本发明属于难熔金属特种加工技术领域，涉及一种大尺寸高密度钨管及其制备方法，本发明钨管产品主要应用于蓝宝石长晶、石英制品生产等行业。
背景技术：
高密度钨管是石英制品连熔炉、蓝宝石长晶炉的核心部件，随着石英玻璃产量的快速增长，生产石英玻璃的连熔炉容量需要进一步扩大，以提高单炉产能；随着LED向民用照明推广，要求更大尺寸蓝宝石晶体制作芯片衬底材料，增大长晶炉尺寸是获得更大尺寸晶体的有效方法。增大连熔炉容量和长晶炉尺寸都需要生产大直径高密度钨管与之配套，要求钨管的外径大于Ф500mm。目前的生产工艺很少有能生产外径超过Ф500mm、密度大于18.0g/cm3的钨管，不能满足工业发展需求，因此大尺寸高密度钨管的生产成为待解决的难题。
目前，钨管的生产工艺有等离子喷涂法、旋压法、粉末冶金法和化学沉积法。吴子健、张虎寅等人用等离子喷涂成形制造技术制作了外径大于Ф500mm钨管，但在生产中发现，等离子喷涂法生产钨管容易产生纵向裂纹，相对密度只达83%，影响了制品的力学性能。用等离子喷涂成形制造技术制作的钨管不适合用于石英玻璃行业。
殷国平、邢宗悦等人用粉末冶金法制坯，以旋压法加工无缝钨管作试样，测定了加工过程中钨管的硬度、密度、组织变化和再结晶温度，并制备了用于钨铼热电偶标定炉的高精度无缝薄壁钨管。马捷、魏建忠等人以WF6、H2为原料，采用化学气相沉积法沉积制备出较小直径难熔金属钨管；公开号为CN102242347A，公开日为2011年11月16日的专利《一种用于发热体的钨管的制备方法》是以紫铜为基体，在基体上面化学气相沉积W元素，然后溶解基体，最终得到钨管。现阶段用旋压法和化学气相沉积法制备的钨管尺寸较小（直径小于Ф50mm），不适合用于石英玻璃行业和蓝宝石长晶行业。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种大尺寸高密度钨管及其制备方法，该工艺适于大规模化生产，其钨管成品具有相对密度高、尺寸大（最大外径Ф760mm、长度1800mm)、尺寸适应性和一致性好、成品率高等优点，而且在保护气氛下能承受2000-2300℃的高温，具有高温下不与石英原料、蓝宝石原料反应的优点。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种大尺寸高密度钨管的制备方法，包括如下步骤：
原料掺混步骤，将原料钨粉在混料机中进行均匀混合；
冷等静压成型步骤，根据压坯装料要求尺寸设计并制作成形模具，然后将均匀混合后的原料装入所述成型模具内并进行冷等静压成型处理以得到钨管压坯；
高温烧结步骤，将所述钨管压坯进行高温烧结以得到烧结坯料，其中，烧结时所述钨管压坯下方放置有球形耐火材料。
在上述制备方法中，高温烧结时将钨管压坯放置于一层球形耐火材料上可以减小钨管压坯下端的收缩阻力，促进钨管压坯上下同步收缩，具体原理如下：在烧结过程中，钨管压坯下端因为与装料台之间存在摩擦作用，钨管下端收缩较钨管上端收缩小；钨管下方垫上球形耐火材料后，钨管下端所受摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦，摩擦系数相对变小，所受摩擦力阻力减小，从而减小钨管压坯下端收缩阻力，保证钨管密度均匀性。作为一种优选实施方式，所述球形耐火材料的材质可以为氧化锆。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述高温烧结步骤中，所述球形耐火材料为一层平均粒度为Φ1-3mm的球形耐火材料。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述高温烧结步骤中，所述高温烧结的最高温度为2300-2380℃，最高温度保温时间为4-8小时，升温速率为30-70℃/h。示例性地，所述升温速率为35℃/h、40℃/h、55℃/h、60℃/h、65℃/h或68℃/h；所述最高温度为2310℃、2325℃、2335℃、2345℃、2360℃或2375℃，最高温度保温时间为4.5小时、5小时、6小时、7小时或8小时。更优选地，所述高温烧结是在氢气或真空气氛下进行的。该方法中高温烧结采用较低的升温速率可进一步促进钨管上下收缩一致，保证钨管烧结密度提高。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述原料掺混步骤中，所述原料钨粉由平均费氏粒度为1.8～2.2微米的钨粉和平均费氏粒度为3.8～4.2微米的钨粉组成，其中平均费氏粒度为1.8～2.2微米的钨粉用量占所述原料钨粉总质量的40%-45%。更优选地，所述原料钨粉为符合国标的Fw-1型钨粉。使用上述两种规格的钨粉进行原料配比并混合可以提高原料均匀性和压坯强度。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述原料掺混步骤中，所述混合的时间为5-6小时，更优选地，所述混合是在V型混料机中混合。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述冷等静压成型步骤中，成形压强为280-300Mpa，保压时间为0.5-2小时，然后泄压。更优选地，所述泄压总时间控制在45-60分钟内。采用以上冷等静压成型工艺，得到的压坯接近要求尺寸，无崩边、缺肉、裂纹等缺陷。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述冷等静压成型步骤中，所述成形模具包括：圆柱钢模芯、套装于所述圆柱钢模芯外部且两端开口的厚壁胶套以及盖设于所述厚壁胶套两端的胶塞，所述均匀混合后的原料装于所述圆柱钢模芯和所述厚壁胶套之间的空隙内。采用该成型模具制备的压坯接近要求尺寸，压坯整形量小。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述制备方法还包括：
烧结坯料检测步骤，检测烧结坯料外观质量并测定整体密度；
配套加工步骤，按照图纸要求对检测合格的烧结坯料进行配套加工，在所述配套加工时，采用多点卡盘的装卡方式，这样可以减轻单点受力，降低钨管裂纹风险。优选地，所述多点卡盘是指16点或24点卡盘；
裂纹探伤步骤，采用渗透探伤的方法检测配套加工后的钨管裂纹缺陷。
一种采用上述方法制备的大尺寸高密度钨管，优选地，所述钨管的整体密度为18.0-18.6g/cm3（排水法测定），尺寸范围为：外径Ф500-760mm、高度1200-1800mm。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1）采用上述工艺生产大尺寸高密度钨管，实现了生产的连续化、批量化，适于规模化生产。
2）当纯钨制品的直径超过Φ500mm时，压坯易出现崩边、裂纹等缺陷，这个难题是大尺寸纯钨生产的瓶颈。本发明采用原料掺混工艺提高压坯强度，采用高压成形工艺（冷等静压成型技术）保证了压坯质量，压坯无崩边、裂纹、缺肉等缺陷。
3）大尺寸纯钨很难达到烧结致密、上下收缩不一致的要求，这个问题也是钨管生产的一大难题。本发明通过降低升温速率以及压坯底部加耐高温材料即球形耐火材料的工艺，促进了钨管上下收缩一致，提高钨管烧结密度。
4）本发明在配套加工时采用多点卡盘装卡的工艺，降低裂纹出现的风险。
5）本发明的工艺可生产尺寸大（最大外径Ф760mm、最大高度1800mm)相对密度高的钨管产品，该工艺成品率高，而且生产的钨管在保护气氛下能承受2000-2300℃的高温，具有高温下不与石英原料、蓝宝石原料反应的优点。
6）钨管的烧坯经过机械加工，可以得到需求的成品尺寸，尺寸精确性和一致性好。
附图说明
图1为本发明生产的钨管截面示意图。
具体实施方式
本发明运用上述工艺成功生产了大直径高密钨管，其整体密度大于18.0g/cm3、外径Ф500-Ф760mm、高度800-1800mm，其中有Ф500*1800型钨管、Ф760mm*1200型钨管等。这些钨管都可以被用于石英玻璃连熔炉和蓝宝石长晶炉，从而推动这两个行业的设备升级。为了使本发明的特征和优点更加清楚，本发明采用了以下实施例进行详细说明。
实施例1
本实施例制备的钨管截面示意图参见图1，其中OD1=500mm，OD2=460mm，OD3=440mm，ID=400mm，H=1800mm，h1=90mm，h2=100mm，简称为Ф500*1800mm型钨管。
具体制备方法如下：
1）选用符合国标的Fw-1型平均费氏粒度为1.8微米的钨粉和平均费氏粒度为4微米的钨粉作为钨管原料，其中，1.8微米的钨粉与4微米的钨粉的质量比为4：6，纯度均为99.9%，将上述钨管原料置于V型混料机中在高纯氩气保护下混合5小时。
2）根据压坯装料要求尺寸组装成型模具，把混合后的原料装于圆柱钢模芯和厚壁胶套之间的空隙内，装料完毕后用胶塞塞紧厚壁胶套两端后再密封，然后把装好料的成型磨具吊入冷等静压机缸体中进行压制，按冷等静压机设备操作规程进行打压、保压和泄压操作以得到钨管压坯，其中，成形压强为280Mpa，保压1小时，泄压时间为45分钟。
3）在氢气气氛下，将经过钨管压坯置于高温感应烧结炉中烧结，升温速率为70℃/h，最高温度为2300℃，高温保温时间为4小时，烧结时钨管压坯下方放置平均粒度为Φ2mm的氧化锆耐高温材料。
4）对烧坯外观质量进行检测，经检测30套烧结坯料均无缺陷，然后采用排水法测定30套钨管烧坯的整体密度为18.05-18.20g/cm3；选取密度为18.2g/cm3的一件钨管，对钨管不同位置进行取样（高度方向每隔100mm为一个取样高度，同高度间隔45°取20*20*5mm试样，共取得144件试样），测每件试样的密度，发现试样密度范围为18.15-18.25g/cm3，上层密度与下层密度差别小。
5）按照图纸要求采用16点卡盘的装卡方式进行配套加工，车加工后再进行表面抛磨。本实施例的16点卡盘与三爪或四爪卡盘相比，每个装卡点的作用力减小，从而减小钨管裂纹的发生可能风险。
采用渗透探伤的方法对本实施例生产的30套Ф500*1800mm型钨管的裂纹缺陷进行检验，经检验30套钨管均无裂纹缺陷，成品率为100%。
实施例2
本实施例制备的钨管截面示意图参见图1，其中OD1=760mm，OD2=740mm，OD3=700mm，ID=640mm，H=1200mm，h1=90mm，h2=100mm，简称为Ф760*1200mm型钨管。
具体制备方法如下：
1）选用符合国标的Fw-1型平均费氏粒度为2微米的钨粉和平均费氏粒度为4微米的钨粉作为钨管原料，其中，2微米的钨粉与4微米的钨粉的质量比为45：55，纯度均为99.9%，将上述钨管原料置于V型混料机中在高纯氩气保护下混合6小时。
2）根据压坯装料要求尺寸组装成型模具，把混合后的原料装于圆柱钢模芯和厚壁胶套之间的空隙内，装料完毕后用胶塞塞紧厚壁胶套两端后再密封，然后把装好料的成型磨具吊入冷等静压机缸体中进行压制，按冷等静压机设备操作规程进行打压、保压和泄压操作以得到钨管压坯，其中，成形压强为290Mpa，保压1小时，泄压时间为50分钟。
3）在氢气气氛下，将钨管压坯置于高温感应烧结炉中烧结，升温速率为30℃/h，最高温度为2380℃，高温保温时间为8小时，烧结时钨管压坯下方放置平均粒度为Φ1mm的氧化锆耐高温材料。
4）对烧坯外观质量进行检测，经检测6套烧结坯料均无缺陷，然后采用排水法测定6套钨管烧坯的整体密度为18.02-18.15g/cm3。选取密度为18.10g/cm3的一件钨管，对钨管不同位置进行取样（高度方向每隔100mm为一个取样高度，同高度每隔45°取20*20*5mm试样），测每件试样的密度，发现试样密度范围为18.08-18.13g/cm3，上层密度与下层密度差别小。
5）按照图纸要求采用24点卡盘的装卡方式进行配套加工，车加工后再进行表面抛磨。
采用渗透探伤的方法对本实施例生产的6套Ф760*1200mm型钨管的裂纹缺陷进行检验，经检验6套钨管均无裂纹缺陷，成品率为100%。
实施例3
本实施例制备的钨管截面示意图参见图1，其中OD1=600mm，OD2=560mm，OD3=540mm，ID=500mm，H=1200mm，h1=90mm，h2=100mm，简称为Ф600*1200mm型钨管。
具体制备方法如下：
1）选用符合国标的Fw-1型平均费氏粒度为2.2微米的钨粉和平均费氏粒度为3.8微米的钨粉作为钨管原料，其中，2.2微米的钨粉与3.8微米的钨粉的质量比为45：55，纯度均为99.9%，将上述钨管原料置于V型混料机中在高纯氩气保护下混合6小时。
2）根据压坯装料要求尺寸组装成型模具，把混合后的原料装于圆柱钢模芯和厚壁胶套之间的空隙内，装料完毕后用胶塞塞紧厚壁胶套两端后再密封，然后把装好料的成型磨具吊入冷等静压机缸体中进行压制，按冷等静压机设备操作规程进行打压、保压和泄压操作以得到钨管压坯，其中，成形压强为300Mpa，保压1小时，泄压时间为60分钟。
3）在氢气气氛下，将钨管压坯置于高温感应烧结炉中烧结，升温速率为50℃/h，最高温度为2350℃，高温保温时间为6小时，烧结时钨管压坯下方放置平均粒度为Φ3mm的氧化锆耐高温材料。
4）对烧坯外观质量进行检测，经检测15套烧结坯料均无缺陷，然后采用排水法测定15套钨管烧坯的整体密度为18.10-18.25g/cm3，选取密度为18.15g/cm3的一件钨管，对钨管不同位置进行取样（高度方向每隔100mm为一个取样高度，同高度每隔45°取20*20*5mm试样），测每件试样的密度，发现试样密度范围为18.13-18.20g/cm3，上层密度与下层密度差别小。
5）按照图纸要求采用24点卡盘的装卡方式进行配套加工，车加工后再进行表面抛磨。
采用渗透探伤的方法对本实施例生产的15套Ф600*1200mm型钨管的裂纹缺陷进行检验，经检验15套钨管均无裂纹缺陷，成品率为100%。
应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。