。
对所述Ni81W10Al9试样进行密度测试，其密度为9.6g/cm3。
对所述Ni81W10Al9试样进行物相分析，其X射线衍射图谱如图1所示。该合金为面心立方结构，单相镍基固溶体。
对所述Ni81W10Al9合金进行微观组织分析，其光学照片如图2所示，可见晶粒被直径44-50μm的网格分割。电子背散射衍射(EBSD)如图3所示，表明铸态平均晶粒尺寸大于250μm，能谱面扫如图4a、图4b、图4c所示，表明晶粒内部镍元素偏析形成网格，铝元素在网格处富集，钨元素在网格内部富集。
对所述Ni81W10Al9合金试样进行准静态拉伸力学性能测试，其拉伸应力-应变曲线如图5所示，可知Ni81W10Al9合金室温拉伸屈服强度为595MPa，抗拉强度为885MPa，断后延伸率为45％。
实施例2-18
实施例2-18采用与实施例1相同的工艺路线，仅合金原料与成分差别，经检测合金的力学性能指标如表1所示。
表1实施例2-18合金成分及性能表
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则下进行的任何等同替换或者局部改进，都将视为在本发明保护范围内。
Claims (1)
1.一种高强度高塑性Ni-W-X合金制备方法，其特征在于：制备该合金的原材料包括镍钨二元中间合金、Ni单质和X单质；
所述的X单质为Al；
所述的镍钨二元中间合金中钨的原子百分比为7％～21％；
所述的Ni单质的纯度不低于99％；所述的X单质的纯度不低于99％；
该高强度高塑性Ni-W-X合金制备方法，步骤包括：
步骤1：将合金的原材料按熔点由低到高的顺序从下而上堆放到熔炼炉内，对熔炼炉抽真空，然后充入保护气体，进行熔炼，并搅拌，得到合金锭；
步骤2：将步骤1得到的合金锭翻转后再次进行熔炼，并搅拌，得到初级铸态合金；
步骤3：将步骤2得到的初级铸态合金经过电渣重熔定向凝固后得到铸造合金；
所述的步骤1中抽真空时真空度要求小于等于1*10-3Pa后充入保护气体；
所述的步骤1中的保护气体为氩气；熔炼温度为1450℃-1550℃；
所述的步骤2中再次进行熔炼时的真空度要求小于等于1*10-3Pa后充入保护气体，保护气体为氩气；熔炼温度为1450℃-1550℃；
所述的步骤3中，电渣重熔定向凝固过程使用的设备为北京钢研高纳科技股份有限公司的ESR-CDS500电渣重熔定向凝固设备；
得到的合金为铸造态，室温下屈服强度不低于500MPa，抗拉强度不低于800MPa，延伸率介于30％～50％之间。
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