CN104711459A - 一种高密度超高强度钨钴耐热合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高密度超高强度钨钴耐热合金及制备方法，属于耐热合金技术领域，该合金的化学组成成分重量％为：Ni0-20％,W10-35％,其他可含有Ti0-3％,Al0-3％和Nb0-8％，其余为Co和其他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+真空自耗重熔或电渣重熔。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，密度达到9.0-11.0g/cm³、冲击韧性达到100J/cm²以上、抗拉强度达到1400MPa以上。

Description

一种高密度超高强度钨钴耐热合金及制备方法

技术领域

本发明属于耐热合金技术领域，特别涉及一种高密度高韧性超高强度钨钴耐热合金DT750及制备方法，该合金具有高密度高韧性和超高强度，密度达到9.0-11.0g/cm³、冲击韧性达到100J/cm²以上、抗拉强度达到1400MPa以上。

背景技术

在此之前，高密度材料主要应用于防热部件、防护部件、屏蔽部件穿甲部件等，国际上常用的钨合金即是此类材料，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。如图1所示，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

为了在得到高密度的同时具有良好的强韧性配合，可以将W固溶于相对低熔点金属中(如Fe、Ni、Co等)。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，因此，力学性能可以大大提高。

但W在Fe固溶度有限，在1190℃时仅能固溶13.7％，，为了保证其力学性能和锻造性能，需要其具有单相区，这就限制了其密度的提升。Ni、Co自身密度较Fe大(Ni、Co密度为8.9g/cm³，Fe密度为7.9g/cm³)，且能固溶更多的W，便形成了Co-W二元固溶体。在Co-W二元体系中，加入一定量Ti和Al或Nb会在时效过程中析出γ’相，可有效提升力学性能。由此，便形成了Co-W-Ni-Ti-Al高密度合金体系。

希望能够研制一种能够采用普通冶金工艺生产的高密度合金，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9.0-11.0g/cm³、冲击韧性达到100J/cm²以上、抗拉强度达到1400MPa以上。因此，新概念的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高密度超高强度钨钴耐热合金及制备方法，该合金综合性能优良，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9.0-11.0g/cm³、冲击韧性达到100J/cm²以上、抗拉强度达到1400MPa以上。

基于上述目的，本发明的主要技术方案是在Co-W二元合金的基础上，同时添加Ti、Al、Nb元素，形成时效强化的高密度(≥9g/cm³)超高强度耐热合金，严格控制W/Co配比以及(W+Nb)/Co、(W+Ti+Al)/Co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+真空自耗或者真空感应+电渣重熔工艺，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。

本发明合金的化学组成成分(重量％)为：Ni 0-20％,W 10-35％,其他可含有Ti 0-3％,Al 0-3％和Nb 0-8％，其余为Co和其他不可避免的杂质元素及微量元素如稀土等。

上述化学成分的设计依据如下：

Co：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，Co可以将W固溶于相对低熔点金属中形成Co-W二元合金，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，因此，力学性能可以大大提高，为尽可能提高W在Co中的溶解度，Co的含量超过了合金的50％。

W：是提高密度的主要元素，固溶在Co基体中，不仅提高密度，易可通过时效析出强化，理论上W含量越高越好，但W在Co中固溶度有限，最高不超过35％，如果过低，密度达不到9.0g/cm³，因此在本专利范围，W含量限定为10-35％。

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+真空自耗重熔或电渣重熔工艺，工艺中控制的技术参数如下：

钢锭进行1200—1250℃均匀化处理，8小时≤扩散时间≤100小时，装炉温度≤600℃；

加热温度：1180－1220℃，1180℃≤开锻温度≤1220℃，800℃≤终锻温度≤900℃；

最终热处理：

加热到480-600℃，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，具有高密度、高韧性和超高强度的优点，具体的性能为：密度达到9.0-11.0g/cm³、冲击韧性达到100J/cm²以上、抗拉强度达到1400MPa以上。与现有技术相比，本发明综合性能优良，具有更高的强度和冲击韧性，组织一致性和均匀性好，可采用常规工艺生产。

附图说明

图1为W93合金粉末冶金金相组织图。

图2为本发明合金金相组织图.

具体实施方式

根据本发明经济型高韧性易旋压易焊接超高强度钢的化学成分范围，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，锻前首先进行高温均质化处理制度为：1200℃保温10小时后，开坯锻造，锻造加热温度为1180℃，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530℃×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Co-W二元合金合金，同时添加Ti、Al、Nb元素，形成时效强化的高密度(≥9g/cm³)超高强度耐热合金，由于严格的W/Co配比以及(W+Nb)/Co、(W+Ti+Al)/Co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+真空自耗或者真空感应+电渣重熔工艺，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，合金的组织具有均匀一致性和连续性，见图2。

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9.0-11.0g/cm³、冲击韧性达到100J/cm²以上、抗拉强度达到1400MPa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 (2)

1.一种高密度超高强度钨钴耐热合金，该合金的化学组成成分重量％为：Ni 0-20％,W 10-35％,其他可含有Ti 0-3％,Al 0-3％和Nb 0-8％，余量为Co和其他不可避免的杂质元素及微量元素。

2.一种权利要求1所述的高密度超高强度钨钴耐热合金的制备方法，采用真空感应+真空自耗重熔或电渣重熔，其特征在于，工艺中控制的技术参数如下：

钢锭进行1200—1250℃均匀化处理，8小时≤扩散时间≤100小时，装炉温度≤600℃；

加热温度：1180－1220℃，1180℃≤开锻温度≤1220℃，800℃≤终锻温度≤900℃；

最终热处理：

加热到480-600℃，热透后5小时≤保温时间≤20小时，空冷；或进行二次时效处理。