CN115838877A - 一种硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金的制备方法，包括：A)将含铝金属间化合物粉末进行高能球磨，得到片状含铝金属间化合物微细粉末；B)将钨粉、所述片状含铝金属间化合物微细粉末和单质硼粉进行混料，得到复合原料粉末；C)将所述复合原料粉末在较低真空气氛下进行放电等离子烧结，得到硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金。本申请通过添加含硼元素且利用球磨工艺得到片状含铝金属间化合物粉末且原料均匀混合的预制粉末，再通过放电等离子快速烧结，原位形成低熔点液相和氧化铝微粒，最终通过较低烧结温度制得致密度高、粘结相呈现异质结构、力学性能优良、晶粒细小的硼元素增强的含铝金属间化合物粘结钨合金。
Description
技术领域
本发明涉及钨合金及其制备技术领域，具体涉及一种硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金及其制备方法。
背景技术
由于具有高密度、高硬度、良好的机械加工性及无放射性污染等优点，钨合金被广泛应用于穿甲弹弹芯材料。然而，传统W-Ni-Fe合金对绝热剪切不敏感，在穿甲过程中容易出现“蘑菇头”，导致穿甲深度低于具有“自锐化”效应的贫铀合金穿甲弹。一般而言，钨合金的绝热剪切性与其粘结相的导热系数、钨晶粒的尺寸、合金的力学性能等紧密相关。近年来，开发具有低导热系数、细钨晶粒尺寸、高强度硬度，进而可取代贫铀合金穿甲弹的钨合金是该领域的重点发展方向之一。
Ni3Al、Zr3Al、Fe3Al、Ti3Al等含铝金属间化合物具有较低热导率、较高硬度及钨在其中的溶解度较低等优点，这使得它们作为粘结相来制备新型钨合金具有诸多优势。比如，含铝金属间化合物中的Ni3Al的热导率低且具有正温度梯度效应，这使得其在穿甲过程中最易引发绝热剪切效应。然而，目前报道的含铝金属间化合物粘结钨合金的烧结温度较高、钨晶粒尺寸偏大，从而导致钨合金的综合力学性能较差，这与人们期望其在穿甲弹材料中的应用还存在不少差距。
目前，一般通过氢气还原、共沸蒸馏、添加纳米钨粉、添加纳米氧化物颗粒以及烧结后形变热处理等方法来获得晶粒细小、高强度、高硬度的钨合金，但是这些方法存在制备过程繁琐、原料昂贵、外加第二相分散不均匀、危险气体使用等问题。而元素添加是一种简单且有效的提高钨合金综合力学性能的一种方法，如已经报道的钴、锰、铬、锡、铪、钛、钽等金属元素。但是，这些元素如钴、铬、铪、钽相关钨合金的制备需要很高的烧结温度。而锰与锡的添加虽然可以降低烧结温度，但是由于锰易氧化而锡易形成脆性相导致它们对钨合金力学性能的提升有限。因此，发掘既能降低钨合金烧结温度，获得细小钨晶粒尺寸，又可以大幅度提高材料综合力学性能的合适合金化元素具有重要意义。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金及其制备方法，本申请制备的钨合金具有烧结温度低、钨晶粒细小、相对密度高、强度和硬度高等优点，合金综合力学性能较以往研究得到了明显改善。
有鉴于此，本申请提供了一种硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金的制备方法，包括以下步骤：
A)将含铝金属间化合物粉末进行高能球磨，得到片状含铝金属间化合物微细粉末；
B)将钨粉、所述片状含铝金属间化合物微细粉末和单质硼粉进行混料，得到复合原料粉末；
C)将所述复合原料粉末在较低真空气氛下进行放电等离子烧结，得到硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金。
优选的，所述钨粉的含量为85～95wt％，所述含铝金属间化合物微细粉末的含量为4.9～14wt％，所述单质硼粉的含量为0.1～1.0wt％。
优选的，所述含铝金属间化合物选自Ni3Al、Fe3Al、Ti3Al、Zr3Al中的一种或多种。
优选的，步骤A)中，所述高能球磨的方式为干法球磨或湿法球磨，所述干法球磨采用的研磨介质选自硬脂酸、亚乙基双硬脂酰胺和氯化钠中的一种或多种，所述湿法球磨采用的研磨介质选自无水乙醇、丙酮和乙酸乙酯中的一种或多种。
优选的，步骤A)中，所述高能球磨为两步球磨；所述两步球磨的球料比为10:1～30:1；
所述高能球磨的步骤具体为：首先在50～200r/min转速下进行1～6h的低速球磨，而后在200～500r/min转速进行0.5～10h的高速球磨。
优选的，步骤B)中，所述混料在加磨球或不加磨球的情况下进行；
所述加磨球的混料方式具体为：将钨粉、所述片状含铝金属间化合物微细粉末、单质硼粉和磨球放入球磨罐中，在球料比不超过5:1，转速不超过400r/min下混料0.5～24h；
所述不加磨球的混料方式具体为：将钨粉、所述片状含铝金属间化合物微细粉末和单质硼粉放入球磨罐中，在转速不超过400r/min下混料0.5～24h。
优选的，所述放电等离子烧结为一步烧结法。
优选的，所述一步烧结法的炉内空气压力为20～60Pa，温度为1000～1200℃，烧结压力为30～100MPa，升温速率为100～400℃/min，保温时间为1～30min。
本申请还提供了所述的制备方法所制备的硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金，由钨粉、含铝金属间化合物粉末和单质硼粉制备得到。
优选的，所述钨粉的含量为85～95wt％，所述含铝金属间化合物粉末的含量为4.9～14wt％，所述单质硼粉的含量为0.1～1.0wt％。
本申请提供了一种含硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金的制备方法，其首先利用高能球磨制备出微细的片状含铝金属间化合物粉末，而后通过混料，得到含有钨粉、片状含铝金属间化合物粉及单质硼粉的均匀混合复合粉体；最后将复合粉体在较低真空气氛下进行放电等离子烧结，即得到了硼元素增强的含铝金属间化合物粘结细晶钨合金。
本申请通过在钨合金原料粉末中引入硼元素，结合放电等离子烧结技术，通过较低真空气氛烧结过程中原位生成氧化硼等低熔点化合物并熔化成液相，这些瞬时液相将片状金属间化合物粉末及钨粉末颗粒包裹，接下来小颗粒钨粉溶解并扩散固溶进入片状金属间化合物中，而后在相邻的两个钨颗粒之间形成局部富钨通道(富钨的金属间化合物固溶体)。而在未产生局部瞬时液相的区域，钨的扩散速度慢导致固溶过程中形成贫钨的金属间化合物固溶体。从而使得该合金粘结相呈现出异质结构，这种结构由于“软区”与“硬区”的存在而导致背应力的产生，有利于提高钨合金的力学性能。进一步的，由于较低真空气氛烧结，钨等元素从金属间化合物中置换出的铝元素在合金内部原位氧化形成细小氧化铝微粒，其可以阻碍位错运动，从而有利于对合金进行强化。
因而，本申请通过在一定范围内调节放电等离子烧结炉内的空气压力，使得原料中的硼元素和从金属间化合物中置换出来的铝元素得以原位氧化，并分别生成低熔点液相和细小的氧化铝微粒，最终在远低于含铝金属间化合物粘结相熔点的烧结温度下，制得了具有局部富钨与贫钨组织的异质结构粘结相和原位氧化铝微粒协同强化的钨合金，该钨合金具有烧结温度低、晶粒细小、相对密度高、强度大和硬度高等特点，综合力学性能较以往研究得到了显著提高。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的钨合金的XRD图；
图2为本发明实施例1制备的钨合金的透射电镜照片和能谱面扫描Mapping图；
图3为本实施例1制备的钨合金局部放大的透射电镜照片(左图)和不同区域A，B，C，D的能谱分析图(右图)。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
鉴于现有技术中含铝金属间化合物粘结钨合金烧结温度高、晶粒尺寸大，最终导致钨合金综合力学性能低的问题，本申请提供了一种硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金及其制备方法，本申请提供的钨合金的制备方法通过向原料中添加单质硼粉，并预先球磨含铝金属间化合物粉末得到片状微细粉末，再通过混料即得到成分均匀的预制粉末，最后在较低真空气氛中利用放电等离子烧结技术即得到致密度高、异质结构粘结相、力学性能良好、钨晶粒细小的含铝金属间化合物粘结钨合金。具体的，本发明实施例公开了一种硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金的制备方法，包括以下步骤：
A)将含铝金属间化合物粉末进行高能球磨，得到片状含铝金属间化合物微细粉末；
B)将钨粉、所述片状含铝金属间化合物微细粉末和单质硼粉进行混料，得到复合原料粉末；
C)将所述复合原料粉末进行放电等离子烧结，得到硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金。
在上述制备方法中，本申请首先将含铝金属间化合物粉末进行高能球磨，得到片状微细粉末；根据研磨介质，所述高能球磨为干法球磨或湿法球磨，所述干法球磨是将含铝金属间化合物粉末和硬脂酸、亚乙基双硬脂酰胺和氯化钠中的一种或多种一起进行高能球磨；所述湿法球磨是将含铝金属间化合物粉末和无水乙醇、丙酮、乙酸乙酯中的一种或多种一起进行高能球磨。根据粉末的状态，所述高能球磨为两步球磨，所述两步球磨的球料比为10:1～30:1；高能球磨的步骤具体为：首先在50～200r/min转速下进行1～6h的低速球磨，而后在200～500r/min转速进行0.5～10h的高速球磨。
按照本发明，在含铝金属间化合物粉末高能球磨处理之后则将其与钨粉、单质硼粉按照比例进行混料，得到复合粉末；所述含铝金属间化合物为Ni3Al、Fe3Al、Ti3Al、Zr3Al中的一种或多种。在本申请中，所述钨粉的含量为85～95wt％，所述含铝金属间化合物粉末的含量为4.9～14wt％，所述单质硼粉的含量为0.1～1.0wt％；更具体地，所述钨粉的含量为85～90wt％，所述含铝金属间化合物粉末的含量为5～10wt％，所述单质硼粉的含量为0.1～0.5wt％。在此过程中，所述混料过程具体可在加磨球或不加磨球的情况下进行，所述加磨球的混料具体为：将钨粉、所述片状含铝金属间化合物微细粉末、单质硼粉和磨球放入球磨罐中，在球料比不超过5:1，转速不超过400r/min下混料0.5～24h；所述不加磨球的混料方式具体为：将钨粉、所述片状含铝金属间化合物微细粉末和单质硼粉放入球磨罐中，在转速不超过400r/min下混料0.5～24h。
本申请最后将上述复合粉末在较低真空气氛下进行放电等离子烧结，以得到硼元素增强的含铝金属间化合物粘结钨合金。所述放电等离子烧结为一步烧结法；更具体地，所述一步烧结法的炉内空气压力为20～60Pa，温度1000～1200℃，压力30～100MPa，升温速率100～400℃/min，保温时间1～30min。
本申请提供的硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金的制备方法，通过不同质量百分比硼元素添加以及不同的混料工艺，得到硼元素均匀分布、含有片状含铝金属间化合物且粒径较细的复合粉末，而后对该复合粉末进行一步放电等离子烧结；在烧结过程中，在较低真空气氛下原位生成氧化硼等低熔点化合物及熔化成液相，这些含硼的瞬时液相包裹片状金属间化合物粉末及钨颗粒，加速钨原子在片状金属间化合物中的低温置换固溶，在相邻的两个钨颗粒之间形成局部富钨通道(富钨的金属间化合物固溶体)。而在未产生局部瞬时液相的区域，钨的扩散速度慢导致固溶过程中形成贫钨的金属间化合物固溶体。因此，在液相区域与非液相区域形成不同固溶度(富钨/贫钨)的非均匀粘结相结构，这种结构由于“软区”与“硬区”的存在而导致背应力的产生，进而可提高合金的力学性能。同时，钨等元素从金属间化合物中置换出的铝元素在合金内部原位氧化形成细小氧化铝微粒，其可以阻碍位错运动，从而有利于对合金进行强化。
因而，本申请通过在一定范围内调节放电等离子烧结炉内的空气压力，使得原料中的硼元素和从金属间化合物中置换出来的铝元素得以原位氧化，并分别生成低熔点液相和细小的氧化铝微粒，最终在远低于含铝金属间化合物粘结相熔点的烧结温度下，制得了具有局部富钨与贫钨组织的异质结构粘结相和原位氧化铝颗粒协同强化的钨合金，该合金具有烧结温度低、晶粒细小、相对密度高、强度大和硬度高等特点，综合力学性能较以往研究得到了显著提高。
本发明还提供了上述方法制备的硼元素增强的含铝金属间化合物粘结钨合金，由钨粉、含铝金属间化合物粉和单质硼粉制备得到。
本发明利用元素添加原位生成低熔点液相不仅可以解决直接添加第二相分布不均匀的问题，也能在更大幅度的降低烧结温度的同时促进固溶强化，在提高钨合金综合力学性能的同时也有利于降低制备成本，简化流程；同时通过调节烧结过程中的炉内空气压力，控制原位生成低熔点液相的含量，利用原位生成的液相加速钨原子在片状含铝金属间化合物中的置换固溶，使得液相区域与非液相区域的粘结相含有不同固溶度(富钨/贫钨)的非均匀结构，即“软区”与“硬区”，从而导致背应力的产生，进而提升钨合金力学性能；利用钨等原子在片状含铝金属间化合物中的置换铝元素的效应，原位生成细小氧化铝颗粒，阻碍位错的运动，进而增强其强度和硬度，最终获得具有优良力学性能的含铝金属间化合物粘结钨合金。
本发明也充分利用放电等离子烧结的热压烧结、气氛气压可调、快速升温、短时保温等特点，使得制备出的含铝金属间化合物粘结钨合金具有结构新颖、密度较高、强度高、晶粒细小、硬度较高等优点，故相较于传统钨合金可改善其绝热剪切自锐性。
综上，在本申请中，首先向片状含铝金属间化合物的原料粉末中添加了微量单质硼粉，接下来通过较低真空气氛下的放电等离子烧结，最终在远低于含铝金属间化合物熔点的温度下制备了综合力学性能更好的含铝金属间化合物粘结钨合金。该发明为低成本制备综合力学性能优良的含铝金属间化合物粘结钨合金提供了一种新的、简单的低温烧结解决方案，同时对其他粉末冶金材料的制备也有借鉴意义。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
本实施例的一种硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金的制备方法，包括以下步骤及工艺条件：
(1)原料成分配比：以W粉、Ni3Al粉、B粉为原料，并按照以下质量百分比配料W90％，Ni3Al 9.9％，B 0.1％；W粉的纯度>99.9％，Ni3Al粉的纯度>99％，B粉的纯度>99％；W粉的平均粒径≤5μm，Ni3Al粉的平均粒径≤40μm，B粉的平均粒径≤4μm；
(2)将上述称量好的Ni3Al粉装入球磨罐中，在高能球磨机上进行二步球磨，球磨介质为无水乙醇，质量百分数≤15％，球料比为20:1；
所述球磨工艺为首先在200r/min转速进行4h的低速球磨，后在400r/min进行2h的高速球磨，得到片状Ni3Al粉；
(3)将上述球磨后的片状Ni3Al粉、W粉、B粉，加磨球且球料比为5:1，在380r/min转速进行24h球磨混料，得到均匀细小的复合粉末；
(4)将上述复合粉末装入石墨模具中后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，抽真空后进行放电等离子一步烧结，烧结工艺条件为炉内空气压力25Pa，烧结压力50MPa，升温速率100℃/min，烧结温度1150℃，保温时间5min；
通过以上制备方法，获得组织均匀的W-9.9Ni3Al-0.1B合金，其平均钨晶粒小于4μm，相对密度大于93％，宏观硬度为71.6HRA，抗弯强度为1395MPa。
图1为本实施例制备的钨合金的XRD图谱，由图1可知，本申请制备的钨合金中除W和Ni3Al两个主相外，还有低熔点化合物B2O3和Ni4B3相，以及Al2O3相，没有其他硬脆金属间化合物生成。图2为本实施例制备的钨合金的透射电镜照片和能谱面扫描Mapping图。由图2可知，本申请制备的钨合金在两个钨晶粒间形成了富钨通道粘结相组织。图3为本实施例制备的钨合金局部放大的透射电镜照片(左图)和不同区域A，B，C，D的能谱分析图(右图)，由图3可知，在本申请制备的钨合金的精细显微结构中，含有明显的非均匀(富钨C/贫钨B)金属间化合物粘结相结构，以及原位生成的微细氧化铝微粒(D)。
实施例2
本实施例的一种硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金的制备方法，包括以下步骤及工艺条件：
(1)原料成分配比：以W粉、Ni3Al粉、B粉为原料，并按照以下质量百分比配料W90％，Ni3Al 9.9％，B 0.1％；W粉的纯度>99.9％，Ni3Al粉的纯度>99％，B粉的纯度>99％；W粉的平均粒径≤5μm，Ni3Al粉的平均粒径≤40μm，B粉的平均粒径≤4μm；
(2)将上述称量好的Ni3Al粉装入球磨罐中，在高能球磨机上进行二步球磨，球磨介质为无水乙醇，质量百分数≤15％，球料比为20:1；
所述球磨工艺为首先在200r/min转速进行4h的低速球磨，后在400r/min进行2h的高速球磨，得到片状Ni3Al粉；
(3)将上述球磨后的片状Ni3Al粉、W粉、B粉，加磨球且球料比为5:1，在380r/min转速进行24h球磨混料，得到均匀细小的复合粉末；
(4)将上述复合粉末装入石墨模具中后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，抽真空后进行放电等离子一步烧结，烧结工艺条件为炉内空气压力30Pa，烧结压力50MPa，升温速率100℃/min，烧结温度1100℃，保温时间5min；
通过以上制备方法，获得组织均匀的W-9.9Ni3Al-0.1B合金，其晶粒小于4μm，相对密度大于98％，宏观硬度为71.4HRA，抗弯强度为1264MPa。
实施例3
本实施例的一种硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金的制备方法，包括以下步骤及工艺条件：
(1)原料成分配比：以W粉、Ti3Al粉、B粉为原料，并按照以下质量百分比配料W90％，Ti3Al 9.9％，B 0.1％；W粉的纯度>99.9％，Ti3Al粉的纯度>99％，B粉的纯度>99％；W粉的平均粒径≤5μm，Ti3Al粉的平均粒径≤20μm，B粉的平均粒径≤4μm；
(2)将上述称量好的Ti3Al粉装入球磨罐中，在高能球磨机上进行二步球磨，球磨介质为氯化钠，质量百分数≤5％，球料比为20:1；
所述球磨工艺为首先在200r/min转速进行3h的低速球磨，后在400r/min进行1h的高速球磨，得到片状Ti3Al粉；
(3)将上述球磨后的片状Ti3Al粉、W粉、B粉，加磨球且球料比为4:1，在380r/min转速进行24h球磨混料，得到均匀细小的复合粉末；
(4)将上述复合粉末装入石墨模具中后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，抽真空后进行放电等离子一步烧结，烧结工艺条件为炉内空气压力40Pa，烧结压力50MPa，升温速率100℃/min，烧结温度1150℃，保温时间5min；
通过以上制备方法，获得组织均匀的W-9.9Ti3Al-0.1B合金，其晶粒小于4μm，相对密度大于98％，宏观硬度为72.2HRA，抗弯强度为1321MPa。
实施例4
本实施例的一种硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金的制备方法，包括以下步骤及工艺条件：
(1)原料成分配比：以W粉、Fe3Al粉、B粉为原料，并按照以下质量百分比配料W90％，Fe3Al 9.7％，B 0.3％；W粉的纯度>99.9％，Fe3Al粉的纯度>99％，B粉的纯度>99％；W粉的平均粒径≤5μm，Fe3Al粉的平均粒径≤30μm，B粉的平均粒径≤4μm；
(2)将上述称量好的Fe3Al粉装入球磨罐中，在高能球磨机上进行二步球磨，球磨介质为硬脂酸，质量百分数≤7％，球料比为20:1；
所述球磨工艺为首先在180r/min转速进行6h的低速球磨，后在380r/min进行3h的高速球磨，得到片状Fe3Al粉；
(3)将上述球磨后的片状Fe3Al粉、W粉、B粉，加磨球且球料比为3:1，在350r/min转速进行24h球磨混料，得到均匀细小的复合粉末；
(4)将上述复合粉末装入石墨模具中后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，抽真空后进行放电等离子一步烧结，工艺条件为炉内空气压力60Pa，烧结压力50MPa，升温速率200℃/min，烧结温度1200℃，保温时间5min；
通过以上制备方法，获得组织均匀的W-9.7Fe3Al-0.3B合金，其晶粒小于3μm，相对密度大于99％，宏观硬度为72.1HRA，抗弯强度为1350MPa。
实施例5
本实施例的一种硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金的制备方法，包括以下步骤及工艺条件：
(1)原料成分配比：以W粉、Zr3Al粉、B粉为原料，并按照以下质量百分比配料W90％，Zr3Al 9.5％，B 0.5％；W粉的纯度>99.9％，Zr3Al粉的纯度>99％，B粉的纯度>99％；W粉的平均粒径≤5μm，Zr3Al粉的平均粒径≤30μm，B粉的平均粒径≤4μm；
(2)将上述称量好的Zr3Al粉装入球磨罐中，在高能球磨机上进行二步球磨，球磨介质为乙酸乙酯，质量百分数≤3％，球料比为20:1；
所述球磨工艺为首先在150r/min转速进行5h的低速球磨，后在350r/min进行2h的高速球磨，得到片状Zr3Al粉；
(3)将上述球磨后的片状Zr3Al粉、W粉、B粉，加磨球且球料比为3:1，在360r/min转速进行24h球磨混料，得到均匀细小的复合粉末；
(4)将上述复合粉末装入石墨模具中后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，抽真空后进行放电等离子一步烧结，工艺条件为炉内空气压力55Pa，烧结压力50MPa，升温速率100℃/min，烧结温度1200℃，保温时间10min；
通过以上制备方法，获得组织均匀的W-9.5Zr3Al-0.5B合金，其晶粒小于4μm，相对密度大于98％，宏观硬度为70.1HRA，抗弯强度为1200MPa。
对比例1
本对比例提供了一种不含硼元素含铝金属间化合物粘结钨合金的制备方法，包括以下步骤及工艺条件：
(1)原料成分配比：以W粉、Ni3Al粉为原料，并按照以下质量百分比配料W 90％，Ni3Al 10％；W粉的纯度>99.9％，Ni3Al粉的纯度>99％；W粉的平均粒径≤5μm，Ni3Al粉的平均粒径≤40μm；
(2)将上述称量好的Ni3Al粉装入球磨罐中，在高能球磨机上进行二步球磨，球磨介质为无水乙醇，质量百分数≤15％，球料比为20:1；
所述球磨工艺为首先在200r/min转速进行4h的低速球磨，后在400r/min进行2h的高速球磨，得到片状Ni3Al粉末；
(3)将上述球磨后的片状Ni3Al粉、W粉，加磨球且球料比为5:1，在380r/min转速进行24h球磨混料，得到均匀细小的复合粉末；
(4)将上述复合粉末装入石墨模具中后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，抽真空后进行放电等离子一步烧结，烧结工艺条件为炉内空气压力25Pa，烧结压力50MPa，升温速率100℃/min，烧结温度1150℃，保温时间5min；
通过上述在低于Ni3Al熔点(1395℃)以下固相烧结，获得W-10Ni3Al合金，尽管合金的平均钨晶粒小于3μm，宏观硬度为71.3HRA，但是合金的相对密度较低(90％)，而且其抗弯强度也较低(700MPa)。
对比例2
本对比例提供了一种在较高真空度下硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料成分配比：以W粉、Ni3Al粉、B粉为原料，并按照以下质量百分比配料W90％，Ni3Al 9.9％，B 0.1％；W粉的纯度>99.9％，Ni3Al粉的纯度>99％，B粉的纯度>99％；W粉的平均粒径≤5μm，Ni3Al粉的平均粒径≤40μm，B粉的平均粒径≤4μm；
(2)将上述称量好的Ni3Al粉装入球磨罐中，在高能球磨机上进行二步球磨，球磨介质为无水乙醇，质量百分数≤15％，球料比为20:1；
所述球磨工艺为首先在200r/min转速进行4h的低速球磨，后在400r/min进行2h的高速球磨，得到片状Ni3Al粉；
(3)将上述球磨后的片状Ni3Al粉、W粉、B粉，加磨球且球料比为5:1，在380r/min转速进行24h球磨混料，得到均匀细小的复合粉末；
(4)将上述复合粉末装入石墨模具中后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，抽真空后进行放电等离子一步烧结，烧结工艺条件为炉内空气压力5Pa，烧结压力50MPa，升温速率100℃/min，烧结温度1150℃，保温时间5min；
通过以上较高真空度下烧结得到W-9.9Ni3Al-0.1B合金，尽管其平均钨晶粒小于4μm，宏观硬度为70.1HRA，但合金抗弯断口表面存在大量气孔，相对密度低(88％)，且抗弯强度大幅降低(823MPa)。
对比例3
本对比例提供了一种高硼含量含铝金属间化合物粘结钨合金的制备方法，包括以下步骤及工艺条件：
(1)原料成分配比：以W、Ni3Al、B粉为原料，并按照以下质量百分比配料W90％，Ni3Al7％，B3％；W粉的纯度>99.9％，Ni3Al粉的纯度>99％，B粉的纯度>99％；W粉的平均粒径≤5μm，Ni3Al粉的平均粒径≤40μm，B粉的平均粒径≤4μm；
(2)将上述称量好的Ni3Al粉装入球磨罐中，在高能球磨机上进行二步球磨，球磨介质为无水乙醇，质量百分数≤15％，球料比为20:1；
所述球磨工艺为首先在200r/min转速进行4h的低速球磨，后在400r/min进行2h的高速球磨，得到片状Ni3Al粉；
(3)将上述球磨后的片状Ni3Al粉、W粉、B粉，加磨球且球料比为5:1，在380r/min转速进行24h球磨混料，得到均匀细小的复合粉末；
(4)将上述复合粉末装入石墨模具中后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，抽真空后进行放电等离子一步烧结，烧结工艺条件为炉内空气压力25Pa，烧结压力50MPa，升温速率100℃/min，烧结温度1150℃，保温时间5min。
通过以上制备方法，获得了W-7Ni3Al-3B合金，其平均钨晶粒小于3μm，相对密度为80％，宏观硬度为78.1HRA，抗弯强度为520MPa。
对比例4
本对比例提供了一种直接加入低熔点NiB含铝金属间化合物粘结钨合金制备方法，包括以下步骤及工艺条件：
(1)原料成分配比：以W粉、Ni3Al粉、NiB粉为原料，并按照以下质量百分比配料W90％，Ni3Al 9.8％，NiB 0.2％；W粉的纯度>99.9％，Ni3Al粉的纯度>99％，NiB粉的纯度>99％；W粉的平均粒径≤5μm，Ni3Al粉的平均粒径≤40μm，NiB粉的平均粒径≤2μm；
(2)将上述称量好的的Ni3Al粉装入球磨罐中，在高能球磨机上进行二步球磨，球磨介质为亚乙基双硬脂酰胺，质量百分数≤6％，球料比为20:1；
所述球磨工艺为首先在100r/min转速进行6h的低速球磨，后在300r/min进行2h的高速球磨，得到含有片状金属间化合物粉末；
(3)将上述球磨后的片状Ni3Al粉、W粉、NiB粉，不加磨球，在350r/min转速进行24h球磨混料，得到均匀混合的复合粉末；
(4)将上述复合粉末装入石墨模具中后，置于放电等离子烧结系统加热腔内，抽真空后进行放电等离子一步烧结，烧结工艺条件为炉内空气压力25Pa，烧结压力50MPa，升温速率100℃/min，烧结温度1350℃，保温时间5min。
通过以上制备方法，获得了W-9.8Ni3Al-0.2NiB合金，其平均钨晶粒大于6μm，相对密度大于99％，宏观硬度为77.4HRA，抗弯强度为942MPa。
通过实施例与对比例可以看出，在低于含铝金属间化合物粘结相熔点固相烧结的不加硼元素的钨合金由于其含有较多孔隙和致密度低而造成合金综合力学性能下降；同时，过量的硼元素添加钨合金由于生成大量脆硬相而使得其综合力学性能低于添加微量硼元素的钨合金；而较高真空气氛下烧结过程中形成的氧化硼等低熔点液相非常少，其仍然属于固相烧结，因而合金的相对密度与抗弯强度均不高；相较于含铝金属间化合物的液相烧结，直接添加低熔点NiB虽然引起烧结温度少许下降，但是钨合金中粘结相分布不均匀且更多的脆性相出现，最终导致合金的综合力学性能提升并不显著。
因此，相较于未添加硼元素或者直接添加含硼化合物的钨合金，本申请中硼元素增强的含铝金属间化合物粘结钨合金在较低真空气氛烧结过程中原位生成氧化硼等低熔点化合物及熔化成液相，加速钨原子在片状金属间化合物中的低温置换固溶，可以对粘结相进行不同程度的固溶强化。同时，由于液相区域与非液相区域钨元素扩散速度不一致导致置换固溶过程中形成不同固溶度(富钨/贫钨)的非均匀粘结相结构，这种结构由于“软区”与“硬区”的存在而导致背应力的产生，进而可提高合金的力学性能。同时，钨等元素从金属间化合物中置换出的铝元素在合金内部原位氧化形成细小氧化铝微粒，其可以阻碍位错运动，从而有利于对合金进行强化。
因而，本申请通过在一定范围内调节放电等离子烧结炉内的空气压力，使得原料中的硼元素和从金属间化合物中置换出来的铝元素得以原位氧化，并分别生成低熔点液相和细小的氧化铝微粒，最终在远低于含铝金属间化合物粘结相熔点的烧结温度下，制得了具有局部富钨与贫钨组织的异质结构粘结相和原位氧化铝颗粒协同强化的钨合金，该合金具有烧结温度低、晶粒细小、相对密度高、强度大和硬度高等特点，综合力学性能较以往研究得到了显著提高。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
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 (10)
1.一种硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金的制备方法，包括以下步骤：
A)将含铝金属间化合物粉末进行高能球磨，得到片状含铝金属间化合物微细粉末；
B)将钨粉、所述片状含铝金属间化合物微细粉末和单质硼粉进行混料，得到复合原料粉末；
C)将所述复合原料粉末在较低真空气氛下进行放电等离子烧结，得到硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钨粉的含量为85～95wt％，所述含铝金属间化合物微细粉末的含量为4.9～14wt％，所述单质硼粉的含量为0.1～1.0wt％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含铝金属间化合物选自Ni3Al、Fe3Al、Ti3Al、Zr3Al中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中，所述高能球磨的方式为干法球磨或湿法球磨，所述干法球磨采用的研磨介质选自硬脂酸、亚乙基双硬脂酰胺和氯化钠中的一种或多种，所述湿法球磨采用的研磨介质选自无水乙醇、丙酮和乙酸乙酯中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中，所述高能球磨为两步球磨；所述两步球磨的球料比为10:1～30:1；
所述高能球磨的步骤具体为：首先在50～200r/min转速下进行1～6h的低速球磨，而后在200～500r/min转速进行0.5～10h的高速球磨。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤B)中，所述混料在加磨球或不加磨球的情况下进行；
所述加磨球的混料方式具体为：将钨粉、所述片状含铝金属间化合物微细粉末、单质硼粉和磨球放入球磨罐中，在球料比不超过5:1，转速不超过400r/min下混料0.5～24h；
所述不加磨球的混料方式具体为：将钨粉、所述片状含铝金属间化合物微细粉末和单质硼粉放入球磨罐中，在转速不超过400r/min下混料0.5～24h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结为一步烧结法。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述一步烧结法的炉内空气压力为20～60Pa，温度为1000～1200℃，烧结压力为30～100MPa，升温速率为100～400℃/min，保温时间为1～30min。
9.权利要求1～8任一项所述的制备方法所制备的硼元素增强含铝金属间化合物粘结钨合金，由钨粉、含铝金属间化合物粉末和单质硼粉制备得到。
10.根据权利要求9所述的钨合金，其特征在于，所述钨粉的含量为85～95wt％，所述含铝金属间化合物粉末的含量为4.9～14wt％，所述单质硼粉的含量为0.1～1.0wt％。
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| CN109320249A (zh) * | 2018-09-12 | 2019-02-12 | 华南理工大学 | 一种含氧化硼的碳化钨复合材料及其制备方法 |
| CN111020259A (zh) * | 2019-11-18 | 2020-04-17 | 海南大学 | 一种片状金属间化合物增强细晶钨合金及其制备方法 |
| CN112239360A (zh) * | 2020-09-23 | 2021-01-19 | 华南理工大学 | 一种氧化硼与氧化镁及其反应产物协同增韧的碳化钨复合材料及其制备 |
-
2021
- 2021-09-18 CN CN202111112737.9A patent/CN115838877A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN109320249A (zh) * | 2018-09-12 | 2019-02-12 | 华南理工大学 | 一种含氧化硼的碳化钨复合材料及其制备方法 |
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