CN104745880B - 一种高密度动能超高强度钨镍耐热合金及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高密度高韧性动能超高强度钨镍合金,属于耐热合金领域，特别涉及，该合金的化学组成成分重量％为：Ni 50‑80％,W 20‑40％,其他可含有Ti 0‑3％,Al 0‑3％和Nb 0‑8％，其余为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，超高动态强度等优异性能，密度达到9.0‑13.0g/cm3、冲击韧性达到100J/cm2以上、静态拉伸强度达到1350MPa以上、动态压缩强度达到1900MPa以上。
Description
技术领域
本发明属于耐热合金领域，特别涉及一种高密度高韧性动能超高强度钨镍耐热合金DT730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9.0-13.0g/cm3、冲击韧性达到100J/cm2以上、静态拉伸强度达到1350MPa以上、动态压缩强度达到1900MPa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，特别是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 |
常规的超高强度钢的强度虽高，但密度较低(7.8-8.1g/cm3左右)，使用温度较低(限制在500℃以下)，特别是随静态强度的提高，韧性下降明显，同时抗高速应变和绝热剪切性能差，国际上常用的典型超高强度钢见表3和表4。
表3 几种主要二次硬化硬化型超高强度钢的化学成分(wt％)
表4 几种主要二次硬化型超高强度钢的力学性能
虽然目前的超高强度钢的强韧性较好，但密度低、使用温度低、抗绝热剪切和高应变速率性能差，传统钨合金如W93等密度虽高，但传统冶金工艺不适用，采用粉末冶金工艺生产的钨合金强度低韧性差，正常烧结态的抗拉强度达到800-1000MPa，伸长率达到20-30％，特别是粉末冶金工艺的钨合金的显微组织是钨颗粒+粘结相的两相结构。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。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。
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9.0-13.0g/cm3、冲击韧性达到100J/cm2以上、静态拉伸强度达到1350MPa以上、动态压缩强度达到1900MPa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高韧性动能超高强度钨镍耐热合金DT730及制备方法，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9.0-13.0g/cm3、冲击韧性达到100J/cm2以上、静态拉伸强度达到1350MPa以上、动态压缩强度达到1900MPa以上。
基于上述目的，本发明的主要技术方案是在钨镍合金的基础上，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/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 50-80％,W 20-40％,其他可含有Ti0-3％,Al 0-3％和Nb 0-8％，其余为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，因此，力学性能可以大大提高，为尽可能提高W在Ni中的溶解度，Ni的含量超过了合金的50％，适合范围为50-80％。
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，最高不超过40％，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20-40％。
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，其具体工艺参数如下:
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9.0-13.0g/cm3、冲击韧性达到100J/cm2以上、静态拉伸强度达到1350MPa以上、动态压缩强度达到1900MPa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，同时具有良好动态强度，组织一致性和均匀性好，可采用常规工艺生产。
附图说明
图1为93W钨合金的显微组织。
图2为本发明5#试验合金显微组织。
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钨镍合金，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/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9.0-13.0g/cm3、冲击韧性达到100J/cm2以上、静态拉伸强度达到1350MPa以上、动态压缩强度达到1900MPa以上。本发明合金显微组织见图2。
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)
1.一种高密度动能超高强度钨镍耐热合金，其特征在于，该合金的化学组成成分重量％为：Ni 50-80％,W 20-40％,在此基础上，还含有Ti 1-3％,Al 1-3％和Nb 1-8％，其余为不可避免的杂质元素及微量元素；
该合金采用真空感应+真空自耗重熔或电渣重熔，工艺中控制的技术参数如下：
合金锭进行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。
2.一种权利要求1所述的钨镍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：
合金锭进行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。
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