CN110129701B - 一种难熔金属再结晶退火的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种难熔金属再结晶退火的方法，采用放电等离子烧结(SPS)技术对难熔金属材料进行再结晶退火，将高密度电流引入到再结晶退火工艺中，增加难熔金属材料再结晶驱动力，促进变形的难熔金属材料发生回复和再结晶。本发明采用SPS技术对变形态的难熔金属进行再结晶热处理，可在退火温度低于难熔金属的再结晶温度且退火时间控制在30min以内的条件下获得再结晶组织均匀的难熔金属，有望实现批量化处理大尺寸难熔金属的要求。

Description

一种难熔金属再结晶退火的方法
技术领域
本发明涉及一种难熔金属再结晶退火的方法，属于难熔(高熔点)金属材料组织改性领域。
背景技术
难熔金属(钨、钼、钽、铌、铼等)及其合金具有熔点高(高于2000℃)、热膨胀系数小、高温强度高、良好的导热性能等优异性能，广泛应用于国防军工、电子信息、能源、冶金和核工业等领域。通常制备的难熔金属及其合金需要进行后续变形加工处理改善难显微组织、细化晶粒及提高致密度和综合力学性能。然而，随着加工变形量的增加，由于位错的交互作用、位错缠结等会导致加工硬化，从而难以继续进行变形加工。此外，变形加工后的材料可能会存在某些性能的各项异性或性能降低的局限，比如导电、导热和力学性能等。因此，有必要对变形态的难熔金属材料进行再结晶退火处理，改善其显微组织，以消除加工硬化带来的不利影响。
传统的再结晶退火热处理通常是在加热炉内通过辐射、对流等方式进行加热，所消耗的能量除了用于材料再结晶退火外，还有大部分的能量耗散在炉体加热和散热损失等方面。此外，传统的再结晶退火，特别难熔金属材料，一般持续时间比较长(至少数小时)，因而存在热处理效率低下的情况。长时间的高温退火会导致材料的晶粒粗大、组织不均匀，难以满足对高性能材料的要求。
电流通过金属导体时，由于金属导体具有一定的电阻率会产生的焦耳热，使金属导体发热。本发明利用通入待再结晶退火处理的难熔金属材料的电流所产生的焦耳热进行加热进行再结晶退火。此外，高密度电流携带高动量电子，可以加速了位错的迁移，促进金属材料的均质化、回复、再结晶、晶粒生长和相变等过程。因此，对变形加工后的难熔金属材料中引入高密度电流将是一种可再结晶退火处理的方法。
发明内容
本发明提供了一种难熔金属再结晶退火的方法，采用放电等离子烧结(SPS)技术对加工变形后的难熔金属块体进行再结晶退火，获得组织均匀、晶粒细小的再结晶退火组织。
本发明难熔金属再结晶退火的方法，是在低于难熔金属再结晶温度(一般金属再结晶温度接近0.3Tm)以下对其进行热处理，使其组织由变形态转变为再结晶态。
本发明难熔金属再结晶退火的方法，采用SPS技术对难熔金属材料进行再结晶退火，将高密度电流引入到再结晶退火工艺中，增加其再结晶驱动力，促进变形的难熔金属材料回复和再结晶。具体包括如下步骤：
步骤1：采用线切割技术将变形态的难熔金属块体切成直径为13mm、厚度为2.8mm的圆片，通过砂纸机械打磨使上、下表面平行，然后置于10wt.％NaOH水溶液中煮沸5～10min，清洗去除污渍，最后在80℃真空干燥12h，获得可以在SPS条件下进行再结晶退火的变形态难熔金属样品；本发明使用是塑性变形后的难熔金属，且变形量大于50％，热处理样品直径大于10mm。
步骤2：将变形态难熔金属样品安装于石墨电极压头中，进行SPS条件下的再结晶退火，通过改变升温速率、烧结温度和保温时间，优化退火工艺参数以获得晶粒细小、组织均匀、等轴晶的难熔金属材料。
步骤2中，为了避免变形W材料在退火过程中发生氧化，SPS设备炉腔的真空度≤10Pa；为了保证SPS石墨电极和变形W材料具有良好的接触，在退火过程中外加载荷为5～100MPa。
步骤2中，通过优化SPS退火时的升温速率、退火温度和保温时间等工艺参数，优化作用在样品上的电流密度和时间。SPS退火的工艺参数调节范围：升温速率为50～300℃/min，退火温度为600～1000℃，保温时间为0～5min；保温结束后随炉冷却至100℃以下取出，退火处理完成。
本发明所述难熔金属包括钨、钼、钽、铌等。
本发明利用SPS的直流脉冲电流直接作用在样品上的焦耳热进行加热，因而可以实现样品的快速升温，提高再结晶退火的工作效率。
本发明利用SPS的直流脉冲电流可以促进难熔金属材料原子迁移、扩散这一技术特性，因而可以在较低温度下、促进变形的难熔金属发生再结晶。
本发明采用SPS技术对变形态难熔金属材料进行再结晶退火，与变形难熔金属材料的加工变形方式和变形量无直接关系。
本发明采用SPS技术对变形态的难熔金属进行再结晶热处理，可在退火温度低于难熔金属的再结晶温度且退火时间控制在30min以内的条件下获得再结晶组织均匀的难熔金属，有望实现批量化处理大尺寸难熔金属的要求。
本发明难熔金属再结晶退火的方法的关键在于控制SPS技术工艺参数来降低变形难熔金属材料基体中的位错密度使其完全再结晶。为了获得完全再结晶且晶粒细小的难熔金属材料，本发提出在短时间内将高密度电流作用在变形难熔金属上。由SPS的技术特性可知，对同种材料进行再结晶退火处理时，提高样品的升温速率意味着作用在样品上的电流密度增加，可以缩短电流作用在样品上的时间。本发明所针对的具有高变形量或难变形的难熔金属材料，高的加工变形量对SPS条件下的再结晶退火提供足够的再结晶驱动力。此外，本发明通过调控SPS再结晶退火工艺的升温速率、退火温度和退火时间来优化SPS脉冲直流电流对样品的影响，改善原子迁移能力，促进变形态难熔金属材料回复和再结晶。
附图说明
图1轧制纯钨在SPS条件下800℃退火前后的显微组织。可以发现SPS条件下退火可以获得组织均匀的再结晶组织。
图2轧制纯钼在SPS条件下750℃退火前后的显微组织。可以发现SPS条件下退火可以获得组织均匀的再结晶组织。
图3轧制纯钽在SPS条件下750℃退火前后的显微组织。可以发现SPS条件下退火可以获得组织均匀的再结晶组织。
图4轧制纯铌在SPS条件下700℃退火前后的显微组织。可以发现SPS条件下退火可以获得组织均匀的再结晶组织。
具体实施方式
实施例1：
1、采用线切割技术将变形量为90％的轧制钨板切成直径为13mm、高度为2.8mm的圆片，通过砂纸机械打磨使上、下表面平行，然后置于10wt.％NaOH水溶液中煮沸5～10min，清洗去除污渍，最后在80℃真空干燥12h，获得可以在SPS条件下进行再结晶退火的变形态的难熔金属样品。
2、将变形钨样品安装石墨电极压头中，进行SPS条件下的再结晶退火。SPS再结晶退火时，真空度小于10Pa、外加载荷为30MPa、升温速率为100℃/min、退火温度为800℃、保温时间为0min。在相应条件下，经过样品的平均电流密度512A·cm-2。
其再结晶退火前、后的显微组织如图1(a)、1(b)所示。可以发现，通过SPS条件下快速、低温再结晶退火时，变形钨材料的晶粒从纤维状变为等轴状，显微组织均匀、晶粒细小约为20μm，且没有发生晶粒异常长大的现象。
实施例2：
1、采用线切割技术将变形量为75％的轧制钼板切成直径为13mm、高度为2.8mm的圆片，通过砂纸机械打磨使上、下表面平行，然后置于10wt.％NaOH水溶液中煮沸5～10min，清洗去除污渍，最后在80℃真空干燥12h，获得可以在SPS条件下进行再结晶退火的变形态的难熔金属样品。
2、将变形钨样品安装石墨电极压头中，进行SPS条件下的再结晶退火。SPS再结晶退火时，真空度小于10Pa、外加载荷为30MPa、升温速率为100℃/min、退火温度为750℃、保温时间为0min。在相应条件下，经过样品的平均电流密度370A·cm-2。
其再结晶退火前、后的显微组织如图2(a)、2(b)所示。可以发现，采用SPS技术快速、低温再结晶退火处理，可以获得组织均匀完全再结晶态的钼材料，其晶粒形态从原来的纤维状变为等轴状，再结晶退后后平均晶粒尺寸约为70μm，且没有发生晶粒异常长大的现象。
实施例3：
1、采用线切割技术将变形量为75％的轧制钽板切成直径为13mm、高度为2.8mm的圆片，通过砂纸机械打磨使上、下表面平行，然后置于10wt.％NaOH水溶液中煮沸5～10min，清洗去除污渍，最后在80℃真空干燥12h，获得可以在SPS条件下进行再结晶退火的变形态的难熔金属样品。
2、将变形钨样品安装石墨电极压头中，进行SPS条件下的再结晶退火。SPS再结晶退火时，真空度小于10Pa、外加载荷为30MPa、升温速率为100℃/min、退火温度为750℃、保温时间为0min。在相应条件下，经过样品的平均电流密度502A·cm-2。
其再结晶退火前、后的显微组织如图3(a)、3(b)所示。可以发现，采用SPS技术快速、低温再结晶退火处理，可以获得组织均匀完全再结晶态的钽材料，其晶粒形态从原来的纤维状变为等轴状，再结晶退后后平均晶粒尺寸约为80μm，且没有发生晶粒异常长大的现象。
实施例4：
1、采用线切割技术将变形量为90％的轧制铌板切成直径为13mm、高度为2.8mm的圆片，通过砂纸机械打磨使上、下表面平行，然后置于10wt.％NaOH水溶液中煮沸5～10min，清洗去除污渍，最后在80℃真空干燥12h，获得可以在SPS条件下进行再结晶退火的变形态的难熔金属样品。
2、将变形钨样品安装石墨电极压头中，进行SPS条件下的再结晶退火。SPS再结晶退火时，真空度小于10Pa、外加载荷为30MPa、升温速率为100℃/min、退火温度为700℃、保温时间为0min。在相应条件下，经过样品的平均电流密度418A·cm-2。
其再结晶退火前、后的显微组织如图4(a)、4(b)所示。可以发现，采用SPS技术快速、低温再结晶退火处理，可以获得组织均匀完全再结晶态的钼材料，其晶粒形态从原来的纤维状变为等轴状，再结晶退后后平均晶粒尺寸约为50μm，且没有发生晶粒异常长大的现象。

Claims (3)

1.一种难熔金属再结晶退火的方法，其特征在于：是在低于难熔金属再结晶温度以下对其进行热处理，使其组织由变形态转变为再结晶态；采用SPS技术对难熔金属材料进行再结晶退火，将高密度电流引入到再结晶退火工艺中，增加其再结晶驱动力，促进变形的难熔金属材料回复和再结晶；包括如下步骤：
步骤1：采用线切割技术将变形态的难熔金属块体切成直径为13 mm、厚度为2.8mm的圆片，通过砂纸机械打磨使上、下表面平行，然后置于10 wt.% NaOH水溶液中煮沸5~10 min，清洗去除污渍，最后在80℃真空干燥12h，获得在SPS条件下进行再结晶退火的变形态难熔金属样品；
步骤2：将变形态难熔金属样品安装于石墨电极压头中，进行SPS条件下的再结晶退火，通过改变升温速率、烧结温度和保温时间，优化退火工艺参数以获得晶粒细小、组织均匀、等轴晶的难熔金属材料；
步骤2中，SPS退火的工艺参数调节范围：升温速率为50~300℃/min，退火温度为600~1000 ℃，保温时间为0~5 min；
所述难熔金属是指钨、钼、钽、铌、铼以及熔点高于2000℃的合金材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤2中，为了避免变形W材料在退火过程中发生氧化，SPS设备炉腔的真空度≤10 Pa。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤2中，为了保证SPS石墨电极和变形W材料具有良好的接触，在退火过程中外加载荷为5~100 MPa。
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