CN110129645B - 一种多功能钨合金梯度材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能钨合金梯度材料及其制备方法。所述多功能钨合金梯度材料按照从所述材料的一端到另一端的方向，包括两个材料段，前段材料由钨和金属添加剂组成，其中钨重量百分比范围为93‑98％；后段材料由钨和金属添加剂组成，其中钨重量百分比范围为88‑93％，且前段材料的钨含量大于后段材料的钨含量。根据应用需求，要求前段具有较高强度，后段具有较高韧性。所述多功能钨合金梯度材料的制备方法包括：钨合金粉料的制备步骤，压制成型步骤，烧结步骤和热处理步骤。本发明制备出的钨合金梯度材料，具有良好的综合力学性能。

Description

一种多功能钨合金梯度材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，特别涉及一种多功能钨合金梯度材料及其制备方法。

背景技术

钨合金是一类以钨为基体，加入其他元素组成的金属合金。钨具有熔点高、比重大的特点，且通过合理的成分设计添加其他元素，可以改善钨本身脆性大的特性，使合金更具实用性、灵活性。经过国内外学者们的努力开发，钨及钨合金已获得一系列优异性能：强度高，延性好，可加工性好，热膨胀系数小，导热系数大，优异的射线屏蔽效果，抗氧化和抗腐蚀性能好等等。因为具有上述优点，钨及钨合金被广泛应用于医疗、电子信息、航空航天，军事工业等领域。但随着军、民用工事的日益强化，对材料性能提出了越来越高的要求：不但要有良好的综合力学性能，还要尽量实现材料的“多功能”性。为了配合现代科技对新金属材料的需求方向，提高钨合金性能、提升其在多环境下的适应性，以及拓展钨合金适用范围等研究工作迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术的局限性，本发明的目的之一在于提供一种多功能钨合金梯度材料。

本发明的目的之二在于提供一种多功能钨合金梯度材料的制备方法。

一种多功能钨合金梯度材料，按照从所述材料的一端到另一端的方向，包括两个材料段，前段材料由钨和金属添加剂组成，其中钨重量百分比范围为93-98％；后段材料由钨和金属添加剂组成，其中钨重量百分比范围为88-93％，且前段材料的钨含量大于后段材料的钨含量。根据应用需求，要求前段具有较高强度，后段具有较高韧性。

本发明所述的多功能钨合金梯度材料是一体成型的，其中包含了两种不同组分配比的材料段，前段和后段材料之间具有一个结合部分，在使用过程中，前段和后段材料的使用方向根据应用环境而定。

在上述多功能钨合金梯度材料中，作为一种优选实施方式，在前段材料和后段材料中，所述金属添加剂包括：镍和铁，更优选地，所述金属添加剂还包括钴和/或锰，进一步优选地，所述金属添加剂还包括钼；进一步优选地，在所述前段材料中，按重量百分比计，所述金属添加剂的含量如下：1-5％镍，1-3％铁，0-4％钴，0-0.5％锰；进一步优选地，钴为0.5-3％，锰为0.02-0.5％；在所述后段材料中，按重量百分比计，所述金属添加剂的含量如下：1-8％镍，1-3％铁，0-4％钴，0-0.5％锰；进一步优选地，钴为0.5-3％，锰为0.02-0.5％。

在上述多功能钨合金梯度材料中，作为一种优选实施方式，按重量百分比计，所述前段材料由如下组分构成：W 93％，Ni 5％，Fe 1％，Co 1％；所述后段材料由如下组分构成：W 90％，Ni 7％，Fe 2.5％，Co 0.5％；或者，所述前段材料由如下组分构成：W 95％，Ni2％，Fe 1％，Co 1.5％，Mn 0.5％；所述后段材料由如下组分构成：W 93％，Ni 5％，Fe 1％，Co 1％；或者，所述前段材料由如下组分构成：W 97％，Ni 1％，Fe 0.5％，Co 1％，Mn0.5％；所述后段材料由如下组分构成：W 95％，Ni 2％，Fe 1.5％，Co 1.5％。

一种多功能钨合金梯度材料的制备方法，包括：

钨合金粉料的制备步骤：按照权利要求1-4任一项所述多功能钨合金梯度材料中前段材料和后段材料的成分及其重量比称取原料，分别将所述前段材料和后段材料的原料混合后进行球磨，然后过筛，得到前段材料的钨合金粉料和后段材料的钨合金粉料；

压制成型步骤：按照前段材料和后段材料的设计顺序，将前段材料的钨合金粉料和后段材料的钨合金粉料依次装入模具中，然后进行压制成型，得到压坯；

烧结步骤：将所述压坯进行烧结，得到钨合金烧坯；

热处理步骤：将所述钨合金烧坯进行热处理，得到钨合金材料。

在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述制备方法还包括机加工步骤，所述机加工步骤为：将所述钨合金材料进行机加工处理，得到钨合金终品件；

在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述球磨步骤中，所述钨粉的费氏粒度为2.0～4.0μm(比如2.2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、3.8μm)，所述镍粉为电解镍粉或羰基镍粉，所述铁粉为电解铁粉或羰基铁粉，所述钴粉及锰粉为常规工业用粉。

在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述球磨步骤中，所述球磨时间为2～8小时(比如2h、3h、4h、5h、6h、7h)，所述球磨的转速为100～500r/min(比如120r/min、150r/min、200r/min、250r/min、300r/min、350r/min、400r/min、450r/min)，球料比为2:1-3:1；优选地，所述过筛为过80～140目筛(比如80目、100目、120目、140目)。

在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述压制成型步骤中，所述压制成型为冷等静压成型，所述冷等静压成型的压力为180～250MPa(比如185MPa、200MPa、220MPa、235MPa、245MPa)，保压时间为5～15min(比如6min、8min、10min、13min、14min)。

在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述烧结步骤中，所述烧结为在氢气气氛中进行，优选地，所述烧结的温度为1300～1550℃(比如1340℃、1360℃、1380℃、1405℃、1450℃、1485℃、1500℃、1520℃、1540℃、1545℃)，所述烧结的时间为0.5～4h(比如1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h)。

在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述热处理步骤中，所述热处理为在真空条件下进行，所述热处理的温度为905～1200℃(比如950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃)，所述热处理的时间为1～8h(比如1.5h、2h、2.5h、3h、4.5h、5h、6h、7h、7.5h)。

本发明通过研究和实验，充分利用现行不同组分的钨合金的性能特点，发现对不同组分、性能的钨合金材料，进行合理的布局设计、制备出的整体部件，可以大幅度提供钨合金的功能适应性。比如在国防工事方面，有效提高***性战斗部件的穿透、***毁伤效果。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：

一、本发明提供的钨合金是基于不同组分钨合金的各自性能特点，在合理设计的基础上，将不同组分材料有效整合，旨在为军、民工事实际需求提供多合一使用方案。且制备出的钨合金材料，具有良好的综合力学性能；

二、本发明的制备方法，使用高能球磨法对钨合金原料粉末进行活化混合，以细化粉料粒度，增加颗粒比表面积，使烧结过程更易致密化，不但增强材料烧结活性，提高材料烧结性能，而且在烧结过程中，更有效保证各不同组分间扩散，强化连接面。

三、本发明的原料经产品结构设计、特殊方式装料，制成多段且不同成分配比的整根坯料；再经过烧制，真空热处理，形变强化加工及时效处理等工艺。本发明通过合理的成分配比、结构设计及制备方法，使本发明多功能钨合金梯度材料具有优良、稳定的综合力学性能，为新功能穿甲弹的设计及开发提供了参考。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为利用本发明实施例1制备方法制备的钨合金材料的金相组织照片。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施方式并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明多功能钨合金梯度材料的制备流程参见图1。

实施例1

步骤一，钨合金粉末的制备

第一组分93W5Ni1Fe1Co(相应数字为各组分在合金中的质量百分含量)：分别称取费氏粒度3.5μm的钨粉930g，羰基镍粉50g，电解铁粉10g，钴粉10g，混合后装入高能球磨机中，加入硬质合金球2Kg，在转速为120r/min条件下球磨4h，得到混有微量钴元素的1000g合金粉末，然后过120目筛，并使用筛下粉作为第一组粉料。

第二组分90W7Ni2.5Fe0.5Co(相应数字为各组分在合金中的质量百分含量):分别称取费氏粒度3.5μm的钨粉900g，羰基镍粉70g，电解铁粉25g，钴粉5g，混合后装入高能球磨机中，加入硬质合金球2Kg，在转速为120r/min条件下球磨4h，得到混有微量钴元素的1000g钨合金粉末，然后过90目筛，并使用筛下粉作为第二组粉料。

步骤二，冷等静压成型

将第一组粉料全部装入模具中，震实，再向模具中装入全部的第二组粉料，然后将装满原料的模具放置进油缸，在180MPa压力下保压10min得到相对密度为65％的成型压坯，成型压坯尺寸为φ26×353mm。

步骤三，烧结处理

将上述步骤二中的成型压坯放入氢气烧结炉内进行烧结处理，烧结最高温度为1485℃，最高温保温时间为1h，得到烧坯，密度为17.62g/cm3，尺寸为φ23×301mm。

步骤四，烧结后热处理

将步骤三中的烧坯放入真空烧结炉中进行真空热处理，温度为1100℃，保温3小时，得到钨合金棒材。

步骤五，机加工

对步骤四中的钨合金棒材进行机加工，得到符合实际需求的钨合金终品件。

对所得钨合金终品件按照GB/T228.1-2010进行测试，其性能结果如下表1(其中，中间段为前段和后段结合的部分)；根据应用需求，前段采用抗拉强度较高的93W5Ni1Fe1Co材料保证足够的强度但延伸率相对低，后段采用90W7Ni2.5Fe0.5Co，具有较好的延展性、延伸率较高而前段强度有所降低，位于中间的结合部分也具有非常理想的性能，该种材料可以有效提高***性战斗部件的穿透、***毁伤效果。

表1实施例1钨合金制品各段性能

实施例2

步骤一，钨合金粉末的制备

第一组分95W2Ni1Fe1.5Co0.5Mn(相应数字为各组分在合金中的质量百分含量):分别称取费氏粒度3.5μm的钨粉950g，羰基镍粉20g，电解铁粉10g，钴粉15g，锰粉5g，混合后装入高能球磨机中，加入硬质合金球2Kg，在转速为120r/min条件下球磨4h，得到混有微量钴、锰元素的1000g钨合金粉末，然后过100目筛，并使用筛下粉作为第一组粉料。

第二组分93W5Ni1Fe1Co(相应数字为各组分在合金中的质量百分含量)：分别称取费氏粒度3.2μm的钨粉930g，电解镍粉50g，羰基铁粉10g，钴粉10g，混合后装入高能球磨机中，加入硬质合金球2Kg，在转速为120r/min条件下球磨4h，得到混有微量钴元素的1000g合金粉末，然后过100目筛，并使用筛下粉作为第二组粉料。

步骤二，冷等静压成型

将第一组粉料装入模具中，震实，再向模具中装入第二组粉料，然后将装满原料的模具放置进油缸，在180MPa压力下保压10min得到相对密度为63％的成型压坯，成型压坯尺寸为φ25×351mm。

步骤三，烧结处理

将上述步骤二中的成型压坯放入氢气烧结炉内进行烧结处理，烧结最高温度为1485℃，最高温保温时间为1h，得到烧坯，密度为17.62g/cm3，尺寸为φ23×301。

步骤四，烧结后热处理

将步骤三中的烧坯放入真空烧结炉中进行真空热处理，温度为1100℃，保温3小时，得到钨合金棒材。

步骤五，机加工

对步骤四中的钨合金棒材进行机加工，得到符合实际需求的钨合金终品件。

对所得钨合金终品件按照GB/T228.1-2010进行测试，其性能结果如下表2(其中，中间段为前段和后段结合的部分)；根据应用需求，前段采用抗拉强度较高的95W2Ni1Fe1.5Co0.5Mn材料保证足够的强度而延伸率比较低脆性强，后段采用93W5Ni1Fe1Co，与95W2Ni1Fe1.5Co0.5Mn比较，93W5Ni1Fe1Co具有较好的韧性，表现在较高的延伸率而其前段强度有所降低，位于中间的结合部分也具有非常理想的性能，该种材料可以有效提高***性战斗部件的穿透、***毁伤效果。

表2实施例2钨合金制品各段性能

实施例3

步骤一，钨合金粉末的制备

第一组分97W1Ni0.5Fe1Co0.5Mn(相应数字为各组分在合金中的质量百分含量):分别称取费氏粒度3.0μm的钨粉970g，羰基镍粉10g，电解铁粉5g，钴粉10g，锰粉5g，混合后装入高能球磨机中，加入硬质合金球2Kg，在转速为150r/min条件下球磨2h，得到混有微量钴、锰元素的1000g钨合金粉末，然后过140目筛，得到第一组粉料。

第二组分95W2Ni1.5Fe1.5Co(相应数字为各组分在合金中的质量百分含量)：分别称取费氏粒度3.0μm的钨粉950g，羰基镍粉20g，电解铁粉15g，钴粉15g，混合后装入高能球磨机中，加入硬质合金球2Kg，在转速为150r/min条件下球磨2h，得到混有微量钴元素的1000g合金粉末，然后过120目筛，取筛下物得到第二组粉料。

步骤二，冷等静压成型

将第一组粉料装入模具中，震实，再向模具中装入第二组粉料，然后将装满原料的模具放置进油缸，在180MPa压力下保压10min得到相对密度为64％的成型压坯，成型压坯尺寸为φ26×354mm。

步骤三，烧结处理

将上述步骤二中的成型压坯放入氢气烧结炉内进行烧结处理，烧结最高温度为1550℃，最高温保温时间为1h，得到烧坯，密度为18.23g/cm3，尺寸为φ22×298。

步骤四，烧结后热处理

将步骤三中的烧坯放入真空烧结炉中进行真空热处理，温度为1150℃，保温4小时，得到钨合金材料。

步骤五，机加工

对步骤四中的钨合金材料进行机加工，得到符合实际需求的钨合金终品件。

对所得钨合金终品件按照GB/T228.1-2010进行测试，其性能结果如下表3(其中，中间段为前段和后段结合的部分)；前段采用抗拉强度较高、但是延伸率较低的97W1Ni0.5Fe1Co0.5Mn属于脆性材料，符合实际使用要求对材料前段易碎的使用要求，后段采用95W2Ni1.5Fe1.5Co，符合对后段较好韧性的要求。位于中间的结合部分也具有非常理想的性能，该种材料可以有效提高***性战斗部件的穿透、***毁伤效果。

表3实施例3钨合金制品各段性能

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (14)

1.一种多功能钨合金梯度材料，其特征在于，按照从所述材料的一端到另一端的方向，包括两个材料段，前段材料由钨和金属添加剂组成，其中钨重量百分比范围为93-98%；后段材料由钨和金属添加剂组成，其中钨重量百分比范围为88-93%，且前段材料的钨含量大于后段材料的钨含量；在前段材料和后段材料中，所述金属添加剂包括：镍和铁；所述金属添加剂还包括钴和/或锰；

在所述前段材料中，按重量百分比计，所述金属添加剂的含量如下：1-5%镍，1-3%铁，0-4%钴，0-0.5%锰；

在所述后段材料中，按重量百分比计，所述金属添加剂的含量如下：1-8%镍，1-3%铁，0-4%钴，0-0.5%锰。

2.根据权利要求1所述的多功能钨合金梯度材料，其特征在于，所述金属添加剂还包括钼。

3.根据权利要求1所述的多功能钨合金梯度材料，其特征在于，在所述前段材料中，按重量百分比计，钴为0.5-3%，锰为0.02-0.5%。

4.根据权利要求1所述的多功能钨合金梯度材料，其特征在于，在所述后段材料中，按重量百分比计，钴为0.5-3%，锰为0.02-0.5%。

5.根据权利要求1所述的多功能钨合金梯度材料，其特征在于，

按重量百分比计，所述前段材料由如下组分构成：W 93%、Ni 5%、Fe 1%、Co 1%，所述后段材料由如下组分构成：W 90%、Ni 7%、Fe 2.5%、Co 0.5%；或者，所述前段材料由如下组分构成：W 95%、Ni 2%、Fe 1%、Co 1.5%、Mn 0.5%，所述后段材料由如下组分构成：W 93%、Ni5%、Fe 1%、Co 1%；或者，所述前段材料由如下组分构成：W 97%、Ni 1%、Fe 0.5%、Co 1%、Mn0.5%，所述后段材料由如下组分构成：W 95%、Ni 2%、Fe 1.5%、Co 1.5%。

6.一种多功能钨合金梯度材料的制备方法，其特征在于，包括：

钨合金粉料的制备步骤：按照权利要求1-5任一项所述多功能钨合金梯度材料中前段材料和后段材料的成分及其重量比称取原料，分别将所述前段材料和后段材料的原料混合后进行球磨，然后过筛，得到前段材料的钨合金粉料和后段材料的钨合金粉料；

压制成型步骤：按照前段材料和后段材料的设计顺序，将前段材料的钨合金粉料和后段材料的钨合金粉料依次装入模具中，然后进行压制成型，得到压坯；

烧结步骤：将所述压坯进行烧结，得到钨合金烧坯；

热处理步骤：将所述钨合金烧坯进行热处理，得到钨合金材料。

7.根据权利要求6所述的多功能钨合金梯度材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括机加工步骤，所述机加工步骤为：将所述钨合金材料进行机加工处理，得到钨合金终品件。

8.根据权利要求6所述的多功能钨合金梯度材料的制备方法，其特征在于，在所述钨合金粉料的制备步骤中，所述原料中的钨粉的费氏粒度为2.0～4.0μm，所述原料中的镍粉为电解镍粉或羰基镍粉，所述原料中的铁粉为电解铁粉或羰基铁粉。

9.根据权利要求6所述的多功能钨合金梯度材料的制备方法，其特征在于，所述球磨的时间为2～8小时，所述球磨的转速为100～500r/min，所述球磨的球料比为2:1-3:1。

10.根据权利要求6所述的多功能钨合金梯度材料的制备方法，其特征在于，所述过筛为过80～140目筛。

11.根据权利要求6所述的多功能钨合金梯度材料的制备方法，其特征在于，在所述压制成型步骤中，所述压制成型为冷等静压成型，所述冷等静压成型的压力为180～250MPa，保压时间为5～15min。

12.根据权利要求6所述的多功能钨合金梯度材料的制备方法，其特征在于，在所述烧结步骤中，所述烧结为在氢气气氛中进行。

13.根据权利要求6所述的多功能钨合金梯度材料的制备方法，其特征在于，在所述烧结步骤中，所述烧结的温度为1300～1550℃，所述烧结的时间为0.5～4h。

14.根据权利要求6所述的多功能钨合金梯度材料的制备方法，其特征在于，在所述热处理步骤中，所述热处理为在真空条件下进行，所述热处理的温度为905～1200℃，所述热处理的时间为1～8h。

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