超塑韧性钨合金材料及其制备方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911186861.2 (22)申请日 2019.11.27 (71)申请人 中国兵器工业第五九研究所 地址 400039 重庆市九龙坡区石桥铺渝州 路33号 (72)发明人 舒大禹陈强吴洋詹红 夏祥生赵祖德赵强屈俊岑 宁海青 (74)专利代理机构 重庆弘旭专利代理有限责任 公司 50209 代理人 文巍 (51)Int.Cl. C22C 27/04(2006.01) C22C 19/03(2006.01) C22C 30/00(2006.01) C22C 1/04(200。

2、6.01) C22F 1/10(2006.01) C22F 1/18(2006.01) (54)发明名称 一种超塑韧性钨合金材料及其制备方法 (57)摘要 一种超塑韧性钨合金材料的制备方法， 原料 为镍Ni质量分数为30%55%、 铝Al质量分数为 12%25%、 余量为钨W， 使其形成单相固溶体钨合 金， 包括多元合金化设计、 高能球磨、 悬浮熔炼、 反向温度场锻造。 本发明的钨合金材料塑韧性 好， 满足了一些特种功能构件对钨合金材料的高 塑性、 高致密、 高冲击韧性、 细晶均匀化要求， 比 传统工艺制备的钨合金材料伸长率提高约1倍、 冲击吸收能量提高1倍以上。 权利要求书2页 说明书5页 。

3、CN 110760730 A 2020.02.07 CN 110760730 A 1.一种超塑韧性钨合金材料的制备方法， 原料为Ni质量分数为30%55%、 Al质量分数 为12%25%、 余量为W， 使其形成单相固溶体钨合金， 包括多元合金化设计、 高能球磨、 悬浮 熔炼、 反向温度场锻造。 2.如权利要求1所述的超塑韧性钨合金材料的制备方法， 原料中添加质量分数为 （0.5 1.5） %的镧铈复合稀土 （La-40%Ce） 。 3.如权利要求1或2所述的超塑韧性钨合金材料的制备方法， 包括以下步骤： 步骤1： 根据二元、 三元合金相图， 确定单相钨合金中镍 （Ni） 、 铝 （Al） 的质。

4、量分数， 使其 形成固溶体合金， Ni质量分数为30%55%、 Al质量分数为12%25%， 以及质量分数为 （0.5 1.5） %的镧铈复合稀土 （La-40%Ce） ， 余量为W； 步骤2： 选择钨粉、 镍粉、 铝粉和镧铈复合稀土， 钨粉以等离子球化粉体最佳， 纯度 99.95%， 粉体粒度选择 （48） m、（1015） m， 并以一定比例混合使用； 镍粉为电解镍粉， 纯 度99.9%， 粉体粒度 （515） m； Al粉采用气雾化粉末， 纯度99.95%， 粉体粒度 （520） m； 镧 铈复合稀土纯度99.5%， 粉体粒度 （1030） m; 步骤3： 采用高能球磨方法， 称取步骤2。

5、中的粉体， 将四种粉体混合在一起， 通过球磨法 将粉体混合均匀,球料比为2： 15： 1， 球磨转速为 （6001200） r/min， 球磨时间 （210） h， 以液氮、 乙醇等为保护介质； 步骤4： 采用模压方法， 将步骤3中获得的混合粉体压制成一定密度的棒坯或方坯， 相对 密度在55%70%； 步骤5： 采用氢气保护气氛烧结工艺， 将步骤4中获得的坯料进行烧结， 氢气流量 （400 800） ml/min， 烧结工艺 （650850） （25） h， 获得致密度在85%92%； 步骤6： 采用电磁悬浮熔炼方法， 将步骤5中获得的烧结坯进行悬浮熔炼， 极限压力6.67 10-3Pa， 压。

6、升率 （0.210.63） Pa/h， 中频功率 （300800） kW， 频率 （20100） Hz， 熔炼时间 （820） min/kg， 熔炼温度 （21003200） ； 步骤7： 对步骤6中获得棒坯进行车坯扒皮， 再进行加热处理， 加热温度 （600950） ， 保温时间 （0.54） h， 在机械式压力机上进行反向温度场锻造均匀化变形处理； 步骤8： 对步骤7中获得变形坯料， 进行再结晶热处理， 热处理工艺为 （8001200） （14） h， 真空度510-3Pa； 步骤9： 对步骤8中获得钨合金材料进行金相组织、 力学性能等检测。 4.如权利要求1-3任一所述的超塑韧性钨合金材。

7、料的制备方法， 所述步骤1中三元合金 镍、 铝的质量分数， 含Ni质量分数为40%48%、 含Al质量分数为15%20%。 5.如权利要求1-4任一所述的超塑韧性钨合金材料的制备方法， 所述步骤6中悬浮熔炼 需进行23次， 第1次熔炼压升率 （0.40.6） Pa/h， 中频功率 （500800） kW， 频率 （50100） Hz， 熔炼时间 （1015） min/kg， 熔炼温度 （23002550） ； 第2次熔炼压升率 （0.30.4） Pa/ h， 中频功率 （300500） kW， 频率 （5080） Hz， 熔炼时间 （815） min/kg， 熔炼温度 （2500 2750） 。

8、； 第3次熔炼压升率 （0.250.3） Pa/h， 中频功率 （300500） kW， 频率 （3050） Hz， 熔 炼时间 （810） min/kg， 熔炼温度 （27002900） 。 6.如权利要求1-5任一所述的超塑韧性钨合金材料的制备方法， 所述步骤7中反向温度 场锻造次数不小于3次， 坯料加热温度 （650900） ， 保温时间 （13） h； 模具加热温度 （750 1100） ， 保温时间 （12） h； 不同部位的变形量35%70%。 权利要求书 1/2 页 2 CN 110760730 A 2 7.如权利要求1-6任一所述的超塑韧性钨合金材料的制备方法， 所述步骤8中再。

9、结晶热 处理， 保温温度 （10001150） ， 保温时间 （12） h。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110760730 A 3 一种超塑韧性钨合金材料及其制备方法 技术领域 0001 本发明涉及特种熔炼技术领域与大塑性变形技术领域， 特别涉及超塑韧性钨合金 材料的制备方法。 背景技术 0002 根据聚能射流侵彻理论， 侵彻能力与材料密度、 射流头部速度、 射流长度等密切相 关， 增大射流长度就必须加大射流的速度梯度和有效射流质量， 而射流速度梯度的极大提 高， 要求材料的声速大、 塑性好、 密度高。 采用钨、 钼、 铀等作为聚能侵彻材料， 虽然提高了射 流密度与单位体积质量， 但同。

10、时也大大增加了材料制备与后续加工难度。 0003 美国、 德国等对华军事技术的封锁， 尤其是涉及关键构件材料与核心制造技术， 能 查阅到的有价值资料很少。 根据大量文献资料分析表明， 现有钨合金材料的制造方法有： 一 是粉末冶金方法， 在制造方面， 对于具有薄壁、 大高径比等变截面外形， 密度分布呈顶部和 口部密度大、 中间部分密度小， 不同部位密度分布不均匀， 致密度在97左右； 在材料方面， 采用多种金属材料混合的粉末， 由于粉末的比重、 颗粒度、 硬度等物理性能不同， 在常规模 压过程中容易产生分层的现象， 也导致密度分布不均匀， 这些缺点使材料的综合使用性能 降低。 二是气相沉积方法，。

11、 通过物理或化学方法， 在芯模表面沉积出钨合金材料层， 存在致 密度不高(致密度约98)、 杂质含量多(约0.8)等技术问题， 材料的脆性大、 塑韧性差， 不 能发挥出该材料特有的属性。 0004 为了进一步提高钨合金材料的综合使用性能， 从材料组织均匀性、 性能一致性与 侵彻威力之间的关联性出发， 要求钨合金材料具有较好的各向同性、 晶粒细小均匀、 延展性 好。 现有技术以传统粉末冶金、 气相沉积、 轧制为主， 该工艺存在以下不足： 一是致密度不 高、 杂质含量多， 材料延展性不好； 二是钨合金元素分布不均匀， 组织对称性差； 三是钨颗粒 的界面处易形成脆性化合物， 材料塑韧性差， 尤其是在。

12、高应变速率作用下， 钨颗粒之间的弱 联结层将成为裂纹源。 发明内容 0005 本发明提供了一种超塑韧性钨合金材料， 满足了一些特种功能构件对钨合金材料 的高塑性、 高致密、 高冲击韧性、 细晶均匀化要求。 0006 为达到上述目的， 本发明采用的技术方案如下： 0007 一种超塑韧性钨合金材料的制备方法， 原料为镍Ni质量分数为3055、 铝Al 质量分数为1225、 余量为钨W， 使其形成单相固溶体钨合金， 包括多元合金化设计、 高 能球磨、 悬浮熔炼、 反向温度场锻造。 0008 为了改善钨合金纯净度， 添加质量分数为(0.51.5)的镧铈复合稀土(La-40 Ce)。 0009 一种超塑。

13、韧性钨合金材料及其制备方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 0010 步骤1： 根据二元、 三元合金相图， 确定单相钨合金中镍(Ni)、 铝(Al)的质量分数， 说明书 1/5 页 4 CN 110760730 A 4 使其形成固溶体合金， Ni质量分数为3055、 Al质量分数为1225， 以及质量分数 为(0.51.5)的镧铈复合稀土(La-40Ce)， 余量为W； 0011 步骤2： 选择钨粉、 镍粉、 铝粉和镧铈复合稀土， 钨粉以等离子球化粉体最佳， 纯度 99.95， 粉体粒度选择(48) m、 (1015) m， 并以一定比例混合使用； 镍粉为电解镍粉， 纯度99.9， 粉体粒度(。

14、515) m； Al粉采用气雾化粉末， 纯度99.95， 粉体粒度(520) m； 镧铈复合稀土纯度99.5， 粉体粒度(1030) m。 0012 步骤3： 采用高能球磨方法， 称取步骤2中的粉体， 将四种粉体混合在一起， 通过球 磨法将粉体混合均匀,球料比为2： 15： 1， 球磨转速为(6001200)r/min， 球磨时间(2 10)h， 以液氮、 乙醇等为保护介质； 0013 步骤4： 采用模压方法， 将步骤3中获得的混合粉体压制成一定密度的棒坯或方坯， 相对密度在5570； 0014 步骤5： 采用氢气保护气氛烧结工艺， 将步骤4中获得的坯料进行烧结， 氢气流量 (400800)m。

15、l/min， 烧结工艺(650850)(25)h， 获得致密度在8592； 0015 步骤6： 采用电磁悬浮熔炼方法， 将步骤5中获得的烧结坯进行悬浮熔炼， 极限压力 6.6710-3Pa， 压升率(0.210.63)Pa/h， 中频功率(300800)kW， 频率(20100)Hz， 熔炼 时间(820)min/kg， 熔炼温度(21003200)； 0016 步骤7： 对步骤6中获得棒坯进行车坯扒皮， 再进行加热处理， 加热温度(600950) ， 保温时间(0.54)h， 在机械式压力机上进行反向温度场锻造均匀化变形处理； 0017 步骤8： 对步骤7中获得变形坯料， 进行再结晶热处理，。

16、 热处理工艺为(8001200) (14)h， 真空度510-3Pa； 0018 步骤9： 对步骤8中获得钨合金材料进行金相组织、 力学性能等检测。 0019 进一步， 所述步骤1中三元合金镍、 铝的质量分数， 含Ni质量分数为4048、 含 Al质量分数为1520。 0020 进一步， 所述步骤6中悬浮熔炼需进行23次， 第1次熔炼压升率(0.40.6)Pa/h， 中频功率(500800)kW， 频率(50100)Hz， 熔炼时间(1015)min/kg， 熔炼温度(2300 2550)； 第2次熔炼压升率(0.30.4)Pa/h， 中频功率(300500)kW， 频率(5080)Hz， 熔。

17、 炼时间(815)min/kg， 熔炼温度(25002750)； 第3次熔炼压升率(0.250.3)Pa/h， 中 频功率(300500)kW， 频率(3050)Hz， 熔炼时间(810)min/kg， 熔炼温度(27002900) 。 0021 进一步， 所述步骤7中反向温度场锻造次数不小于3次， 坯料加热温度(650900) ， 保温时间(13)h； 模具加热温度(7501100)， 保温时间(12)h； 不同部位的变形量 3570。 0022 进一步， 所述步骤8中再结晶热处理， 保温温度(10001150)， 保温时间(12) h。 0023 有益效果 0024 1.本发明采用悬浮熔炼。

18、+反向温度场锻造变形方法， 改善钨成分不均的难题， 获得 均匀变形组织， 制备出高纯净度的钨合金材料。 0025 2.本发明的钨合金材料组织均匀细小， 平均晶粒尺寸12 m， 材料中的氧、 氢、 硫 等元素含量0.013wt， 密度偏差0.1， 制备出具有高塑性、 高韧性的钨合金材料。 说明书 2/5 页 5 CN 110760730 A 5 0026 3.本发明的钨合金材料， W、 Ni、 Al三者形成完全的固溶体， 元素分布均匀， 在室温 条件下抗拉强度(9601045)MPa、 屈服强度(670720)MPa、 断后伸长率(3546)、 断面 收缩率(4253)， 冲击吸收能量(5273。

19、)J。 0027 4.本发明的钨合金材料塑韧性好， 比传统工艺制备的钨合金材料伸长率提高约1 倍、 冲击吸收能量提高1倍以上(一般钨合金材料伸长率2025， 冲击吸收能不大于 20J)。 具体实施方式： 0028 以下通过实施例来进一步说明本发明， 但本发明不局限于这些实施例。 0029 实施例1 0030 (1)根据二元、 三元合金相图， 确定单相钨合金中镍(Ni)的质量分数为44、 铝 (Al)的质量分数为18， 余量为钨(W)； 为了提高钨合金纯度， 添加质量分数为1的La- 40Ce复合稀土。 0031 (2)以制备3kg合金为例， 等离子球化钨粉质量1.14kg， 粒度(48) m的。

20、占比65、 粒度(1015)m的占比35； 电解镍粉质量1.32kg， 粒度(515)m； 气雾化铝粉质量 0.54kg， 粒度(520) m； 镧铈复合稀土质量0.03kg， 粉体粒度(1030) m。 0032 (3)按步骤2中确定的配比， 将三种粉体混合在一起， 通过高能球磨方法将粉体混 合均匀,球料比为3： 1， 球磨转速为800r/min， 球磨时间6h， 以乙醇为保护介质。 0033 (4)将步骤3中获得的混合粉体通过模压方法压制成一定密度的棒坯或方坯； 采用 排水方法测试， 相对密度约63。 0034 (5)将步骤4中获得的坯料进行烧结， 氢气流量600ml/min， 烧结工艺9。

21、203h。 0035 (6)将步骤5中获得的烧结坯进行2次悬浮熔炼， 所述步骤6中悬浮熔炼需进行2次 熔炼， 第1次熔炼压升率0.5Pa/h， 中频功率500kW， 频率80Hz， 熔炼时间40min， 熔炼温度2400 ； 第2次熔炼压升率0.3Pa/h， 中频功率500kW， 频率50Hz， 熔炼时间30min， 熔炼温度2600 。 0036 (7)对步骤6中获得棒坯进行车坯扒皮， 再进行4次反向温度场锻造变形处理， 第1 次坯料加热温度850、 保温时间1h， 模具加热温度980、 保温时间1h， 变形量约35； 第2 次坯料加热温度800、 保温时间1h， 模具加热温度900、 保温。

22、时间1h， 变形量约45； 第3 次坯料加热温度750、 保温时间1h， 模具加热温度900、 保温时间2h， 变形量约50； 第4 次坯料加热温度700、 保温时间2h， 模具加热温度850、 保温时间2h， 变形量约50。 0037 (8)对步骤7中获得变形坯料， 进行再结晶热处理， 热处理工艺为11001h， 真空 度510-3Pa。 0038 (9)对步骤8中获得钨合金材料进行金相组织、 力学性能检测。 0039 采用化学分析方法， 钨合金材料中氧、 氢、 硫等元素含量0.012wt。 0040 采用排水法， 测试钨合金材料不同部位密度达到理论密度， 5个部位密度偏差 0.1。 004。

23、1 采用金相分析方法， 钨合金坯料边部、 心部平均晶粒尺寸(58) m。 0042 采用力学性能试验方法， 抗拉强度(9831021)MPa、 屈服强度(682709)MPa、 断 后伸长率(3846)、 断面收缩率(4449)， 冲击吸收能量(6473)J。 说明书 3/5 页 6 CN 110760730 A 6 0043 采用脉冲X光实验方法， 在炸药能量作用下应变速率达到107/s， 钨合金形成侵彻 体的头部最大速度达到9200m/s， 连续的侵彻体长度约735mm。 0044 实施例2 0045 (1)根据二元、 三元合金相图， 确定单相钨合金中镍(Ni)的质量分数为48、 铝 (A。

24、l)的质量分数为15， 余量为钨(W)； 为了提高钨合金纯度， 添加质量分数为0.7的La- 40Ce复合稀土。 0046 (2)以制备3kg合金为例， 等离子球化钨粉质量1.11kg， 粒度(48) m的占比50、 粒度(1015)m的占比50； 电解镍粉质量1.44kg， 粒度(515)m； 气雾化铝粉质量 0.45kg， 粉体粒度(520) m； 镧铈复合稀土质量为0.021kg， 粉体粒度(1030) m。 0047 (3)按步骤2中确定的配比， 将四种粉体混合在一起， 通过高能球磨方法将粉体混 合均匀,球料比为2： 1， 球磨转速为1200r/min， 球磨时间8h， 以液氮为保护介。

25、质。 0048 (4)将步骤3中获得的混合粉体通过模压方法压制成一定密度的棒坯或方坯； 采用 排水方法测试， 相对密度约70。 0049 (5)将步骤4中获得的坯料进行烧结， 氢气流量800ml/min， 烧结工艺8504h。 0050 (6)将步骤5中获得的烧结坯进行3次悬浮熔炼， 第1次熔炼压升率0.6Pa/h， 中频功 率800kW， 频率100Hz， 熔炼时间45min， 熔炼温度2350； 第2次熔炼压升率0.3Pa/h， 中频功 率300kW， 频率50Hz， 熔炼时间25min， 熔炼温度2700； 第3次熔炼压升率0.25Pa/h， 中频功 率500kW， 频率50Hz， 熔炼。

26、时间10min/kg， 熔炼温度2900。 0051 (7)对步骤6中获得棒坯进行车坯扒皮， 再进行3次反向温度场锻造变形处理， 第1 次坯料加热温度900、 保温时间1h， 模具加热温度1080、 保温时间1h， 变形量约45； 第2 次坯料加热温度850、 保温时间1h， 模具加热温度1000、 保温时间1h， 变形量约55； 第3 次坯料加热温度800、 保温时间2h， 模具加热温度950、 保温时间1h， 变形量约60。 0052 (8)对步骤7中获得变形坯料， 进行再结晶热处理， 热处理工艺为10502h， 真空 度510-3Pa。 0053 (9)对步骤8中获得钨合金材料进行金相组。

27、织、 力学性能检测。 0054 采用化学分析方法， 钨合金材料中氧、 氢、 硫等元素含量0.008wt。 0055 采用排水法， 测试钨合金材料不同部位密度达到理论密度， 5个部位密度偏差 0.1。 0056 采用金相分析方法， 钨合金坯料边部、 心部平均晶粒尺寸(510) m； 采用力学性 能试验方法， 抗拉强度(9621013)MPa、 屈服强度(678704)MPa、 断后伸长率(3542)、 断面收缩率(4351)， 冲击吸收能量(5869)J。 0057 采用脉冲X光实验方法， 在炸药能量作用下应变速率达到107/s， 钨合金形成侵彻 体的头部最大速度达到9200m/s， 连续的侵彻。

28、体长度约620mm。 0058 实施例3 0059 (1)根据二元、 三元合金相图， 确定单相钨合金中镍(Ni)的质量分数为40、 铝 (Al)的质量分数为20， 余量为钨(W)； 为了提高钨合金纯度， 添加质量分数为1.2的镧铈 La-40Ce复合稀土。 0060 (2)以制备3kg合金为例， 等离子球化钨粉质量1.2kg， 粒度(48) m的占比40、 粒度(1015) m的占比60； 电解镍粉质量1.2kg， 粒度(515) m； 气雾化铝粉质量0.6kg， 说明书 4/5 页 7 CN 110760730 A 7 粉体粒度(520) m； 镧铈复合稀土质量为0.036kg， 粉体粒度(。

29、1030) m。 0061 (3)按步骤2中确定的配比， 将四种粉体混合在一起， 通过高能球磨方法将粉体混 合均匀,球料比为5： 1， 球磨转速为600r/min， 球磨时间10h， 以乙醇为保护介质。 0062 (4)将步骤3中获得的混合粉体通过模压方法压制成一定密度的棒坯或方坯； 采用 排水方法测试， 相对密度约68。 0063 (5)将步骤4中获得的坯料进行烧结， 氢气流量400ml/min， 烧结工艺10502h。 0064 (6)将步骤5中获得的烧结坯进行2次悬浮熔炼， 第1次熔炼压升率0.4Pa/h， 中频功 率500kW， 频率50Hz， 熔炼时间45min， 熔炼温度2450；。

30、 第2次熔炼压升率0.3Pa/h， 中频功率 300kW， 频率50Hz， 熔炼时间25min， 熔炼温度2650。 0065 (7)对步骤6中获得棒坯进行车坯扒皮， 再进行6次反向温度场锻造， 第1次坯料加 热温度900、 保温时间1h， 模具加热温度1100、 保温时间1h， 锻造变形量约45； 第2次坯 料加热温度850、 保温时间1h， 模具加热温度1050、 保温时间1h， 锻造变形量约45； 第3 次坯料加热温度850、 保温时间2h， 模具加热温度1000、 保温时间1h， 锻造变形量约 45； 第4次坯料加热温度800、 保温时间2h， 模具加热温度950、 保温时间1h， 锻。

31、造变形 量约60； 第5次坯料加热温度750、 保温时间2h， 模具加热温度900、 保温时间1h， 锻造 变形量约65； 第6次坯料加热温度700、 保温时间3h， 模具加热温度850、 保温时间2h， 锻造变形量约70。 0066 (8)对步骤7中获得大塑性变形坯料， 进行再结晶热处理， 热处理工艺为1150 1h， 真空度510-3Pa。 0067 (9)对步骤8中获得钨合金材料进行金相组织、 力学性能检测。 0068 采用化学分析方法， 钨合金材料中氧、 氢、 硫等元素含量0.013wt。 0069 采用排水法， 测试钨合金材料不同部位密度达到理论密度， 5个部位密度偏差 0.1。 0070 采用金相分析方法， 钨合金坯料边部、 心部平均晶粒尺寸(512) m。 0071 采用力学性能试验方法， 抗拉强度(9841042)MPa、 屈服强度(685718)MPa、 断 后伸长率(3539)、 断面收缩率(4248)， 冲击吸收能量(5266)J。 0072 采用脉冲X光实验方法， 在炸药能量作用下应变速率达到107/s， 钨合金形成侵彻 体的头部最大速度达到9200m/s， 连续的侵彻体长度约690mm。 说明书 5/5 页 8 CN 110760730 A 8 。