技术领域本发明属于新型钨合金制备技术领域，更具体地说，是关于新型W–Ni–Mn合金的快速制备方法。
背景技术：
钨合金具有一系列优异的性能，如密度高、强度高、机械加工性好、热膨胀系数小、导电导热性好等，这些优异性能使其在国防军工、航空航天和民用工业中得到了广泛的应用。相对于传统钨合金，新型W–Ni–Mn合金具有更好的绝热剪切性能，可以导致绝热剪切带的增加，因而很适用于穿甲弹材料。当作弹头使用时，因具有自锐性而不会降低其穿透深度，故它可与贫铀弹头相竞争。对于新型W–Ni–Mn合金，目前主要还是利用原料粉末球磨、成型、烧结的常规粉末冶金液相烧结法制备。该法有明显缺陷：首先，由于Mn的高化学活性，烧结过程中易在合金相界面上生成MnO，为最大程度还原MnO，实际液相烧结温度往往比粘结相液相线最低温度要高，容易导致钨晶粒长大，这不利于制备高性能合金；其次，由于烧结过程中没有施加外部压力，常规液相烧结氢气还原MnO产生的气体无法从试样中完全排除，因而增加了合金的孔隙率，导致合金密度降低；最后，常规液相烧结法成型与烧结分两步进行，工艺流程较长，烧结过程中升温速率较慢，烧结试样时间较长，这都会增加原料粉末氧化的几率。目前，为满足日益增多的对高性能新型W–Ni–Mn合金的需求，采用新方法、新工艺，克服传统液相烧结法的缺陷，减少合金中容易出现的残余孔隙和锰的氧化物，细化钨晶粒的尺寸，进而提高合金的致密度，最终改善合金的力学性能是一个重要课题。作为一种材料制备新技术，与常规液相烧结工艺相比，放电等离子烧结具有升温速率快、烧结温度低、烧结时间短及热压烧结等诸多优势，在新型W–Ni–Mn合金的制备方面值得期待。因此，在相关研究基础上，本发明从优化材料成分配比、调整原料预处理方法、创新放电等离子烧结工艺等措施出发，提出了一种快速制备具有优良综合性能W–Ni–Mn合金的方法。
技术实现要素：
本发明克服了常规液相烧结W–Ni–Mn合金存在的工艺流程较长、烧结温度较高、保温时间较长等技术缺点，提供一种简单快速制得高致密和优良性能W–Ni–Mn合金的方法。为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种新型W–Ni–Mn合金的快速制备方法，其特征在于包括如下工艺步骤：（1）原料成分配比：以W、Ni、Mn单质粉末为合金原料，并按照以下质量百分比配料：W91.0–95.0%，Ni1.0–7.2%，Mn1.0–7.2%；（2）原料均匀混合：将上述配好原料粉末装入球磨罐中，在高能球磨机上进行真空混料，获得均匀混合的原料粉末；（3）粉末快速烧结：将上述均匀混合粉末装入石墨模具后，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烧结。所述高能球磨机为行星式球磨机、振动式球磨机或搅拌式球磨机。所述放电等离子烧结为一步烧结工艺或二步烧结工艺。所述一步烧结工艺条件如下：烧结真空度<3Pa，烧结压力30–90MPa，升温速率100–400℃/min，烧结温度1000–1250℃，保温时间3–5min。所述二步烧结工艺条件如下：第一步：烧结真空度<3Pa，烧结压力30–90MPa，升温速率50–200℃/min，烧结温度900–1000℃，保温时间10–20min；第二步：烧结真空度<3Pa，烧结压力30–90MPa，升温速率200–400℃/min，烧结温度1000–1200℃，保温时间0min。与现有技术相比，本发明具有以下突出优点和有益效果：1.本发明在W、Ni、Mn原料的混料中利用了高能球磨机，与普通V型混料机或滚筒式球磨机相比，可提高混料效率和均匀程度；与加球进行高能球磨相比，可避免杂质的引入和粉末含氧量的上升。2.本发明在放电等离子一步烧结的基础上，进一步利用放电等离子“二步烧结”法，在控制W晶粒生长的同时尽可能降低W/W连接度，可获得综合力学性能更好的新型W–Ni–Mn合金。3.本发明充分利用了放电等离子烧结的技术特点，具有成型与烧结一体化、烧结温度较低、烧结时间较短等优点，因而容易获得细W晶粒W–Ni–Mn合金，并可在一定程度上降低材料的制备成本。4.本发明制备的新型W–Ni–Mn合金具有组织均匀、W晶粒细小、相对密度高等特点，因而相比常规液相烧结，W–Ni–Mn合金的综合力学性能更好。具体实施方式下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例1本实施例的新型W–1.8Ni–7.2Mn合金的快速制备方法，包括以下步骤及工艺条件：（1）原料成分配比：以W、Ni、Mn粉末为合金原料，并按照以下质量百分比配料：W91.0%，Ni1.8%，Mn7.2%；W、Ni、Mn粉末的纯度>99.9%，平均粒径<3μm。（2）原料均匀混合：将上述配好原料粉末装入球磨罐中，在行星式球磨机上真空混料12h，获得均匀混合的原料粉末。（3）粉末快速烧结：将上述60g均匀混合粉末装入Ф30mm石墨模具后，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：烧结真空度小于1Pa，烧结压力80MPa，升温速率350℃/min，烧结温度1110℃，保温时间3min。通过以上制备方法，获得组织均匀的新型W–1.8Ni–7.2Mn合金，其W晶粒小于6μm，相对密度大于97%，宏观硬度为38HRC，抗弯强度为1124MPa。实施例2本实施例的新型W–2.8Ni–4.2Mn合金的快速制备方法，包括以下步骤及工艺条件：（1）原料成分配比：以W、Ni、Mn粉末为合金原料，并按照以下质量百分比配料：W93.0%，Ni2.8%，Mn4.2%；W、Ni、Mn粉末的纯度>99.9%，平均粒径<3μm。（2）原料均匀混合：将上述配好原料粉末装入球磨罐中，在振动式球磨机上真空混料8h，获得均匀混合的原料粉末。（3）粉末快速烧结：将上述60g均匀混合粉末装入Ф30mm石墨模具后，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：烧结真空度小于2Pa，烧结压力50MPa，升温速率100℃/min，烧结温度1010℃，保温时间4min。通过以上制备方法，获得组织均匀的新型W–2.8Ni–4.2Mn合金，其W晶粒小于5μm，相对密度大于98%，宏观硬度为43HRC，抗弯强度为1193MPa。实施例3本实施例的新型W–2.8Ni–4.2Mn合金的快速制备方法，包括以下步骤及工艺条件：（1）原料成分配比：以W、Ni、Mn粉末为合金原料，并按照以下质量百分比配料：W93.0%，Ni2.8%，Mn4.2%；W、Ni、Mn粉末的纯度>99.9%，平均粒径<3μm。（2）原料均匀混合：将上述配好原料粉末装入球磨罐中，在振动式球磨机上真空混料8h，获得均匀混合的原料粉末。（3）粉末快速烧结：将上述60g均匀混合粉末装入Ф30mm石墨模具后，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二步烧结，烧结工艺条件为：第一步：烧结真空度小于2Pa，烧结压力40MPa，升温速率100℃/min，烧结温度920℃，保温时间13min；第二步：烧结真空度小于2Pa，烧结压力70MPa，升温速率300℃/min，烧结温度1000℃，保温时间0min。通过以上制备方法，获得组织均匀的新型W–2.8Ni–4.2Mn合金，其W晶粒小于4.5μm，相对密度大于99%，宏观硬度为50HRC，抗弯强度为1307MPa。实施例4本实施例的新型W–4.2Ni–2.8Mn合金的快速制备方法，包括以下步骤及工艺条件：（1）原料成分配比：以W、Ni、Mn粉末为合金原料，并按照以下质量百分比配料：W93.0%，Ni4.2%，Mn2.8%；W、Ni、Mn粉末的纯度>99.9%，平均粒径<3μm。（2）原料均匀混合：将上述配好原料粉末装入球磨罐中，在搅拌式球磨机上真空混料10h，获得均匀混合的原料粉末。（3）粉末快速烧结：将上述60g均匀混合粉末装入Ф30mm石墨模具后，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：烧结真空度小于2Pa，烧结压力60MPa，升温速率150℃/min，烧结温度1060℃，保温时间4min。通过以上制备方法，获得组织均匀的新型W–4.2Ni–2.8Mn合金，其W晶粒小于5μm，相对密度大于98%，宏观硬度为45HRC，抗弯强度为1220MPa。实施例5本实施例的新型W–4.2Ni–2.8Mn合金的快速制备方法，包括以下步骤及工艺条件：（1）原料成分配比：以W、Ni、Mn粉末为合金原料，并按照以下质量百分比配料：W93.0%，Ni4.2%，Mn2.8%；W、Ni、Mn粉末的纯度>99.9%，平均粒径<3μm。（2）原料均匀混合：将上述配好原料粉末装入球磨罐中，在搅拌式球磨机上真空混料10h，获得均匀混合的原料粉末。（3）粉末快速烧结：将上述60g均匀混合粉末装入Ф30mm石墨模具后，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二步烧结，烧结工艺条件为：第一步：烧结真空度小于2Pa，烧结压力50MPa，升温速率150℃/min，烧结温度950℃，保温时间16min；第二步：烧结真空度小于2Pa，烧结压力80MPa，升温速率250℃/min，烧结温度1040℃，保温时间0min。通过以上制备方法，获得组织均匀的新型W–4.2Ni–2.8Mn合金，其W晶粒小于4.5μm，相对密度大于99%，宏观硬度为54HRC，抗弯强度为1357MPa。实施例6本实施例的新型W–4Ni–1Mn合金的快速制备方法，包括以下步骤及工艺条件：（1）原料成分配比：以W、Ni、Mn粉末为合金原料，并按照以下质量百分比配料：W95.0%，Ni4.0%，Mn1.0%；W、Ni、Mn粉末的纯度>99.9%，平均粒径<3μm。（2）原料均匀混合：将上述配好原料粉末装入球磨罐中，在行星式球磨机上真空混料12h，获得均匀混合的原料粉末。（3）粉末快速烧结：将上述60g均匀混合粉末装入Ф30mm石墨模具后，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：烧结真空度小于3Pa，烧结压力70MPa，升温速率200℃/min，烧结温度1250℃，保温时间3min。通过以上制备方法，获得组织均匀的新型W–4Ni–1Mn合金，其W晶粒小于7μm，相对密度大于98%，宏观硬度为42HRC，抗弯强度为1165MPa。