本發(fā)明屬于鎢鎂合金材料領(lǐng)域，具體涉及一種晶界自凈化鎢鎂合金的制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
：鎢是一種廣泛應(yīng)用各工業(yè)領(lǐng)域的金屬材料，具有高密度，高熔點(diǎn)，高熱導(dǎo)率，低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)。在軍事工業(yè)，核工業(yè)，航空航天方面有獨(dú)特的應(yīng)用。在這些應(yīng)用條件下，鎢需要經(jīng)常承受耦合外場作用，如高溫、輻照和熱沖擊等，在這些工況下鎢材料很容易失效，主要表現(xiàn)為受外力情況下的脆性斷裂與熱效應(yīng)下的再結(jié)晶脆化。對于晶體結(jié)構(gòu)為體心立方的鎢而言，其晶界強(qiáng)度差，是容易發(fā)生斷裂的地方，外加載荷作用下，多發(fā)生沿晶斷裂。因此對于鎢材料而言，凈化晶界與強(qiáng)化晶界是增韌鎢材料的有效手段。第二相彌散強(qiáng)化是鎢最有效的強(qiáng)韌化技術(shù)。彌散強(qiáng)化顆粒主要有兩大類：金屬碳化物(如碳化鈦，碳化鋯，碳化鉿等)和稀土氧化物(氧化釔，氧化鑭，氧化釷等)。例如文獻(xiàn)《添加微量tic對鎢的性能與顯微組織的影響》(中國有色金屬學(xué)報(bào),2015(1):80-85)，以機(jī)械合金化方法向鎢中加入1％的碳化鈦粉體，其燒結(jié)態(tài)強(qiáng)度由260mpa提高到401mpa，并且斷裂模式從純鎢的沿晶斷裂變?yōu)椤把鼐嗔?穿晶斷裂”。類似地，文獻(xiàn)《la_2o_3對超細(xì)鎢復(fù)合粉末燒結(jié)性能與鎢合金顯微組織的影響》(粉末冶金材料科學(xué)與工程,2014(3):439-445)中通過向鎢中加入0.7％的氧化鑭，燒結(jié)態(tài)的抗彎強(qiáng)度由213mpa提高到548mpa。以上研究表明，超細(xì)陶瓷顆粒粉體的加入使鎢基體的晶粒得到細(xì)化，從而強(qiáng)韌性提高。但碳化物和氧化物用作彌散相可能會(huì)形成造成鎢中碳氧元素含量升高。正如文獻(xiàn)《雜質(zhì)對鎢晶界脆性的影響》(稀有金屬材料與工程,(1986)41-45)中指出，這些偏聚于晶界的元素影響鎢基體的性能，這些元素偏聚于晶界會(huì)造成顯著降低晶界強(qiáng)度；同時(shí)，稀土氧化物熔點(diǎn)較低，高溫下會(huì)發(fā)生融化和蒸發(fā)現(xiàn)象，留下坑洞，造成一系列微觀裂紋，不利于高溫強(qiáng)度的保持。制備彌散強(qiáng)化鎢粉的方法多采用機(jī)械合金化，如文獻(xiàn)《一種納米氧化釔彌散強(qiáng)化鎢合金的制備方法》(中國.cn201310123415.3[p].2015-04-08)的報(bào)道，即將彌散顆粒與鎢粉混合放入球磨機(jī)，進(jìn)行長時(shí)間高能量的球磨，將第二相粒子通過機(jī)械碰撞和研磨等物理作用與鎢粉達(dá)到復(fù)合的效果。同樣也有采用沉淀包覆法，如文獻(xiàn)《一種亞微米近球形鎢粉的制備方法》(中國.cn201010581902.0[p].2012-06-06)的報(bào)道，將可溶性鎢鹽與彌散顆粒配置成混合均勻的彌散溶液，通過調(diào)節(jié)溶液ph值，生成鎢酸沉淀，這些沉淀將溶液中懸浮的第二相顆粒進(jìn)行包覆反應(yīng)，得到核殼結(jié)構(gòu)，通過煅燒還原，得到彌散強(qiáng)化的鎢粉。對于機(jī)械合金化而言，其需要消耗大量的能量，混合過程中由于罐體與磨球的劇烈運(yùn)動(dòng)，容易引入雜質(zhì)，并且該方法制備彌散鎢粉周期長，經(jīng)濟(jì)性差。沉淀包覆法能夠得到彌散均勻質(zhì)量好的摻雜鎢粉，但由于該方法需要較多量的酸堿來調(diào)配控制溶液ph值進(jìn)行沉淀包覆反應(yīng)，是一種對環(huán)境不友好的方法。綜上所述，我們可以看出，傳統(tǒng)的彌散強(qiáng)化都是從初始狀態(tài)向鎢基體中引入第二相，這個(gè)引入過程容易引入雜質(zhì)元素，添加的第二相通常是性質(zhì)穩(wěn)定的陶瓷顆粒或氧化物，并不能與粉末制備過程中含有的氧元素發(fā)生反應(yīng)。并且添加手段與工藝流程復(fù)雜，使得鎢材的生產(chǎn)流程變長，成本升高。鎂是一種活潑金屬元素，易與氧等元素反應(yīng)。在成熟的鋼鐵工業(yè)中，鎂作為一個(gè)有益的添加元素早已經(jīng)證明了其凈化基體，降低鋼材氧含量的效果。鎂的熔點(diǎn)比較低，為648℃，氧化鎂的熔點(diǎn)則為2852度。氧化鎂是一種性能良好的高溫耐火材料，除此之外，在高溫下，氧化鎂與鎢可以發(fā)生反應(yīng)，生成鎢酸鎂，鎢酸鎂的生成能增加第二相顆粒與基體之間的結(jié)合力，固化氧元素，強(qiáng)化基體。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明是針對上述不足，提出采用金屬鎂粉與鎢粉混合，通過向鎢粉中添加適當(dāng)粒徑和質(zhì)量百分比鎂粉，利用分段燒結(jié)工藝，促使鎂在鎢基體中流動(dòng)，并與基體中固有的氧元素結(jié)合形成穩(wěn)定彌散的增強(qiáng)相，消除氧元素對鎢晶界的弱化作用，形成穩(wěn)定強(qiáng)韌的鎢鎂合金。制備方法簡便有效，制備出的鎢鎂合金塊體具有顯著的力學(xué)性能提高，可廣泛用于高溫工業(yè)領(lǐng)域。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案是：選取適合粒度的鎂粉與鎢粉——保護(hù)氣氛下進(jìn)行機(jī)械混合——混合粉體進(jìn)行分段燒結(jié)工藝——得到鎢鎂合金塊體。具體制備工藝步驟如下：配制鎂粉與鎢粉，在保護(hù)氣氛下進(jìn)行機(jī)械混合，再將混合粉體進(jìn)行裝入模具，在真空條件下，進(jìn)行分段加壓燒結(jié)，首先第一階段升溫至400℃-800℃燒結(jié)1-30min，隨后進(jìn)行第二段升溫，在1200℃-1600℃燒結(jié)1-60min，再進(jìn)行第三段升溫，在1600℃-1900℃燒結(jié)1-30min，制得鎢鎂合金。所述配制鎂粉與鎢粉，是在鎢粉中添加質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.1％-2％的鎂粉，鎂粉粒度小于1微米。所述鎢粉選擇商業(yè)純鎢粉。所述配制過程是在氬氣氛保護(hù)下進(jìn)行。所述在保護(hù)氣氛下進(jìn)行機(jī)械混合，是將配制的粉體加入混料罐體，在氬氣氛保護(hù)下進(jìn)行機(jī)械混合，混合時(shí)間根據(jù)添加量的不同，在0.5h到2h之間。所述分段加壓燒結(jié)的燒結(jié)壓力選擇1-100mpa，并保持各段燒結(jié)壓力不變。本發(fā)明的有益效果是，第一段低溫?zé)Y(jié)，利用鎂的流動(dòng)性和混合粉體初始狀態(tài)較多的孔隙，可以實(shí)現(xiàn)鎂在鎢基體中的微觀流動(dòng)，吸收接觸到的氧元素，發(fā)生反應(yīng)生成一部分穩(wěn)定的氧化鎂，凈化了局部的有害氧元素；第二段中溫?zé)Y(jié)，對基體進(jìn)行致密化，固定了彌散顆粒，同時(shí)晶粒之間接觸長大，將存在于晶界上的一部分氧化物顆粒包裹入晶粒內(nèi)部，形成彌散質(zhì)點(diǎn)；第三段高溫?zé)Y(jié)，在高溫、真空和燒結(jié)壓力的的綜合作用下，使得存在于基體中的部分氧化鎂與鎢基體發(fā)生反應(yīng)，生成一定量的鎢酸鎂，增加彌散顆粒與基體之間的結(jié)合力。對制備的鎢鎂合合金進(jìn)行分析，顯示，在晶界上存在無定形態(tài)的彌散物，晶粒內(nèi)部存在細(xì)小的彌散顆粒。對其進(jìn)行力學(xué)性能測試，顯示了抗彎強(qiáng)度和硬度顯著提高。同時(shí)這種生產(chǎn)工藝不需要進(jìn)行長時(shí)間高能耗的混合工藝，粉體批次間的性能差異小，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)。附圖說明圖1是0.1％鎢鎂合金的燒結(jié)態(tài)組織照片。圖2是0.5％鎢鎂合金的燒結(jié)態(tài)組織照片。圖3是1％鎢鎂合金的燒結(jié)態(tài)組織照片。圖4a是鎢鎂合金中晶內(nèi)彌散物能譜分析。圖4b是鎢鎂合金中晶界彌散物能譜分析。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。實(shí)施例1：以上述方法制備了含量為0.1％鎂的鎢鎂合金，并對其粉體形貌，燒結(jié)態(tài)形貌進(jìn)行觀察并進(jìn)行力學(xué)性能測試與斷口形貌觀察，如圖1所示。1、取0.02g直徑為50nm的鎂粉與19.98g直徑為3μm的純鎢粉在手套箱中混合。放入混料機(jī)，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行0.5h機(jī)械混合。2、將混合好的粉體放入直徑20mm，高度40mm的石墨模具進(jìn)行分段燒結(jié)。燒結(jié)壓力為50mpa。第一段：700℃保溫3min，第二段：升溫至1400℃，保溫5min，第三段：升溫至1600℃，保溫1min，制得鎢鎂合金。實(shí)施例2：以上述方法制備了含量為0.5％鎂的鎢鎂合金，并對其粉體形貌，燒結(jié)態(tài)形貌進(jìn)行觀察并進(jìn)行力學(xué)性能測試與斷口形貌觀察，如圖2所示。1、取0.1g直徑為50nm的鎂粉與19.9g直徑為3μm的純鎢粉在手套箱中混合。放入混料機(jī)，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行0.6h機(jī)械混合。2、將混合好的粉體放入直徑20mm，高度40mm的石墨模具進(jìn)行分段燒結(jié)。燒結(jié)壓力為55mpa。第一段：750℃保溫3min，第二段：升溫至1450℃，保溫5min，第三段：升溫至1650℃，保溫1min，制得鎢鎂合金。實(shí)施例3：以上述方法制備了含量為1％鎂的鎢鎂合金，并對其粉體形貌，燒結(jié)態(tài)形貌進(jìn)行觀察并進(jìn)行力學(xué)性能測試與斷口形貌觀察，如圖3所示。1、取0.2g直徑為50nm的鎂粉與19.8g直徑為3μm的純鎢粉在手套箱中混合。放入混料機(jī)，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行0.7h機(jī)械混合。2、將混合好的粉體放入直徑20mm，高度40mm的石墨模具進(jìn)行分段燒結(jié)。燒結(jié)壓力為60mpa。第一段：800℃保溫3min，第二段：升溫至1500℃，保溫5min，第三段：升溫至1700℃，保溫1min，制得鎢鎂合金。對制備好的樣品切割成2mm*3mm*18mm的小條分別進(jìn)行顯微硬度測量和三點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如下。表10.1％mg、0.5％mg、1％mg鎢塊體與純鎢力學(xué)性能對比表材料種類顯微硬度(hv)三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度(mpa)純鎢412356.70.1％mg鎢5097240.5％mg鎢562807.41％mg鎢5841105.2從測試結(jié)果來看，加入鎂制備得到的鎢鎂合金的抗彎強(qiáng)度和硬度有明顯的增加，并且隨著添加量的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢，這與鎂對鎢的晶界凈化作用以及生成第二相彌散的強(qiáng)化作用密不可分。觀察鎢鎂合金的微觀組織，如圖1中，能夠看到，在鎢晶界和晶粒內(nèi)部，分布著兩種形態(tài)的第二相，第一種是沿著晶界拉長扭曲的條狀物，還有一種是包裹在晶粒內(nèi)部的點(diǎn)狀物，隨著鎂含量的增加，如圖2和圖3，鎢基體中的第二相數(shù)量顯著增加，但仍舊保持均勻的分布在晶內(nèi)和晶界上。對晶內(nèi)和晶界上的彌散相進(jìn)行能譜分析，如圖4所示，晶內(nèi)和晶界上的彌散物分別含有一定量的氧化鎂和鎢酸鎂，證實(shí)了鎢鎂合金在制備過程中生成了含有有氧化鎂與鎢酸鎂的第二相。證明鎂元素對鎢基體中氧元素的固化作用，并且鎢酸鎂的形成強(qiáng)化了彌散顆粒與基體之間的結(jié)合力達(dá)到凈化鎢晶界并形成彌散強(qiáng)化有效提高材料抗彎強(qiáng)度和硬度的效果。當(dāng)前第1頁12