CN101967577A - 一种制备钨基合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备钨基合金的方法，该方法是将钨基合金的原料湿磨处理后干燥，压坯成型，然后置于超重力反应器中点火反应，制得钨基合金。本发明的优点在于：1)钨基合金制备速度快、效率高、制备成本低；2)制备的钨基合金具有系列特殊性能，可被广泛应用于能源、冶金、电子信息、机械加工、航空航天、国防军工和核工业等领域。

Description

一种制备钨基合金的方法

技术领域

本发明涉及钨基合金制备技术领域，特别是涉及一种在超重力场中直接以熔铸技术制备钨基合金的方法。

背景技术

钨基合金是以钨为基体，加入其他元素组成的合金。在目前已知的金属中，钨的熔点最高，其高温强度和抗蠕变性能以及导热、导电和电子发射性能都很好。钨的比重较普通金属大，除大量用于制造硬质合金和作合金添加剂外，钨及其合金广泛应用于电子、电光源工业，也用在航天、铸造、武器等部门中以制作火箭喷管、压铸模具、穿甲弹芯、触点、发热体和隔热屏等。

传统的钨基合金制备多是基于烧结技术，这使得钨基合金产品存在致密化程度低、微观组织不均匀、成分受限制等一系列问题。钨基合金制备技术的发展大致可分为四个阶段：1)从20世纪30年代的钨基合金的研究始到20世纪80年代中后期，该阶段内钨基合金的制备工艺主要是采用粉末混合、压制成型和液相烧结法，通过改变合金元素来改善钨基合金的性能；2)20世纪80年代末至90年代初，为了进一步提高钨基合金特别是Wu-Ni-Fe的性能，多次循环锻造、静液挤压等形变强化技术和循环热处理等方法得到了应用；3)20世纪90年代中期，随着国防、民用工业各领域对钨基合金复杂形状零部件、棒材、管材需求的增加，同时伴随着粉末注射成型工艺的出现，异形钨合金零部件的注射成型技术受到了广泛重视；4)20世纪90年代末至今，现代国防军工领域先进装备对钨基合金提出了更高、更多的性能要求，通过机械合金化、喷雾干燥法和溶胶凝胶法等超细/纳米钨基合金复合粉末法及电子束熔炼等技术的应用，提高了钨基合金的性能，推进了钨基合金在前沿尖端领域的应用。

但是，目前的钨基合金的制备方法仍然存在如下缺陷：制备速度慢、效率低、制备成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种制备钨基合金的方法，该方法制备速度快、效率高、制备成本低；制备的钨基合金具有系列特殊性能，可被广泛应用于能源、冶金、电子信息、机械加工、航空航天、国防军工和核工业等领域。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种制备钨基合金的方法，该方法是将钨基合金的原料湿磨处理后干燥，压坯成型，然后置于超重力反应器中点火反应，制得钨基合金。

进一步地，所述原料包括Al粉、W粉和R的氧化物粉末；所述R为Fe、Ni、Cu、Hf、Ta、Re、Nb、V、Cr、Ti、Zr、Mo、La系、Ac系中的一种、两种或两种以上的元素任意比例的混合；将原料按钨基合金目标组分WxRy来进行；在WxRy中，摩尔比x∶y＝1∶10～10∶1；所述Al粉的摩尔数至少能全部置换出R的氧化物粉末中的R。

进一步地，所述基料中，Al粉的纯度≥99.9％；W粉的纯度≥99.9％；R的氧化物粉末的纯度≥99.9％。

进一步地，所述湿磨处理的介质为无水乙醇或丙酮，湿磨时间为0.5～24小时。

进一步地，湿磨处理后原料的干燥温度≥60℃，干燥时间≥4小时。

进一步地，所述压坯成型是指将干燥后的原料装入模具压坯成型，成型压力≥15MPa。

进一步地，在将原料压坯成型后置于反应容器中，将反应容器置于超重力反应器中，抽真空，在超重力条件下点火引发反应；优选地，反应容器为石墨坩埚。

进一步地，所述超重力反应器中抽真空后达到的真空度≤200Pa。

进一步地，所述超重力反应器中的超重力条件是指超重力系数≥500G。

进一步地，对超重力反应器点火反应后得到的钨基合金产物经切割去除陶瓷层、打磨、抛光处理。

一种制备钨基合金的方法，该方法包括如下步骤：

1)选择如下的原料

选取Al粉、W粉和RnOm粉末；所述R为Fe、Ni、Cu、Hf、Ta、Re、Nb、V、Cr、Ti、Zr、Mo、La系、Ac系中的一种、两种或两种以上的元素任意比例的混合；将原料按钨基合金目标组分WxRy来进行；在WxRy中，摩尔比x∶y＝1∶10～10∶1；所述Al粉的摩尔数至少能全部置换出R的氧化物粉末中的R；

2)原料预处理

将上述原料进行原料进行湿磨处理，湿磨后的原料经干燥、压坯成型，得到反应剂坯体；

3)反应

将步骤2)得到反应剂坯体装入石墨坩埚中，把石墨坩埚放入超重力熔铸装置的反应器内，抽真空，在超重力条件下点火引发反应；所述超重力反应器中抽真空后达到的真空度≤200Pa；所述超重力反应器中的超重力条件是指超重力系数≥500G；

4)后处理

待步骤3)中的反应完全后停机后，冷却，取出石墨坩埚，坩埚内的产物经切割处理去除含Al₂O₃的陶瓷层，后经打磨、抛光处理得到钨基合金产品。

本发明的方法具有如下有益效果：

1)钨基合金制备速度快，反应的时间在30分钟内，效率高且制备成本低；

2)制备的钨基合金具有系列特殊性能，可被广泛应用于能源、冶金、电子信息、机械加工、航空航天、国防军工和核工业等领域。

具体实施方式

以下通过具体的实施例来进一步详细地阐述本发明。

实施例1

采用的实验原料为：Al粉(纯度99.9％，平均粒径为100μm)、W粉(纯度99.9％，平均粒径为2.6～5μm)、Fe₂O₃(纯度99.99％，平均粒径＜45μm)、NiO(纯度99.99％，平均粒径为约20nm)；按钨镍铁合金组分40W-7Ni-3Fe(摩尔比W∶Ni∶Fe＝40∶7∶3)来调配原料，且所述Al粉的摩尔数至少能全部置换出Fe₂O₃粉末中的Fe，并以无水乙醇为介质在行星式球磨机上机械活化1个小时后放进烘箱干燥6小时，然后将原料装入圆柱形钢铁模具(Φ30mmx80mm)中压坯成型，成型压力为20MPa，然后将成型好的原料装进石墨坩埚中，并置于不锈钢反应器中；再把装好原料的不锈钢反应器安装在超重力熔铸装置上；选择真空度为200Pa、超重力系数为900G的工艺参数，待旋转稳定后启动点火，10分钟后停机取出，坩埚内的产物经切割处理去除含Al₂O₃的陶瓷层，后经打磨、抛光处理即得40W-7Ni-3Fe产物。

实施例2

采用的实验原料为：Al粉(纯度99.9％，平均粒径为100μm)、W粉(纯度99.9％，平均粒径为2.6～5μm)、Fe₂O₃(纯度99.99％，平均粒径＜45μm)、NiO(纯度99.99％，约20nm)；按钨镍铁合金组分W-5Ni-5Fe来调配原料，且所述Al粉的摩尔数至少能全部置换出Fe₂O₃和NiO粉末中的Fe和Ni；并以无水乙醇为介质在行星式球磨机上机械活化2个小时后放进烘箱干燥4小时，然后将原料装入圆柱形钢铁模具(Φ30mmx80mm)中压坯成型，成型压力为40MPa，然后将成型好的原料装进石墨坩埚中，并置于不锈钢反应器中；再把装好原料的不锈钢反应器安装在超重力熔铸装置上；选择真空度为180Pa、超重力系数为500G的工艺参数，待旋转稳定后启动点火，15分钟后停机取出，坩埚内的产物经切割处理去除含Al₂O₃的陶瓷层，后经打磨、抛光处理即得W-5Ni-5Fe产物。

实施例3

采用的实验原料为：Al粉(纯度99.9％，平均粒径为100μm)、W粉(纯度99.9％，平均粒径为2.6～5μm)、Fe₂O₃(纯度99.99％，平均粒径＜45μm)、Cu₂O(纯度99.99％，约1μm)；按钨铁铜合金组分W-5Fe-5Cu来调配原料，且所述Al粉的摩尔数至少能全部置换出Fe₂O₃和Cu₂O粉末中的Fe和Cu；并以无水乙醇为介质在行星式球磨机上机械活化1个小时后放进烘箱干燥12小时，然后将原料装入圆柱形钢铁模具(Φ30mmx80mm)中压坯成型，成型压力为15MPa，然后将成型好的原料装进石墨坩埚中，并置于不锈钢反应器中；再把装好原料的不锈钢反应器安装在超重力熔铸装置上；选择真空度为200Pa、超重力系数为1000G的工艺参数，待旋转稳定后启动点火，30分钟后停机取出，坩埚内的产物经切割处理去除含Al₂O₃的陶瓷层，后经打磨、抛光处理即得W-5Fe-5Cu产物。

实施例4

采用的实验原料为：Al粉(纯度99.9％，平均粒径为100μm)、W粉(纯度99.9％，平均粒径为2.6～5μm)、Fe₂O₃(纯度99.99％，平均粒径＜45μm)；按钨铁合金组分W-10Fe来调配原料，且所述Al粉的摩尔数至少能全部置换出Fe₂O₃粉末中的Fe；并以无水乙醇为介质在行星式球磨机上机械活化0.5个小时后放进烘箱干燥12小时，然后将原料装入圆柱形钢铁模具(Φ30mmx80mm)中压坯成型，成型压力为30MPa，然后将成型好的原料装进石墨坩埚中，并置于不锈钢反应器中；再把装好原料的不锈钢反应器安装在超重力熔铸装置上；选择真空度为200Pa、超重力系数为800G的工艺参数，待旋转稳定后启动点火，20分钟后停机取出，坩埚内的产物经切割处理去除含Al₂O₃的陶瓷层，后经打磨、抛光处理即得W-10Fe产物。

实施例5

采用的实验原料为：Al粉(纯度99.9％，平均粒径为100μm)、W粉(纯度99.9％，平均粒径为2.6～5μm)、Fe₂O₃(纯度99.99％，平均粒径＜45μm)；按钨铁合金组分10W-Fe来调配原料，且所述Al粉的摩尔数至少能全部置换出Fe₂O₃粉末中的Fe；并以无水乙醇为介质在行星式球磨机上机械活化0.5个小时后放进烘箱干燥12小时，然后将原料装入圆柱形钢铁模具(Φ30mmx80mm)中压坯成型，成型压力为50MPa，然后将成型好的原料装进石墨坩埚中，并置于不锈钢反应器中；再把装好原料的不锈钢反应器安装在超重力熔铸装置上；选择真空度为150Pa、超重力系数为4000G的工艺参数，待旋转稳定后启动点火，20分钟后停机取出，分离去除Al₂O₃，坩埚内的产物经切割处理去除含Al₂O₃的陶瓷层，后经打磨、抛光处理即得10W-Fe产物。

实施例6

采用的实验原料为：Al粉(纯度99.9％，平均粒径为100μm)、W粉(纯度99.9％，平均粒径为2.6～5μm)、Cu₂O(纯度99.99％，平均粒径为约1μm)；按钨铜合金组分W-10Cu来调配原料，且所述Al粉的摩尔数至少能全部置换出Cu₂O粉末中的Cu；并以无水乙醇为介质在行星式球磨机上机械活化1个小时后放进烘箱干燥12小时，然后将原料装入圆柱形钢铁模具(Φ30mmx80mm)中压坯成型，成型压力为20MPa，然后将成型好的原料装进石墨坩埚中，并置于不锈钢反应器中；再把装好原料的不锈钢反应器安装在超重力熔铸装置上；选择真空度为200Pa、超重力系数为1000G的工艺参数，待旋转稳定后启动点火，25分钟后停机取出，坩埚内的产物经切割处理去除含Al₂O₃的陶瓷层，后经打磨、抛光处理即得W-10Cu产物。

实施例7

采用的实验原料为：Al粉(纯度99.9％，平均粒径为100μm)、W粉(纯度99.9％，平均粒径为2.6～5μm)、Cu₂O(纯度99.99％，平均粒径为约1μm)；按钨铜合金组分2W-Cu来调配原料，且所述Al粉的摩尔数至少能全部置换出Cu₂O粉末中的Cu；并以无水乙醇为介质在行星式球磨机上机械活化24个小时后放进烘箱干燥12小时，然后将原料装入圆柱形钢铁模具(Φ30mmx80mm)中压坯成型，成型压力为45MPa，然后将成型好的原料装进石墨坩埚中，并置于不锈钢反应器中；再把装好原料的不锈钢反应器安装在超重力熔铸装置上；选择真空度为200Pa、超重力系数为4000G的工艺参数，待旋转稳定后启动点火，10分钟后停机取出，坩埚内的产物经切割处理去除含Al₂O₃的陶瓷层，后经打磨、抛光处理即得2W-Cu产物。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种制备钨基合金的方法，其特征在于：该方法是将钨基合金的原料湿磨处理后干燥，压坯成型，然后置于超重力反应器中点火反应，制得钨基合金。

2.根据权利要求1所述的制备钨基合金的方法，其特征在于：所述原料包括Al粉、W粉和R的氧化物粉末；所述R为Fe、Ni、Cu、Hf、Ta、Re、Nb、V、Cr、Ti、Zr、Mo、La系、Ac系中的一种、两种或两种以上的元素任意比例的混合；将原料按钨基合金目标组分WxRy来进行；在WxRy中，摩尔比x∶y＝1∶10～10∶1；所述Al粉的摩尔数至少能全部置换出R的氧化物粉末中的R。

3.根据权利要求2所述的制备钨基合金的方法，其特征在于：所述原料料中，Al粉的纯度≥99.9％；W粉的纯度≥99.9％；R的氧化物粉末的纯度≥99.9％。

4.根据权利要求1所述的制备钨基合金的方法，其特征在于：所述湿磨处理的介质为无水乙醇或丙酮，湿磨时间为0.5～24小时。

5.根据权利要求1所述的制备钨基合金的方法，其特征在于：湿磨处理后原料的干燥温度≥60℃，干燥时间≥4小时。

6.根据权利要求1所述的制备钨基合金的方法，其特征在于：所述压坯成型是指将干燥后的原料装入模具压坯成型，成型压力≥15MPa。

7.根据权利要求1所述的制备钨基合金的方法，其特征在于：将原料压坯成型后置于反应容器中，然后将反应容器置于超重力反应器中，抽真空，在超重力条件下点火引发反应。

8.根据权利要求7所述的制备钨基合金的方法，其特征在于：所述超重力反应器中抽真空后达到的真空度≤200Pa；所述超重力反应器中的超重力条件是指超重力系数≥500G。

9.根据权利要求1或8所述的制备钨基合金的方法，其特征在于：对超重力反应器点火反应后得到的钨基合金产物经切割去除陶瓷层、打磨、抛光处理。

10.根据权利要求1所述的制备钨基合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)选择如下的原料

选取Al粉、W粉和R的氧化物粉末；所述R为Fe、Ni、Cu、Hf、Ta、Re、Nb、V、Cr、Ti、Zr、Mo、La系、Ac系中的一种、两种或两种以上的元素任意比例的混合；将原料按钨基合金目标组分WxRy来进行；在WxRy中，摩尔比x∶y＝1∶10～10∶1；所述Al粉的摩尔数至少能全部置换出R的氧化物粉末中的R；

2)原料预处理

将上述原料进行原料进行湿磨处理，湿磨后的原料经干燥、压坯成型，得到反应剂坯体；

3)反应

将步骤2)得到反应剂坯体装入石墨坩埚中，把石墨坩埚放入超重力熔铸装置的反应器内，抽真空，在超重力条件下点火引发反应；所述超重力反应器中抽真空后达到的真空度≤200Pa；所述超重力反应器中的超重力条件是指超重力系数≥500G；

4)后处理

待步骤3)中的反应完全后停机后，冷却，取出石墨坩埚，坩埚内的产物经切割处理去除含Al₂O₃的陶瓷层，后经打磨、抛光处理得到钨基合金产品。