CN111979454B - 一种钨铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钨铝合金，由以下重量份数的原料配制而成：铝55‑65份、钨8‑12份、镍3‑5份、锰3‑5份、稀土元素1‑2份，其制备方法包括以下步骤：混合粉体制备、冷等静压成型、真空烧结、热等静压处理。本发明制备得到的钨铝合金各项力学性能优异，并且制备方法简单，成本低，适于大规模推广应用。

Description

一种钨铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，更具体的说是涉及一种钨铝合金及其制备方法。
背景技术
高强、高韧、高硬、轻质、耐高温、耐腐蚀、耐磨损时高性能结构材料的主要发展方向，钨以其优异的耐高温、高强高硬等特性在许多领域都是不可替代的关键材料，尤其在国防军工、航天航空领域中更有其特殊的地位，但是由于其高密度和抗氧化性差使其应用受到限制，合成综合性能优于钨的轻质新型材料逐渐成为本行业的目标。
合金化是提高金属材料性能的有效方法，钨和铝的原子半径差小于15％，电负性相近，可以形成较大固溶度的合金，将低熔点、低密度、低硬度、高延展性的铝与高密度、高熔点、高硬度、高脆性的钨合金化，通过它们之间的性能互补可得到耐高温、高强度、高硬度、高抗氧化、轻质的结构材料。
但是钨铝之间的固溶度较小，同时钨、铝之间存在着非常大的熔点差和密度差，传统的熔炼方法得不到该合金，并且现有机械合金化法和真空热压烧结法会导致合金致密性差、热压工艺对于设备、温度等条件的要求较为严苛，成本较高。
因此，如何提供一种低成本并且机械性能优异的钨铝合金及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种低成本且各项性能优异的钨铝合金及其制备方法，制备得到的轻质合金材料耐高温，并且具有高强度、高硬度、高耐磨性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钨铝合金，由以下重量份数的原料配制而成：铝55-65份、钨8-12份、镍3-5份、锰3-5份、稀土元素1-2份。
优选的，在上述一种钨铝合金中，由以下重量份数的原料配制而成：铝60份、钨10份、镍4份、锰4份、稀土元素1份。
优选的，在上述一种钨铝合金中，所述稀土元素为镧系元素。
在钨铝合金制备过程中添加镧系稀土，可以在已经形成的晶粒界面上选择性的吸附，改善合金的结晶条件，使合金的组织、性能得到改善，并且在一定程度上具有去除杂质的作用。
本发明还公开了上述钨铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)混合粉体制备：称取以上原料分别粉碎为金属粉末，混合均匀得到混合粉体；
(2)冷等静压成型：在150-200MPa的压力下对混合粉末进行冷等静压成型，得到预制坯；
(3)真空烧结：在惰性气体保护下，将所述预制坯在温度为800-1000℃的条件下烧结；
(4)热等静压处理：将经过真空烧结的产品在600-800℃的温度下进行热等静压处理，冷却，即得钨铝合金。
优选的，在上述一种钨铝合金的制备方法中，步骤(1)中所述钨粉的粒径为80-100nm，所述铝粉的粒径为90-120nm，其余所述金属粉末的粒径为100-500nm。
优选的，在上述一种钨铝合金的制备方法中，步骤(1)中所述钨粉、所述铝粉的纯度均为99.8％以上。
优选的，在上述一种钨铝合金的制备方法中，步骤(3)中所述惰性气体为氩气。
优选的，在上述一种钨铝合金的制备方法中，步骤(3)中所述真空压力为5-8MPa。
优选的，在上述一种钨铝合金的制备方法中，步骤(3)中所述烧结为梯度升温烧结：在800℃保温15min，以10℃/min的速率升温至900℃并保温10min，然后以8℃/min的速率升温至1000℃保温10min。
优选的，在上述一种钨铝合金的制备方法中，步骤(4)中所述烧结为梯度升温烧结，在600℃保温10min，以8℃/min的速率升温至750℃并保温10min，然后以5℃/min的速率升温至800℃保温5min。
经过真空烧结阶段和热等静压处理阶段的梯度升温处理，不仅在较低温度下实现了产品的烧结成型处理，而且使得钨铝合金结构致密性更好，减少能耗，达到了一次性高温烧结处理的性能。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种钨铝合金及其制备方法，本发明克服了金属钨和金属铝的高熔点差和高密度差的缺陷，合成出致密度高的钨铝合金，得到了高强度、高硬度并且其他力学性能均优异的合金材料；另外该制备方法操作简单、对设备、温度等条件要求低，实现了低成本合成，适宜大规模推广应用。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种钨铝合金，由以下重量份数的原料配制而成：铝55-65份、钨8-12份、镍3-5份、锰3-5份、稀土元素1-2份。
进一步地，由以下重量份数的原料配制而成：铝60份、钨10份、镍4份、锰4份、稀土元素1份。
进一步地，所述稀土元素为镧系元素。
本发明还公开了上述钨铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)混合粉体制备：称取以上原料分别粉碎为金属粉末，混合均匀得到混合粉体；
(2)冷等静压成型：在150-200MPa的压力下对混合粉末进行冷等静压成型，得到预制坯；
(3)真空烧结：在惰性气体保护下，将所述预制坯在温度为800-1000℃的条件下烧结；
(4)热等静压处理：将经过真空烧结的产品在600-800℃的温度下进行热等静压处理，冷却，即得钨铝合金。
一种优选方案中，步骤(1)中所述钨粉的粒径为80-100nm，所述铝粉的粒径为90-120nm，其余所述金属粉末的粒径为100-500nm。
一种优选方案中，步骤(1)中所述钨粉、所述铝粉的纯度均为99.8％以上。
一种优选方案中，步骤(3)中所述惰性气体为氩气。
一种优选方案中，步骤(3)中所述真空压力为5-8MPa。
一种优选方案中，步骤(3)中所述烧结为梯度升温烧结：在800℃保温15min，以10℃/min的速率升温至900℃并保温10min，然后以8℃/min的速率升温至1000℃保温10min。
一种优选方案中，步骤(4)中所述烧结为梯度升温烧结，在600℃保温10min，以8℃/min的速率升温至750℃并保温10min，然后以5℃/min的速率升温至800℃保温5min。
实施例1
一种钨铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)混合粉体制备：称取铝55份、钨8份、镍3份、锰3份、稀土元素1份分别粉碎为金属粉末，其中钨粉的粒径为80-100nm，所述铝粉的粒径为90-120nm，其余所述金属粉末的粒径为100-500nm，混合均匀得到混合粉体；
(2)冷等静压成型：在200MPa的压力下对混合粉末进行冷等静压成型，得到预制坯；
(3)真空烧结：真空压力为5MPa，且氩气保护气氛下，将所述预制坯进行梯度升温烧结：在800℃保温15min，以10℃/min的速率升温至900℃并保温10min，然后以8℃/min的速率升温至1000℃保温10min；
(4)热等静压处理：将经过真空烧结的产品在梯度温度下进行热等静压处理，在600℃保温10min，以8℃/min的速率升温至750℃并保温10min，然后以5℃/min的速率升温至800℃保温5min，冷却，即得钨铝合金。
本实施例制备的成品钨铝合金组织结构均匀，相对密度为98.9％，室温下的抗拉伸强度为1503MPa，延伸率为8.97％，硬度为8.6GPa、弯曲强度为556MPa、压缩强度为2.04GPa。
实施例2
一种钨铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)混合粉体制备：称取铝60份、钨10份、镍4份、锰4份、稀土元素1份分别粉碎为金属粉末，其中钨粉的粒径为80-100nm，所述铝粉的粒径为90-120nm，其余所述金属粉末的粒径为100-500nm，混合均匀得到混合粉体；
(2)冷等静压成型：在150MPa的压力下对混合粉末进行冷等静压成型，得到预制坯；
(3)真空烧结：真空压力为8MPa，且氩气保护气氛下，将所述预制坯进行梯度升温烧结：在800℃保温15min，以10℃/min的速率升温至900℃并保温10min，然后以8℃/min的速率升温至1000℃保温10min；
(4)热等静压处理：将经过真空烧结的产品在梯度温度下进行热等静压处理，在600℃保温10min，以8℃/min的速率升温至750℃并保温10min，然后以5℃/min的速率升温至800℃保温5min，冷却，即得钨铝合金。
本实施例制备的成品钨铝合金组织结构均匀，相对密度为99.8％，室温下的抗拉伸强度为1826MPa，延伸率为10.05％，硬度为10.8GPa、弯曲强度为608MPa、压缩强度为2.92GPa。
实施例3
一种钨铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)混合粉体制备：称取铝65份、钨12份、镍5份、锰5份、稀土元素2份分别粉碎为金属粉末，其中钨粉的粒径为80-100nm，所述铝粉的粒径为90-120nm，其余所述金属粉末的粒径为100-500nm，混合均匀得到混合粉体；
(2)冷等静压成型：在180MPa的压力下对混合粉末进行冷等静压成型，得到预制坯；
(3)真空烧结：真空压力为7MPa，且氩气保护气氛下，将所述预制坯进行梯度升温烧结：在800℃保温15min，以10℃/min的速率升温至900℃并保温10min，然后以8℃/min的速率升温至1000℃保温10min；
(4)热等静压处理：将经过真空烧结的产品在梯度温度下进行热等静压处理，在600℃保温10min，以8℃/min的速率升温至750℃并保温10min，然后以5℃/min的速率升温至800℃保温5min，冷却，即得钨铝合金。
本实施例制备的成品钨铝合金组织结构均匀，相对密度为99.2％，室温下的抗拉伸强度为1661MPa，延伸率为9.30％，硬度为8.7GPa、弯曲强度为583MPa、压缩强度为2.64GPa。
对比例1
一种钨铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)混合粉体制备：称取铝55份、钨8份、镍3份、锰3份、稀土元素1份分别粉碎为金属粉末，其中钨粉的粒径为80-100nm，所述铝粉的粒径为90-120nm，其余所述金属粉末的粒径为100-500nm，混合均匀得到混合粉体；
(2)冷等静压成型：在200MPa的压力下对混合粉末进行冷等静压成型，得到预制坯；
(3)真空烧结：真空压力为5MPa，且氩气保护气氛下，将所述预制坯在900℃下进行烧结；
(4)热等静压处理：将经过真空烧结的产品在梯度温度下进行热等静压处理，在600℃保温10min，以8℃/min的速率升温至750℃并保温10min，然后以5℃/min的速率升温至800℃保温5min，冷却，即得钨铝合金。
本对比例制备的成品钨铝合金组织结构均匀，相对密度为89.1％，室温下的抗拉伸强度为1025MPa，延伸率为5.13％，硬度为4.8GPa、弯曲强度为406MPa、压缩强度为1.57GPa。
对比例2
一种钨铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)混合粉体制备：称取铝55份、钨8份、镍3份、锰3份、稀土元素1份分别粉碎为金属粉末，其中钨粉的粒径为80-100nm，所述铝粉的粒径为90-120nm，其余所述金属粉末的粒径为100-500nm，混合均匀得到混合粉体；
(2)冷等静压成型：在200MPa的压力下对混合粉末进行冷等静压成型，得到预制坯；
(3)真空烧结：真空压力为5MPa，且氩气保护气氛下，将所述预制坯在900℃下进行烧结；
(4)热等静压处理：将经过真空烧结的产品在600-800℃的温度下进行热等静压处理，冷却，即得钨铝合金。
本对比例制备的成品钨铝合金组织结构均匀，相对密度为85.3％，室温下的抗拉伸强度为853MPa，延伸率为3.47％，硬度为4.07GPa、弯曲强度为354MPa、压缩强度为1.27GPa。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方案而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种钨铝合金，其特征在于，由以下重量份数的原料配制而成：铝55-65份、钨8-12份、镍3-5份、锰3-5份、稀土元素1-2份；
所述钨铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)混合粉体制备：称取以上原料分别粉碎为金属粉末，混合均匀得到混合粉体；
(2)冷等静压成型：在150-200MPa的压力下对混合粉末进行冷等静压成型，得到预制坯；
(3)真空烧结：在惰性气体保护下，将所述预制坯在温度为800-1000℃的条件下烧结；
(4)热等静压处理：将经过真空烧结的产品在600-800℃的温度下进行热等静压处理，冷却，即得钨铝合金；
步骤(3)中所述烧结为梯度升温烧结：在800℃保温15min，以10℃/min的速率升温至900℃并保温10min，然后以8℃/min的速率升温至1000℃保温10min；
步骤(4)中所述烧结为梯度升温烧结，在600℃保温10min，以8℃/min的速率升温至750℃并保温10min，然后以5℃/min的速率升温至800℃保温5min。
2.根据权利要求1所述的一种钨铝合金，其特征在于，由以下重量份数的原料配制而成：铝60份、钨10份、镍4份、锰4份、稀土元素1份。
3.根据权利要求1所述的一种钨铝合金，其特征在于，步骤(1)中所述钨粉的粒径为80-100nm，所述铝粉的粒径为90-120nm，其余所述金属粉末的粒径为100-500nm。
4.根据权利要求1所述的一种钨铝合金，其特征在于，步骤(1)中所述钨粉、所述铝粉的纯度均为99.8％以上。
5.根据权利要求1所述的一种钨铝合金，其特征在于，步骤(3)中所述惰性气体为氩气。
6.根据权利要求1所述的一种钨铝合金，其特征在于，步骤(3)中所述真空压力为5-8MPa。
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