CN106191479A - 一种钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法，其包括钨粉的初步净化、冷压成型及预制块体制备、抽真空、通氩气和电弧熔炼步骤。本发明与现有技术相比，工艺简单、效率高、成本低，且有提纯效果，可制得纯度高，无明显气孔，致密度高(98.1％～99.2％)的超高比重钨合金(钨比重含量达99.7％～99.9％，比重最高可达19.11)；可应用于电子工业、核工业、航空航天及动高压物理等领域。

Description

一种钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法

技术领域

本发明涉及一种高致密、超高比重钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法。

背景技术

钨是一种非常重要的有色金属，它具有高熔点、高密度、低热膨胀系数、优良的抗腐蚀性等一系列特性，通常被用于真空灯丝、焊接电极、配重材料、屏蔽材料、军用穿甲材料及火箭喷管等，在电子工业、工程机械、医疗器械、武器装备、航空航天等领域，其应用范围广阔。

钨裸露于空气中时，在400℃发生轻微氧化，500～600℃迅速氧化成WO₃，而WO₃在高于800℃则会显著升华，因此在钨制备过程中要保证真空环境或惰性气体保护。钨的熔点为3410±20℃，是熔点最高的难熔金属。由于熔点太高，造成高致密钨及高比重致密钨合金的制备非常困难，钨合金的制备手段有：自耗、非自耗电弧熔炼，电子束熔炼，粉末冶金等。如“一种高钨含量钨合金的电弧熔炼方法”(申请公开号：CN 102492863A)中提到钨粉松装密度低，电弧熔炼过程中极易被电弧压力吹飞，采用传统方法很难获得钨含量高于10％的均匀钨合金，且经其技术改进后钨含量高达40％的合金也已很难成功制备；同时由于自耗电弧熔炼的电极制备复杂增加了加工难度和电子束熔炼效率低、成本高等问题存在，限制了相关技术推广。

目前，一般在制备块状金属钨或高比重钨合金时普遍采用粉末冶金方法(低于2500℃)，由于钨的熔点实在太高，目前所使用模具、坩埚、压头等材料的高温高强极限性能很难超过2500℃(石墨制品可耐3000℃高温，但强度不足、寿命短且会引入碳化物杂质)，制得的高比重钨合金钨含量很难超过98％(可对照表1)，往往通过添加低熔点、低密度的合金元素来提高致密性，限制了其密度(或比重)的进一步提高；本发明所用非自耗电弧熔炼技术是在确保加工效率情况下，制备高致密性、高比重钨合金的的重要技术手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述的技术现状，提供一种高致密、超高比重钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法，该方法可以制备致密度高(98.1％～99.2％)的超高比重钨合金(钨比重含量达99.7％～99.9％，比重最高可达19.11)。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法，包括以下步骤：

(1)钨粉的初步净化：

采用1～3mol/L稀盐酸酸洗、电阻率≥2.0×10⁶Ω·cm去离子水清洗和冷冻干燥的工艺，实现对钨比重含量为≥98.5％的钨粉的初步净化，得到初步净化的钨粉；

(2)冷压成型及预制块体制备：

将初步净化的钨粉放入冷压模具中，采用压片机对其进行冷压成型，得到块状生坯；后经高真空烧结，获得预制块体；

(3)抽真空、通氩气：

将预制块体放入非自耗电弧熔炼炉结晶器熔池中，关闭炉门抽真空，当真空度达到≤4Pa时往炉内通氩气，使炉内压强相对大气压强达到-0.04MPa，以防止样品氧化和保证起弧正常；

(4)电弧熔炼：

引弧并调节熔炼功率对预制块体进行多次熔炼，最后一次重熔后，将预制块体充分、快速冷却至室温再出炉，获得高致密、超高比重钨合金。

所述钨粉的初步净化的过程中，钨粉经酸洗和搅拌30～60min后，先除去上层清液，再用去离子水在搅拌下进行清洗(pH≥4时为止)，然后使用冷冻干燥设备在-10℃以下对钨粉冷冻干燥12～24h。

所述的冷压成型，其工艺参数是：压强为200～1000MPa，压模时间为3～5min，环境温度为室温(25℃左右)。

所述的高真空烧结采用热压烧结，其工艺参数为：真空度≥10^-3Pa，热压烧结压力为30～200MPa，温度1500～2000℃，保压时间30～120min。

所述的高真空烧结采用放电等离子体烧结，其工艺参数为：真空度≥10^-3Pa，烧结压力10～80MPa，温度1500～2000℃，保压时间20～30min。

所述电弧熔炼的过程中，引弧前应检查电弧炉冷却循环水系统是否正常工作，确定循环水压强为≥0.08MPa，保证设备正常运行和熔炼后设备及样品的充分、快速冷却。

所述电弧熔炼的过程中，应调整非自耗电弧熔炼炉运行参数引弧，并调整参数对预制块体预热、预熔和熔炼，预热应使样品达到红热状态，预熔应使样品达到白热状态，熔炼应使样品充分熔化，然后迅速灭弧，使样品充分、快速冷却，完成初步熔炼。

本发明方法采用3～5次重熔，每次重熔后须再次预熔，且每次重熔后须翻转试样。

所述电弧熔炼过程中，每次击发电弧熔炼后必须冷却充分，以保证电弧炉及样品的充分、快速冷却。

本发明提供的上述钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法，所制备的高致密、超高比重钨合金，其技术参数为：致密度98.1％～99.2％，钨比重含量99.7％～99.9％，比重18.89～19.11。

本发明制备的钨合金，用于制备电子工业、核工业、航空航天及动高压物理领域中的元件。

本发明与现有技术相比具有以下主要优点：

1.涉及钨粉净化、预制块体和合金熔炼三个部分，其工艺过程简单，且实际操作中所使用原料(钨粉)、试剂、用具等廉价易得，同时实验条件容易实现，再现性强。

2.采用先冷压成型得到块状生坯，再经高真空烧结的方式获得预制块体，对预制块体进行电弧熔炼的方法，很好解决了钨粉松装密度低，易被电弧压力吹飞的问题；同时由于高真空烧结工艺可使预制块体具备较高致密度，明显降低了钨合金的电弧熔炼难度和气孔率。

3.所采用的非自耗电弧熔炼技术，其电极可重复使用，具有简单易操作、加工效率高等特点。

4.在保证高致密度(致密度为98.1％～99.2％)的情况下所制得的高致密、超高比重钨合金，其钨比重含量达到99.7％～99.9％，比重最高达19.11，参见表1，远高于市面上出现的93W、97W的钨比重含量(93％、97％)和比重(17.6、18.5)，可进一步提升高钨合金在射线防护、武器穿甲、及动高压物理中的应用性能。

表1中“超高比重钨合金”为本发明所制钨合金，通过对比不同国家、不同高钨合金产品的比重含量及比重，可知本发明所得钨合金性能优势明显。

5.所得钨合金具有一定的提纯效果，通过钨粉初步净化、高真空烧结及电弧熔炼协同净化的方式进行提纯，参见表2，可获得纯度要求较高的钨合金靶材、灯丝等材料，可在电子、能源领域得到广泛应用。由表2可知，本发明所制钨合金W元素含量达99.9％。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。由图1可以看出本发明工艺过程简单，易操作。

图2是制备的高致密、超高比重钨合金微观形貌图(经一定浓度的铁氰化钾金相腐蚀)。由图2可看出制备所得钨合金组织均匀、致密、无明显气孔存在。

具体实施方式

本发明设计使用非自耗电弧熔炼方法，快速制备出高致密、超高比重钨合金，同时制备过程中由于电弧熔炼温度(高于钨的熔点)远高于粉末冶金烧结温度，真空度较高，样品中部分原始杂质或制备过程中引入、生成的微量杂质会在高温下得到净化，具有一定的提纯作用。其主要工艺流程如下：首先使用稀盐酸对钨粉酸洗，去离子水清洗和冷冻干燥，完成钨粉的初步净化；经冷压成型制得块状生坯和高真空烧结获得预制块体，在保证炉内真空度(≤4Pa)情况下，通入氩气，使用非自耗电弧熔炼方法对样品预热、预熔、熔炼和重熔(3～5次)，经快速冷却后获得致密度高(98.1％～99.2％)的超高比重钨合金(钨比重含量最高可达99.9％，比重最高可达19.11)。

下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，但并不局限于下面所述的内容。

实施例1

制备致密度为99.2％的超高比重钨合金(钨比重含量为99.9％，比重为19.11)。其制备过程依次经钨粉酸洗、清洗、冷冻干燥处理，冷压成型、高真空烧结获得预制块体，合金的非自耗电弧熔炼等获得该钨合金。其中，非自耗电弧熔炼的工艺过程又包括预热、预熔、熔炼、多次重熔等。其具体步骤如下：

1.钨粉的酸洗、清洗与冷冻干燥处理：

使用浓度为3mol/L的稀盐酸对钨比重含量占99.0％的钨粉(粒径为1～20μm)搅拌酸洗60min，后除去上层清洗液，使用电阻率≥2.0×10⁶Ω·cm的去离子水进行清洗至pH≥4为止，后使用冷冻干燥设备在-10℃以下对清洗后的钨粉冷冻干燥24h。

2.将钨粉冷压成型为生坯，经高真空烧结获得预制块体：

将步骤1中获得的钨粉装入Cr12MoV模具中，使用压片机在室温(25℃左右)下冷压成型，压强为800MPa，压模时间5min，获得块状生坯；之后经过高真空热压烧结，真空度为10^-3Pa，压力为100MPa，温度为1800℃，保压时间为1h，获得预制块体。

3.开通快速冷却循环水，抽真空、通氩气，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作：

开通快速冷却循环水，保证水压≥0.08MPa，并将步骤2中获得的预制块体放入ACM-SO1非自耗熔炼炉中的结晶器熔池中，关闭炉门抽真空，当真空度≤4Pa时，往炉内通氩气，使炉内压强相对大气压强达到-0.04MPa(保证起弧正常)，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作。

4.高致密、超高比重钨合金的非自耗电弧熔炼过程：

将ACM-SO1非自耗电弧熔炼炉运行参数调至20kV，100mA，引弧并对预制块体预热120s；而后在20kV，200mA条件下预熔90s；之后在20kV，250mA下进行熔炼，待块状钨坯充分熔化后(观察钨粉为液态时)，迅速灭弧，并使其快速冷却，完成初步熔炼。之后将试样翻转，在20kV，200mA条件下重新预熔90s后，迅速在20kV，250mA条件下进行5次重熔，且每次重熔冷却后均需重新预熔和翻转试样，最后一次重熔后，待样品冷却至室温(25℃左右)出炉，所得产品为钨比重含量为99.9％、比重为19.11、致密度为99.2％的高致密超高比重钨合金。

实施例2

制备致密度为98.1％的超高比重钨合金(钨比重含量为99.7％，比重为18.89)。其制备过程依次经钨粉酸洗、清洗、冷冻干燥处理，冷压成型、高真空烧结获得预制块体，合金的非自耗电弧熔炼等获得该钨合金。其中，非自耗电弧熔炼的工艺过程又包括预热、预熔、熔炼、多次重熔等。其具体步骤如下：

1.钨粉的酸洗、清洗与冷冻干燥处理：

使用浓度为3mol/L的稀盐酸对钨比重含量占98.5％的钨粉(粒径为1～20μm)搅拌酸洗30min，后除去上层清洗液，使用电阻率≥2.0×10⁶Ω·cm的去离子水进行清洗至pH≥4为止，后使用冷冻干燥设备在-10℃以下对清洗后的钨粉冷冻干燥12h。

2.将钨粉冷压成型为生坯，经高真空烧结获得预制块体：

将步骤1中获得的钨粉装入Cr12MoV模具中，使用压片机在室温(25℃左右)下冷压成型，压强为1000MPa，压模时间3min，获得块状生坯；之后经过高真空热压烧结，真空度为10^-3Pa，压力为100MPa，温度为1800℃，保压时间为1h，获得预制块体。

3.开通快速冷却循环水，抽真空、通氩气，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作：

开通快速冷却循环水，保证水压≥0.08MPa，并将步骤2中获得的预制块体放入ACM-SO1非自耗熔炼炉中的结晶器熔池中，关闭炉门抽真空，当真空度≤4Pa时，往炉内通氩气，使炉内压强相对大气压强达到-0.04MPa(保证起弧正常)，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作。

4.高致密、超高比重钨合金的非自耗电弧熔炼过程：

将ACM-SO1非自耗电弧熔炼炉运行参数调至20kV，100mA，引弧并对预制块体预热120s；而后在20kV，200mA条件下预熔90s；之后在20kV，250mA下进行熔炼，待块状钨坯充分熔化后(观察钨粉为液态时)，迅速灭弧，并使其快速冷却，完成初步熔炼。之后将试样翻转，在20kV，200mA条件下重新预熔90s后，迅速在20kV，250mA条件下进行3次重熔，且每次重熔冷却后均需重新预熔和翻转试样，最后一次重熔后，待样品冷却至室温(25℃左右)出炉，所得产品为钨比重含量为99.7％、比重为18.89、致密度为98.1％的高致密超高比重钨合金。

实施例3

制备致密度为99.0％的超高比重钨合金(钨比重含量为99.9％，比重为19.07)。其制备过程依次经钨粉酸洗、清洗、冷冻干燥处理，冷压成型、高真空烧结获得预制块体，合金的非自耗电弧熔炼等获得该钨合金。其中，非自耗电弧熔炼的工艺过程又包括预热、预熔、熔炼、多次重熔等。其具体步骤如下：

1.钨粉的酸洗、清洗与冷冻干燥处理：

使用浓度为1mol/L的稀盐酸对钨比重含量占98.5％的钨粉(粒径为1～20μm)搅拌酸洗60min，后除去上层清洗液，使用电阻率≥2.0×10⁶Ω·cm的去离子水进行清洗至pH≥4为止，后使用冷冻干燥设备在-10℃以下对清洗后的钨粉冷冻干燥24h。

2.将钨粉冷压成型为生坯，经高真空烧结获得预制块体：

将步骤1中获得的钨粉装入Cr12MoV模具中，使用压片机在室温(25℃左右)下冷压成型，压强为800MPa，压模时间5min，获得块状生坯；之后经过高真空热压烧结，真空度为10^-3Pa，压力为100MPa，温度为1800℃，保压时间为1h，获得预制块体。

3.开通快速冷却循环水，抽真空、通氩气，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作：

开通快速冷却循环水，保证水压≥0.08MPa，并将步骤2中获得的预制块体放入ACM-SO1非自耗熔炼炉中的结晶器熔池中，关闭炉门抽真空，当真空度≤4Pa时，往炉内通氩气，使炉内压强相对大气压强达到-0.04MPa(保证起弧正常)，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作。

4.高致密、超高比重钨合金的非自耗电弧熔炼过程：

将ACM-SO1非自耗电弧熔炼炉运行参数调至20kV，100mA，引弧并对预制块体预热120s；而后在20kV，200mA条件下预熔90s；之后在20kV，250mA下进行熔炼，待块状钨坯充分熔化后(观察钨粉为液态时)，迅速灭弧，并使其快速冷却，完成初步熔炼。之后将试样翻转，在20kV，200mA条件下重新预熔90s后，迅速在20kV，250mA条件下进行4次重熔，且每次重熔冷却后均需重新预熔和翻转试样，最后一次重熔后，待样品冷却至室温(25℃左右)出炉，所得产品为钨比重含量为99.9％、比重为19.07、致密度为99.0％的高致密超高比重钨合金。

实施例4

制备致密度为98.5％的超高比重钨合金(钨比重含量为99.9％，比重为18.97)。其制备过程依次经钨粉酸洗、清洗、冷冻干燥处理，冷压成型、高真空烧结获得预制块体，合金的非自耗电弧熔炼等获得该钨合金。其中，非自耗电弧熔炼的工艺过程又包括预热、预熔、熔炼、多次重熔等。其具体步骤如下：

1.钨粉的酸洗、清洗与冷冻干燥处理：

使用浓度为3mol/L的稀盐酸对钨比重含量占99.5％的钨粉(粒径为1～20μm)搅拌酸洗30min，后除去上层清洗液，使用电阻率≥2.0×10⁶Ω·cm的去离子水进行清洗至pH≥4为止，后使用冷冻干燥设备在-10℃以下对清洗后的钨粉冷冻干燥12h。

2.将钨粉冷压成型为生坯，经高真空烧结获得预制块体：

将步骤1中获得的钨粉装入Cr12MoV模具中，使用压片机在室温(25℃左右)下冷压成型，压强为1000MPa，压模时间3min，获得块状生坯；之后经过高真空热压烧结，真空度为10^-3Pa，压力为100MPa，温度为1500℃，保压时间为1h，获得预制块体。

3.开通快速冷却循环水，抽真空、通氩气，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作：

开通快速冷却循环水，保证水压≥0.08MPa，并将步骤2中获得的预制块体放入ACM-SO1非自耗熔炼炉中的结晶器熔池中，关闭炉门抽真空，当真空度≤4Pa时，往炉内通氩气，使炉内压强相对大气压强达到-0.04MPa(保证起弧正常)，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作。

4.高致密、超高比重钨合金的非自耗电弧熔炼过程：

将ACM-SO1非自耗电弧熔炼炉运行参数调至20kV，100mA，引弧并对预制块体预热60s；而后在20kV，200mA条件下预熔60s；之后在20kV，300mA下进行熔炼，待块状钨坯充分熔化后(观察钨粉为液态时)，迅速灭弧，并使其快速冷却，完成初步熔炼。之后将试样翻转，在20kV，200mA条件下重新预熔60s后，迅速在20kV，300mA条件下进行3次重熔，且每次重熔冷却后均需重新预熔和翻转试样，最后一次重熔后，待样品冷却至室温(25℃左右)出炉，所得产品为钨比重含量为99.9％、比重为18.97，致密度为98.5％的高致密超高比重钨合金。

实施例5

制备致密度为99.1％的超高比重钨合金(钨比重含量为99.9％，比重为19.09)。其制备过程依次经钨粉酸洗、清洗、冷冻干燥处理，冷压成型、高真空烧结获得预制块体，合金的非自耗电弧熔炼等获得该钨合金。其中，非自耗电弧熔炼的工艺过程又包括预热、预熔、熔炼、多次重熔等。其具体步骤如下：

1.钨粉的酸洗、清洗与冷冻干燥处理：

使用浓度为3mol/L的稀盐酸对钨比重含量占99.0％的钨粉(粒径为1～20μm)搅拌酸洗60min，后除去上层清洗液，使用电阻率≥2.0×10⁶Ω·cm的去离子水进行清洗至pH≥4为止，后使用冷冻干燥设备在-10℃以下对清洗后的钨粉冷冻干燥12h。

2.将钨粉冷压成型为生坯，经高真空烧结获得预制块体：

将步骤1中获得的钨粉装入Cr12MoV模具中，使用压片机在室温(25℃左右)下冷压成型，压强为200MPa，压模时间3min，获得块状生坯；之后经过高真空热压烧结，真空度为10^-3Pa，压力为30MPa，温度为2000℃，保压时间为2h，获得预制块体。

3.开通快速冷却循环水，抽真空、通氩气，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作：

开通快速冷却循环水，保证水压≥0.08MPa，并将步骤2中获得的预制块体放入ACM-SO1非自耗熔炼炉中的结晶器熔池中，关闭炉门抽真空，当真空度≤4Pa时，往炉内通氩气，使炉内压强相对大气压强达到-0.04MPa(保证起弧正常)，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作。

4.高致密、超高比重钨合金的非自耗电弧熔炼过程：

将ACM-SO1非自耗电弧熔炼炉运行参数调至20kV，100mA，引弧并对预制块体预热90s；而后在20kV，200mA条件下预熔120s；之后在20kV，280mA下进行熔炼，待块状钨坯充分熔化后(观察钨粉为液态时)，迅速灭弧，并使其快速冷却，完成初步熔炼。之后将试样翻转，在20kV，200mA条件下重新预熔120s后，迅速在20kV，280mA条件下进行3次重熔，且每次重熔冷却后均需重新预熔和翻转试样，最后一次重熔后，待样品冷却至室温(25℃左右)出炉，所得产品为钨比重含量为99.9％、比重为19.09、致密度为99.1％的高致密超高比重钨合金。

实施例6

制备致密度为98.8％的超高比重钨合金(钨比重含量为99.9％，比重为19.03)。其制备过程依次经钨粉酸洗、清洗、冷冻干燥处理，冷压成型、高真空烧结获得预制块体，合金的非自耗电弧熔炼等获得该钨合金。其中，非自耗电弧熔炼的工艺过程又包括预热、预熔、熔炼、多次重熔等。其具体步骤如下：

1.钨粉的酸洗、清洗与冷冻干燥处理：

使用浓度为3mol/L的稀盐酸对钨比重含量占99.0％的钨粉(粒径为1～20μm)搅拌酸洗60min，后除去上层清洗液，使用电阻率≥2.0×10⁶Ω·cm的去离子水进行清洗至pH≥4为止，后使用冷冻干燥设备在-10℃以下对清洗后的钨粉冷冻干燥12h。

2.将钨粉冷压成型为生坯，经高真空烧结获得预制块体：

将步骤1中获得的钨粉装入Cr12MoV模具中，使用压片机在室温(25℃左右)下冷压成型，压强为200MPa，压模时间3min，获得块状生坯；之后经过高真空热压烧结，真空度为10^-3Pa，压力为30MPa，温度为2000℃，保压时间为30min，获得预制块体。

3.开通快速冷却循环水，抽真空、通氩气，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作：

开通快速冷却循环水，保证水压≥0.08MPa，并将步骤2中获得的预制块体放入ACM-SO1非自耗熔炼炉中的结晶器熔池中，关闭炉门抽真空，当真空度≤4Pa时，往炉内通氩气，使炉内压强相对大气压强达到-0.04MPa(保证起弧正常)，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作。

4.高致密、超高比重钨合金的非自耗电弧熔炼过程：

将ACM-SO1非自耗电弧熔炼炉运行参数调至20kV，100mA，引弧并对预制块体预热90s；而后在20kV，200mA条件下预熔120s；之后在20kV，280mA下进行熔炼，待块状钨坯充分熔化后(观察钨粉为液态时)，迅速灭弧，并使其快速冷却，完成初步熔炼。之后将试样翻转，在20kV，200mA条件下重新预熔120s后，迅速在20kV，280mA条件下进行4次重熔，且每次重熔冷却后均需重新预熔和翻转试样，最后一次重熔后，待样品冷却至室温(25℃左右)出炉，所得产品为钨比重含量为99.9％、比重为19.03、致密度为98.8％的高致密超高比重钨合金。

实施例7

制备致密度为98.6％的超高比重钨合金(钨比重含量为99.9％，比重为18.99)。其制备过程依次经钨粉酸洗、清洗、冷冻干燥处理，冷压成型、高真空烧结获得预制块体，合金的非自耗电弧熔炼等获得该钨合金。其中，非自耗电弧熔炼的工艺过程又包括预热、预熔、熔炼、多次重熔等。其具体步骤如下：

1.钨粉的酸洗、清洗与冷冻干燥处理：

使用浓度为3mol/L的稀盐酸对钨比重含量占99.0％的钨粉(粒径为1～20μm)搅拌酸洗60min，后除去上层清洗液，使用电阻率≥2.0×10⁶Ω·cm的去离子水进行清洗至pH≥4为止，后使用冷冻干燥设备在-10℃以下对清洗后的钨粉冷冻干燥12h。

2.将钨粉冷压成型为生坯，经高真空烧结获得预制块体：

将步骤1中获得的钨粉装入Cr12MoV模具中，使用压片机在室温(25℃左右)下冷压成型，压强为800MPa，压模时间5min，获得块状生坯；之后经过高真空放电等离子烧结，真空度为10^-3Pa，压力为10MPa，温度为2000℃，保压时间为30min，获得预制块体。

3.开通快速冷却循环水，抽真空、通氩气，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作：

开通快速冷却循环水，保证水压≥0.08MPa，并将步骤2中获得的预制块体放入ACM-SO1非自耗熔炼炉中的结晶器熔池中，关闭炉门抽真空，当真空度≤4Pa时，往炉内通氩气，使炉内压强相对大气压强达到-0.04MPa(保证起弧正常)，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作。

4.高致密、超高比重钨合金的非自耗电弧熔炼过程：

将ACM-SO1非自耗电弧熔炼炉运行参数调至20kV，100mA，引弧并对预制块体预热90s；而后在20kV，200mA条件下预熔120s；之后在20kV，280mA下进行熔炼，待块状钨坯充分熔化后(观察钨粉为液态时)，迅速灭弧，并使其快速冷却，完成初步熔炼。之后将试样翻转，在20kV，200mA条件下重新预熔120s后，迅速在20kV，280mA条件下进行4次重熔，且每次重熔冷却后均需重新预熔和翻转试样，最后一次重熔后，待样品冷却至室温(25℃左右)出炉，所得产品为钨比重含量为99.9％、比重为18.99、致密度为98.6％的高致密超高比重钨合金。

实施例8

制备致密度为98.4％的超高比重钨合金(钨比重含量为99.9％，比重为18.95)。其制备过程依次经钨粉酸洗、清洗、冷冻干燥处理，冷压成型、高真空烧结获得预制块体，合金的非自耗电弧熔炼等获得该钨合金。其中，非自耗电弧熔炼的工艺过程又包括预热、预熔、熔炼、多次重熔等。其具体步骤如下：

1.钨粉的酸洗、清洗与冷冻干燥处理：

使用浓度为3mol/L的稀盐酸对钨比重含量占99.0％的钨粉(粒径为1～20μm)搅拌酸洗60min，后除去上层清洗液，使用电阻率≥2.0×10⁶Ω·cm的去离子水进行清洗至pH≥4为止，后使用冷冻干燥设备在-10℃以下对清洗后的钨粉冷冻干燥12h。

2.将钨粉冷压成型为生坯，经高真空烧结获得预制块体：

将步骤1中获得的钨粉装入Cr12MoV模具中，使用压片机在室温(25℃左右)下冷压成型，压强为1000MPa，压模时间3min，获得块状生坯；之后经过高真空放电等离子烧结，真空度为10^-3Pa，压力为80MPa，温度为1500℃，保压时间为20min，获得预制块体。

3.开通快速冷却循环水，抽真空、通氩气，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作：

开通快速冷却循环水，保证水压≥0.08MPa，并将步骤2中获得的预制块体放入ACM-SO1非自耗熔炼炉中的结晶器熔池中，关闭炉门抽真空，当真空度≤4Pa时，往炉内通氩气，使炉内压强相对大气压强达到-0.04MPa(保证起弧正常)，做好非自耗电弧熔炼前的准备工作。

4.高致密、超高比重钨合金的非自耗电弧熔炼过程：

将ACM-SO1非自耗电弧熔炼炉运行参数调至20kV，100mA，引弧并对预制块体预热90s；而后在20kV，200mA条件下预熔120s；之后在20kV，280mA下进行熔炼，待块状钨坯充分熔化后(观察钨粉为液态时)，迅速灭弧，并使其快速冷却，完成初步熔炼。之后将试样翻转，在20kV，200mA条件下重新预熔120s后，迅速在20kV，280mA条件下进行4次重熔，且每次重熔冷却后均需重新预熔和翻转试样，最后一次重熔后，待样品冷却至室温(25℃左右)出炉，所得产品为钨比重含量为99.9％、比重为18.95、致密度为98.4％的高致密超高比重钨合金。

表1不同高比重钨合金样品信息及比重对照表

序号	样品名称或合金牌号	国别	元素成分	工艺手段	比重
						1	超高比重钨合金	中国	W	电弧熔炼	18.89～19.11
2	97W	中国	W、Ni、Fe	粉末冶金	18.5
						3	93W	中国	W、Ni、Fe	粉末冶金	17.6
4	GW-1	中国	W、Ni、Fe及其他	粉末冶金	18.0
						5	SD-180	美国	W、Ni、Fe及其他	粉末冶金	18.0
6	WHA-A	日本	W、Ni、Fe及其他	粉末冶金	18.0
						7	GW-2S	中国	W、Ni、Fe及其他	粉末冶金	18.0
8	Malloyry3950	美国	W、Ni、Fe及其他	粉末冶金	18.0
						9	GW-3S	中国	W、Ni、Fe及其他	粉末冶金	17.0
10	橡树岭公司W-Ni-Fe	美国	W、Ni、Fe及其他	粉末冶金	17.0
						11	A-123	奥地利	W、Ni、Fe及其他	粉末冶金	17.6
12	WHA-C	日本	W、Ni、Fe及其他	粉末冶金	18.0

表2高致密超高比重钨合金元素含量ICP测试对照表

Claims (9)

1.一种钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)钨粉的初步净化：

采用1～3mol/L稀盐酸酸洗、去离子水清洗和冷冻干燥的工艺，实现对钨比重含量为≥98.5％的钨粉的初步净化，得到初步净化的钨粉；

(2)冷压成型及预制块体制备：

将初步净化的钨粉放入冷压模具中，采用压片机对其进行冷压成型，得到块状生坯；后经高真空烧结，获得预制块体；

(3)抽真空、通氩气：

将预制块体放入非自耗电弧熔炼炉结晶器熔池中，关闭炉门抽真空，当真空度达到≤4Pa时往炉内通氩气，使炉内压强相对大气压强达到-0.04MPa，以防止样品氧化和保证起弧正常；

(4)电弧熔炼：

引弧并调节熔炼功率对预制块体进行多次熔炼，最后一次重熔后，将预制块体快速冷却至室温再出炉，获得高致密、超高比重钨合金。

2.根据权利要求1所述的钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法，其特征在于钨粉的初步净化过程中，钨粉经酸洗和搅拌30～60min后，先除去上层清液，再用去离子水在搅拌下进行清洗，pH≥4时为止，然后使用冷冻干燥设备在-10℃以下对钨粉冷冻干燥12～24h。

3.根据权利要求1所述的钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法，其特征在于所述冷压成型过程中所用，压强为200～1000MPa，压模时间为3～5min，环境温度为室温。

4.根据权利要求1所述的钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法，其特征在于所述高真空烧结过程中，采用热压烧结，其工艺参数为：真空度≥10^-3Pa，热压烧结压力30～200MPa，温度1500～2000℃，保压时间30～120min。

5.根据权利要求1所述的钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法，其特征在于所述高真空烧结过程中，采用放电等离子体烧结，其工艺参数为：真空度≥10^-3Pa，烧结压力为10～80MPa，温度1500～2000℃，保压时间20～30min。

6.根据权利要求1所述的钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法，其特征在于电弧熔炼过程中，应调整非自耗电弧熔炼炉运行参数引弧，并调整参数对预制块体预热、预熔和熔炼，预热应使样品达到红热状态，预熔应使样品达到白热状态，熔炼应使样品充分熔化，然后迅速灭弧，使样品快速冷却，完成初步熔炼。

7.根据权利要求1所述的钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法，其特征是进行3～5次重熔，每次重熔后须再次预熔，且每次重熔后须翻转试样。

8.根据权利要求1所述的钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法，其特征在于电弧熔炼过程中，每次击发电弧熔炼后必须冷却充分，保证电弧炉及样品的充分、快速冷却。

9.根据权利要求1至8中任一所述的钨合金的非自耗电弧熔炼制备方法，其特征在于该方法制备的高致密、超高比重钨合金，其技术参数为：致密度98.1％～99.2％，钨比重含量为99.7％～99.9％，比重18.89～19.11；该钨合金用于制备电子工业、核工业、航空航天或动高压物理领域中的元件。