一种共成形共烧结钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法与流程

本发明涉及一种共成形共烧结钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法；属于复合材料制备技术领域。

背景技术：

钨及其合金具有高密度、高硬度、高强度、耐高温和耐腐蚀等优异特性，被广泛应用于航空航天、武器装备、能源和电子等领域。由于钨的本征脆性和制备方法的限制，难以获得大尺寸以及形状复杂的纯钨构件，发展钨/钢复合结构来替代全钨结构不但能增加部件的使用便利性，还能综合发挥各连接材料的性能优势。

目前制备钨/钢系复合结构材料一般采用机械连接、胶接、焊接等方法。机械连接和胶接属于物理连接，存在强度低、结构质量大、在变载荷作用下容易松动、可靠性差的缺点。而采用焊接方法，如钎焊和扩散焊，常需要一定的加载压力以实现钨与钢之间的相互接触，同时对钨与钢的表面光洁度有较高要求，导致钨与钢焊接时接头尺寸适应性差，而且由于钨及其合金的本征硬脆性，导致钨与钢焊接存在一定的加工与装配难题，限制了钨/钢系复合材料的生产应用。因此，需要研发一种简单经济的钨合金/钢复合材料的制备方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对现有方法的不足，提供了一种共成形共烧结钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法，有效解决了钨合金/钢连接存在的加工和装配难题，实现了钨合金/钢复合材料结构功能一体化的近净成形。

本发明一种共成形共烧结钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法；包括以下步骤：

步骤一原料粉末的设计和制备

以W粉和/或W合金粉为原料，以低熔点金属粉末或低熔点合金粉末为辅料；按质量比，辅料：原料＝5:95～20：80配取辅料和原料，混合均匀，得到混合物；所述辅料的熔点低于原料的熔点；

测量备用钢粉的熔点，定义备用钢粉的熔点为A；

步骤二共成形

在模具内先铺设一层备用钢粉，然后再铺设一层混合物；或

在模具内先铺设一层混合物，然后再铺设一层备用钢粉；

铺设完成后，在600MPa～1000MPa压力下压制成形，获得钨合金/钢复合成形坯；

步骤三

将钨合金/钢复合成形坯置于氢气或真空气氛中，于B摄氏度下进行烧结，得到钨合金/钢复合材料；

所述B/A＝0.5-0.9、优选为0.6-0.9；

在B摄氏度下进行烧结时，步骤一所配取的辅料的液化程度为75-100％。本发明中，在B摄氏度下进行烧结时，步骤一所配取的辅料的液化程度为75-100％是指：在B摄氏度下进行烧结时，所配取的辅料总质量的75-100％被液化。

本发明一种共成形共烧结钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法；步骤一中，所述W合金粉选自W-La₂O₃合金，W-Y₂O₃合金，W-Y₂O₃合金，W-TiC合金，W-ZrC合金，W-Y合金，W-Mo合金，W-Re合金，W-K合金，W-CNT(碳纳米管)合金中的至少一种。

本发明一种共成形共烧结钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法；所述B为1000℃～1300℃。优选1100℃～1300℃。进一步优选为1130℃～1200℃。更进一步优选为1150℃～1185℃。

本发明一种共成形共烧结钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法；步骤一中，所述低熔点金属粉末选自Ni粉、Fe粉、Cu粉、Mn粉、Sn粉、Al粉中的至少一种。

本发明一种共成形共烧结钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法；步骤一中，所述低熔点合金粉末选自Ni-Fe合金粉、Fe-Cu合金粉、Ni-Cu合金粉、Ni-Mn合金粉、Ni-Fe-Cu合金粉、Ni-Fe-Al合金粉、Ni-Fe-Mn合金粉、Ni-Fe-Sn合金粉、Fe-Cu-Sn合金粉、Ni-Cu-Sn合金粉、Ni-Cu-Mn合金粉中的至少一种。

本发明一种共成形共烧结钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法；原料的粒度为30nm～5μm、辅料的粒度为30nm～5μm。

本发明一种共成形共烧结钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法；步骤一中备用钢粉的粒度为50～200μm。

本发明一种共成形共烧结钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法；备用钢粉为粉末冶金用合金钢。

本发明一种共成形共烧结钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法；步骤一中，以W粉和/或W合金粉为原料，以低熔点金属粉末或低熔点合金粉末为辅料；按质量比，辅料：原料＝5:95～20：80配取辅料和原料，将配取的辅料和原料置于球磨机中，进行机械球磨，得到所述混合物；所述球磨时，控制球磨转速为150-300转/min，时间为20-50小时。

本发明一种共成形共烧结钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法；步骤三中，所述烧结工艺是先以10～20℃/min的升温速率从室温升温至600～950℃，保温0.5～2h，随后继续升温至1100℃～1300℃，保温1～3h，烧结结束后随炉冷却至室温。

本发明一种共成形共烧结钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法；将元素金属粉末W、Ni、Cu、Sn等按照90:6.3:2.7:1的质量比称重，置于行星式球磨机中进行球磨，球磨时控制转速为200转/min、时间为20h，球磨后得到粉末粒度为100nm的混合物；以平均粒度为100μm粉末冶金用钢粉为备用钢粉；在模具内先铺设一层备用钢粉，然后再铺设一层混合物，接着800MPa压力下压制成形，获得直径为40mm的钨合金/钢圆片状复合成形坯；接着在氢气气氛下，首先以10℃/min的升温速率从室温升温至900℃，保温1h，随后继续升温至1180℃，保温2h，烧结结束后随炉冷却至室温，得到钨合金/钢复合材料；所述钨合金/钢复合材料的界面结合强度为600MPa；或

将元素金属粉末W、Ni、Cu、Sn等按照90:6.3:2.7:1的质量比称重，置于行星式球磨机中进行球磨，球磨时控制转速为250转/min、时间为30h，球磨后得到粉末粒度为80nm的混合物；以平均粒度为150μm粉末冶金用钢粉为备用钢粉；在模具内先铺设一层备用钢粉，然后再铺设一层混合物，接着600MPa压力下压制成形，获得直径为50mm的钨合金/钢圆片状复合成形坯；接着在氢气气氛下，首先以20℃/min的升温速率从室温升温至950℃，保温0.5h，随后继续升温至1150℃，保温3h，得到钨合金/钢复合材料；所述钨合金/钢复合材料的界面结合强度为540MPa。在本发明中，采用行星式球磨机进行球磨时，可使部分或全部粉末实现机械合金化。

在本发明中，备用钢粉优选为采用水雾化或气雾化技术制备粉末冶金用钢粉。在本发明中GB/T 19743-2005所限定的合金钢粉均能用于本发明。

作为优选方案，在本发明中，步骤二中在模具内先铺设一层备用钢粉，振实，然后再铺设一层混合物；振实，然后再压制。

作为优选方案，在本发明中，步骤二中在模具内先铺设一层混合物，振实，然后再铺设一层备用钢粉；振实，然后再压制。也可先将备用钢粉压成钢粉坯体，然后在钢粉坯体上铺设混合物，再压制成型或者先将混合物压成混合物坯体，再将钢粉铺设于混合物坯体上再压制成型。

同时本发明还可以先制备钢粉坯体和混合物坯体，再将钢粉坯体和混合物坯体统一压制。

采用本发明中所设计的方法，可以制备出钨合金/钢、钨合金/钢/钨合金、钢/钨合金/钢或钨合金/钢/钨合金/钢……的复合材料。

在工业化应用时，先将配取好的原料和辅料通过机械混合均匀。机械混合均匀时，可以使部分或全部粉料发生机械合金化。

原理和优势

本发明设计了“共成形共烧结”的粉末冶金方法，并通过成分设计和工艺优化将该方法应用于钨合金/钢异种材料结构件的制备中，实现了钨合金/钢复合材料的结构功能一体化的近净成形。本发明创造性地通过匹配钨合金与钢的烧结特性，使钨合金与钢在同一烧结制度下实现协同固结致密化。具体是通过添加活性元素(如Al、Sn、Mn等)和采用粉末改性技术(如粉末微纳米化)来实现钨合金的活化烧结，降低其烧结温度，协调钨合金和低合金钢的烧结工艺以实现两者的共烧结致密化。本发明通过基体合金粉末成分设计和工艺优化，协调了钨合金与钢的粉末冶金共成形共烧结的工艺相容，实现了钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备。

相比现有方法，本发明的优点在于：

(1)本发明提供的粉末冶金方法采用粉末材料作原料，避免了焊接方法需要对钨合金进行加工和表面处理的技术难题。

(2)与机械连接、胶接、焊接等方法不同，粉末冶金方法有利于促进界面原子扩散反应，有利于异种粉体材料在界面两侧的长程有序扩散和溶渗，有利于获得结合强度高，界面稳定性好的钨合金/钢复合材料。

(3)粉末冶金方法可实现钨合金/钢复合材料的近净成形，生成效率高，材料利用率高，成本低。

附图说明

附图1为本发明实施例1制备的钨合金/钢复合材料界面结合区域的扫描电镜照片。

附图2为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。

实施例1

本实施方式的钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法是按如下步骤进行的：

一、原料粉末制备：将元素金属粉末W、Ni、Cu、Sn等按照90:6.3:2.7:1的质量比称重，置于行星式球磨机中进行机械合金化处理，控制转速为200转/min、球磨时间为20h，获得粉末粒度为100nm，烧结温度为1180℃的90W-Ni-Cu-Sn钨合金粉末；采用气雾化技术制备粉末粒度约100μm，烧结温度为1180℃粉末冶金用钢粉；

二、共成形：将制备的钨合金粉和钢粉叠层置于刚性模具中，在800MPa压力下压制成形，获得直径为40mm的钨合金/钢圆片状复合成形坯；

三、烧结：将钨合金/钢复合成形坯置于氢气或真空气氛下进行烧结，首先以10℃/min的升温速率从室温升温至900℃，保温1h，随后继续升温至1180℃，保温2h，烧结结束后随炉冷却至室温，即制得钨合金/钢复合材料。

本实施方式的钨合金/钢复合材料室温拉伸强度可达600MPa，比常规采用焊接方法制备的钨/钢连接件(最大拉伸强度为425MPa)高30％。

本实施方式所得钨合金/钢复合材料抗热疲劳性能好，与常规采用焊接方法制备的钨/钢连接件在经受30次从室温到700℃的冷热循环即产生微裂纹相比，可经受高达800℃的冷热循环100次。

通过上述粉末冶金工艺后获得的钨合金/钢复合材料的界面结合状态微观组织照片见图1。

实施例2

本实施方式的钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法是按如下步骤进行的：

一、原料粉末制备：将元素金属粉末W、Ni、Cu、Sn按照90:6.3:2.7:1的质量比称重，置于行星式球磨机中进行机械合金化处理，控制转速为250转/min，球磨时间为30h，获得粉末粒度为80nm，烧结温度为1150℃的90W-Ni-Cu-Sn钨合金粉末；采用气雾化技术制备粉末粒度约100μm，烧结温度为1150℃粉末冶金用钢粉；

二、共成形：将制备的钨合金粉和钢粉叠层置于刚性模具中，在600MPa压力下压制成形，获得直径为50mm的钨合金/钢圆片状复合成形坯；

三、烧结：将钨合金/钢复合成形坯置于氢气或真空气氛下进行烧结，首先以20℃/min的升温速率从室温升温至950℃，保温0.5h，随后继续升温至1150℃，保温3h，即制得钨合金/钢复合材料。

本实施方式的钨合金/钢复合材料室温拉伸强度可达540MPa，比传统采用焊接方法制备的钨/钢连接件(最大拉伸强度为425MPa)高20％。

本实施方式所得钨合金/钢复合材料抗热疲劳性能好，与常规采用焊接方法制备的钨/钢连接件在经受30次从室温到700℃的冷热循环即产生微裂纹相比，可经受高达700℃的冷热循环80次。

实施例3

本实施方式的钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法是按如下步骤进行的：

一、原料粉末制备：将元素金属粉末W、Ni、Cu、Sn按照85:7:7:1的质量比称重，置于行星式球磨机中进行机械合金化处理，控制转速为300转/min，球磨时间为50h，获得粉末粒度为30nm，烧结温度为1100℃的85W-Ni-Cu-Sn钨合金粉末；采用气雾化技术制备粉末粒度约50μm，烧结温度为1100℃粉末冶金用钢粉；

二、共成形：将制备的钨合金粉和钢粉叠层置于刚性模具中，在1000MPa压力下压制成形，获得直径为15mm的钨合金/钢圆片状复合成形坯；

三、烧结：将钨合金/钢复合成形坯置于氢气或真空气氛下进行烧结，首先以20℃/min的升温速率从室温升温至600℃，保温2h，随后继续升温至1100℃，保温1h，即制得钨合金/钢复合材料。

本实施方式的钨合金/钢复合材料室温拉伸强度可达515MPa，比传统采用焊接方法制备的钨/钢连接件(最大拉伸强度为425MPa)高17％。

本实施方式所得钨合金/钢复合材料抗热疲劳性能好，与常规采用焊接方法制备的钨/钢连接件在经受30次从室温到700℃的冷热循环即产生微裂纹相比，可经受高达700℃的冷热循环60次。

实施例4

本实施方式的钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法是按如下步骤进行的：

一、原料粉末制备：将元素金属粉末W、Ni、Mn按照85:9:6的质量比称重，置于行星式球磨机中进行机械合金化处理，控制转速为200转/min，球磨时间为20h，获得粉末粒度为120nm，烧结温度为1200℃的85W-Ni-Mn钨合金粉末；采用水雾化技术制备粉末粒度约150μm，烧结温度为1200℃粉末冶金用钢粉；

二、共成形：将制备的钨合金粉和钢粉叠层置于刚性模具中，在700MPa压力下压制成形，获得直径为40mm的钨合金/钢圆片状复合成形坯；

三、烧结：将钨合金/钢复合成形坯置于氢气或真空气氛下进行烧结，首先以20℃/min的升温速率从室温升温至900℃，保温1h，随后继续升温至1200℃，保温2h，即制得钨合金/钢复合材料。

本实施方式的钨合金/钢复合材料室温拉伸强度可达450MPa，高于常规采用焊接方法制备的钨/钢连接件。

本实施方式所得钨合金/钢复合材料抗热疲劳性能好，与常规采用焊接方法制备的钨/钢连接件在经受30次从室温到700℃的冷热循环即产生微裂纹相比，可经受高达700℃的冷热循环50次。

实施例5

本实施方式的钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法是按如下步骤进行的：

一、原料粉末制备：将元素金属粉末W、Ni、Cu、Mn按照85:6:4:5的质量比称重，置于行星式球磨机中进行机械合金化处理，控制转速为150转/min，球磨时间为25h，获得粉末粒度为160nm，烧结温度为1300℃的85W-Ni-Cu-Mn钨合金粉末；采用水雾化技术制备粉末粒度约200μm，烧结温度为1300℃粉末冶金用钢粉；

二、共成形：将制备的钨合金粉和钢粉叠层置于刚性模具中，在900MPa压力下压制成形，获得直径为30mm的钨合金/钢圆片状复合成形坯；

三、烧结：将钨合金/钢复合成形坯置于氢气或真空气氛下进行烧结，首先以20℃/min的升温速率从室温升温至950℃，保温2h，随后继续升温至1300℃，保温1.5h，即制得钨合金/钢复合材料。

本实施方式的钨合金/钢复合材料室温拉伸强度可达480MPa，高于常规采用焊接方法制备的钨/钢连接件。

本实施方式所得钨合金/钢复合材料抗热疲劳性能好，与常规采用焊接方法制备的钨/钢连接件在经受30次从室温到700℃的冷热循环即产生微裂纹相比，可经受高达750℃的冷热循环60次。