一种钨/钢双金属柱环材料的二阶段粉末冶金制备方法与流程

本发明涉及一种钨/钢双金属柱环材料的二阶段粉末冶金制备方法；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/钢双金属复合结构来替代全钨结构不但能增加部件的使用便利性，还能综合发挥钨/钢双金属各自的性能优势。比如，未来磁约束核聚变堆中氦冷偏滤器部件对高性能钨/钢圆环结构材料提出了要求。

目前制备钨/钢双金属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，需要对待焊材料表面进行打磨抛光，以获得好的表面光洁度，这对于制备异形钨/钢双金属零部件存在较大的加工与表面处理难度。此外，传统焊接方法常采用对接形式，焊接接头的尺寸适应性差，这对于制备异形钨/钢双金属零部件存在一定的装配难题。因此，需要研发一种适合异形钨/钢双金属材料制备的方法。

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，提供了一种钨/钢双金属柱环材料的二阶段粉末冶金制备方法，有效解决了异形钨/钢双金属复合结构材料制备存在的加工和装配难题，实现了钨/钢双金属柱环材料的近净成形。

本发明一种钨/钢双金属材料，所述双金属材料包括芯部及外壳；所述芯部为钨合金，外壳为钢；所述芯部与外壳的连接部位为冶金结合。本发明一种钨/钢双金属材料，所述双金属材料采用二阶段粉末冶金方法制备，第一阶段是将钨合金进行热压预烧结制备钨合金芯，第二阶段是将热压预烧结钨合金芯置于模具中，在模具内壁与钨合金芯之间填充钢粉后进行两步热等静压烧结；定义钢粉的相对密度m＝钢粉松装密度/同合金成分铸态钢的密度，热压预烧结钨合金芯的相对密度为n＝热压预烧结钨合金芯的密度/同合金成分钨合金的理论密度，且满足m/n＝1.3～0.7；优选为1.2～0.7；进一步优选为1.1～0.8；更进一步优选为1.1～0.9。

本发明一种钨/钢双金属材料，所述芯部的钨合金包括下述组分，按质量百分比组成：

本发明一种钨/钢双金属材料，所述芯部的钨合金组分中钨，镍，铜，锡原料粉末的平均粒度为1～20μm。

本发明一种钨/钢双金属材料，所述外壳为合金结构钢，具体选自低合金高强度钢、超高强度钢、渗碳钢、调质结构钢、弹簧钢、易切削钢中的一种；合金结构钢粉的粒度为1-150μm，松装密度为4.0-5.2g/cm³。

本发明一种钨/钢双金属材料的二阶段粉末冶金制备方法，包括以下步骤：

步骤一：测量钢粉的松装密度；

步骤二：热压预烧结钨合金芯制备

按设计的钨合金组分配比配取钨，镍，铜，锡粉末，混合均匀后置于模具中热压烧结成型，得到芯部热压预烧结钨合金芯；制备的热压预烧结钨合金芯的相对密度为n，且满足m/n＝1.3～0.7；优选为1.2～0.7；进一步优选为1.1～0.8；更进一步优选为1.1～0.9；

步骤三：热等静压

将热压预烧结钨合金芯置于等静压包套中，在等静压包套与热压预烧结钨合金芯之间填充钢粉，进行两步热等静压烧结，得到钨/钢双金属材料；

两步热等静压烧结工艺参数为：

首先以≤25℃/min的升温速率升温到1000～1300℃，炉内压力20～100mpa；保温至少1小时后以≤10℃/min的升温速率升温到1150～1400℃，炉内压力100～200mpa，保温至少2h后以≤6℃/min的速率冷却到500～800℃，保温至少1h，再随炉冷却到室温。

本发明一种钨/钢双金属材料的二阶段粉末冶金制备方法，步骤二中，热压烧结工艺参数为：模具为石墨模具，烧结温度：在钨合金粉末的液相形成温度以下50～300℃，升温速率：1～5℃/min，炉内压力5～20mpa，保温后随炉冷却；

本发明一种钨/钢双金属材料的二阶段粉末冶金制备方法，热压烧结工艺参数中烧结温度优选为：在钨合金粉末的液相形成温度以下100～300℃；进一步优选为在钨合金粉末的液相形成温度以下100～250℃。更进一步优选为在钨合金粉末的液相形成温度以下150～250℃。

本发明一种钨/钢双金属材料的二阶段粉末冶金制备方法，步骤二中，配取的钨、镍、铜、锡粉末的平均粒度均为1～20μm。

本发明一种钨/钢双金属材料的二阶段粉末冶金制备方法，步骤二中，钨、镍、铜、锡粉末采用球磨法混合均匀；将钨合金粉末原料置于行星式球磨机中进行机械合金化处理，控制球磨时间为2～50h。

本发明一种钨/钢双金属材料的二阶段粉末冶金制备方法，步骤二中，热压烧结保温时间2-5h。

本发明一种钨/钢双金属材料的二阶段粉末冶金制备方法，制备的芯部预烧结坯横截面形状为圆形、三角形、长方形、菱形、正多边形、椭圆形中的一种。

本发明一种钨/钢双金属材料的二阶段粉末冶金制备方法，步骤三中，两步热等静压烧结工艺参数为：

采用钢制包套，首先以8～25℃/min的升温速率升温到1000～1300℃，炉内压力20～100mpa；保温1-3小时后以3～10℃/min的升温速率升温到1150～1400℃，炉内压力100～200mpa，保温2-6h后以3～6℃/min的速率冷却到500～800℃，保温1-5h，再随炉冷却到室温。

本发明一种钨/钢双金属材料的二阶段粉末冶金制备方法，合金结构钢粉的粒度为1-150μm，松装密度为4.0-5.2g/cm³。

本发明一种钨/钢双金属材料的二阶段粉末冶金制备方法，合金结构钢粉采用合金钢原料经真空熔炼气体雾化制粉或等离子旋转电极雾化制粉中的一种方法制备。

本发明一种钨/钢双金属材料的二阶段粉末冶金制备方法，所述m为30％～80％。优选为40％～80％。进一步优选为50％～70％。更进一步优选为55％～70％。

本发明一种钨/钢双金属材料的二阶段粉末冶金制备方法，所述n为40％～90％。优选为50％～90％。进一步优选为50％～80％。更进一步优选为60％～80％。

原理和优势

本发明设计了“热压烧结+热等静压”的二阶段粉末冶金方法，并通过技术方案设计和工艺优化将该方法应用于异形钨/钢双金属材料的制备中，实现了钨/钢双金属材料的结构功能一体化的近净成形及双金属的冶金结合。

本发明创造性地采用“热压烧结+热等静压”组合方法来匹配钨合金与钢的烧结特性，解决了钨/钢异种粉末在同一烧结制度下由于烧结收缩不一致造成的界面开裂、分层等问题。具体是首先通过热压烧结实现钨合金粉末的预烧结，获得具有较高相对密度的钨合金圆柱坯，使其相对密度与松装钢粉末的相对密度匹配，在热等静压炉中，进行两步热等静压烧结，先于1000～1300摄氏度下进行低压快速低温烧结，再在1150～1400摄氏度下进行高压慢速高温烧结，以实现在后续热等静压过程中界面两侧钨合金与钢的协同收缩致密化并实现两种材料的冶金结合，获得钨/钢双金属材料。

本发明创造性地通过工艺搭配来实现钨合金与钢良好的界面冶金结合，解决了钨/钢异种粉末在共烧结过程中由于基体元素(w和fe)相容性差造成的界面硬脆相生成等问题。具体是在热等静压过程中采用“低压快速低温烧结+高压慢速高温烧结”的二步烧结工艺，首先在钨合金液相形成温度前，采用“低压快速低温烧结”的烧结工艺，避免共烧结界面大量硬脆相(如few相)的生成，然后当烧结温度到达钨合金液相形成温度后，采用“高压慢速高温烧结”的烧结工艺，在毛细管力的作用下，使钨合金中呈液态的粘结相(ni-cu基相)向共烧结界面迁移，一方面增强了钨/钢界面元素之间的扩散反应能力，另一方面，在共烧结界面形成的ni-cu基过渡层与钨合金和钢基体元素相容性好，阻止了few等硬脆相的生成，实现了钨/钢异种粉末共烧结的良好界面冶金结合。

本发明通过技术方案设计和工艺优化，协调了钨合金粉末与钢粉末的烧结收缩一致性，改善了钨/钢异种粉末共烧结界面元素的相容性，实现了钨/钢双金属柱环材料的高质量制备。

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脆硬性钨圆柱的待焊圆柱面进行打磨、抛光等表面处理工序的技术难题。

(2)本发明提供的“热压烧结+热等静压”二阶段粉末冶金方法，避免了传统粉末冶金共烧结方法在同一烧结温度下由于钨与钢异种粉末烧结收缩不一致产生开裂、分层等共烧结缺陷。

(3)本发明提供的“低压快速低温烧结+高压慢速高温烧结”的二步热等静压烧结工艺，避免了钨/钢异种粉末共烧结界面硬脆相的生成，大大改善了钨合金与钢的界面结合状态，实现了钨合金与钢的界面的冶金结合。

(4)本发明提供的“热压烧结+热等静压”二阶段粉末冶金方法，可实现钨/钢双金属柱环材料的近净成形，生产效率高，材料利用率高。

附图说明

附图1为实施例1制备的钨/钢双金属柱环材料照片。

附图2为实施例1制备的钨/钢双金属柱环材料的界面形貌图片。

附图3为对比例1制备的钨/钢双金属柱环材料的界面形貌图片。

从附图1可以看出：所得钨/钢双金属柱环材料为内层钨合金圆柱与外层钢圆环的层状结构复合材料，材料整体致密，无变形、开裂等宏观缺陷，特别是柱环材料结合界面呈规则圆形形貌，表明钨/钢双金属柱环材料共烧结过程中烧结收缩一致性好。

从附图2可以看出：所得钨/钢双金属柱环材料的界面结合良好，无孔洞、开裂等微观缺陷，其界面形貌呈不规则岛状分布(不同于焊接方法所得的平直界面)，这种犬齿交错形貌有利于提高共烧结界面的冶金结合强度。

从附图3可以看出：所得钨/钢双金属柱环材料的基体材料组织均匀、致密，但其结合界面存在开裂缺陷，这是由于钨/钢双金属柱环材料共烧结过程中烧结收缩不一致造成的。

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。

本发明实施例中，试样烧结界面结合情况采用扫描电镜进行观察；界面拉伸强度采用线切割方法在钨/钢共烧结样品中取工字型拉伸试样，于力学试验机上进行拉伸实验得到。

实施例1

本实施方式的钨/钢双金属柱环材料的二阶段粉末冶金制备方法是按如下步骤进行的：

1.钨合金组分质量百分比计为：90％钨、6.3％镍、2.7％铜、1％锡；各组分原料粉末的平均粒度为1-8μm。

2.将钨合金粉末原料在行星式球磨机中进行机械合金化处理，控制球磨时间为20h，混合均匀，得粉末粒度为1～8μm的钨合金粉末；以30crmnsini2a低合金高强钢棒料为原料，采用真空熔炼气体雾化制粉，经200目筛网过筛得粉末粒度为～50μm的钢粉末，钢粉的松装密度为4.27g/cm³，钢粉的相对密度为55％；

3.在圆筒形石墨模具中装填钨合金粉末，在热压烧结炉中，热压烧结，以3℃/min的速率从室温升温到950℃，压力10mpa，保温3h，然后随炉冷却到室温，获得相对密度为60％的钨圆柱材料预烧结坯；

4.将钨合金圆柱材料预烧结坯置于圆筒形304号钢制等静压包套中心，在等静压包套内表面与钨合金圆柱材料预烧结坯之间装填钢粉末，在热等静压炉中，进行两步热等静压烧结，先以15℃/min的速率从室温升温到1050℃，压力50mpa，保温1h，然后以3℃/min的速率升温到1180℃，压力140mpa，保温3h，然后以3℃/min的速率冷却到500℃，保温2h，最后随炉冷却到室温，即获得钨/钢双金属柱环材料。

通过上述二阶段粉末冶金工艺后获得的钨/钢双金属柱环材料见图1。

本实施方式所得钨/钢双金属柱环材料采用扫描电镜观察，其共烧结界面结合良好，界面结合区域无孔洞、开裂、分层等等缺陷。测得钨/钢界面室温拉伸强度高达365mpa。

实施例2

本实施方式的钨/钢双金属柱环材料的二阶段粉末冶金制备方法是按如下步骤进行的：

1.钨合金组分质量百分比计为：93％钨、5％镍、1.5％铜、0.5％锡；各组分原材料粒度为3-10μm。

2.将钨合金粉末原料在行星式球磨机中进行机械合金化处理，控制球磨时间为15h，混合均匀，得粉末粒度为3～10μm的钨合金粉末；以20crmnti渗碳钢棒料为原料，采用真空熔炼气体雾化制粉，经200目筛网过筛得粉末粒度为～30μm的钢粉末，钢粉的松装密度为3.88g/cm³，钢粉的相对密度为50％；

3.在圆筒形石墨模具中装填钨合金粉末，在热压烧结炉中，热压烧结，以5℃/min的速率从室温升温到950℃，压力8mpa，保温4h，然后随炉冷却到室温，获得相对密度为48％的钨圆柱材料预烧结坯；

4.将钨合金圆柱材料预烧结坯置于圆筒形304号钢制等静压包套中心，在等静压包套内表面与钨合金圆柱材料预烧结坯之间装填钢粉末，在热等静压炉中，进行两步热等静压烧结，先以20℃/min的速率从室温升温到1050℃，压力60mpa，保温2h，然后以2.5℃/min的速率升温到1220℃，压力200mpa，保温3h，然后以5℃/min的速率冷却到600℃，保温2h，最后随炉冷却到室温，即获得钨/钢双金属柱环材料。

本实施方式所得钨/钢双金属柱环材料共烧结界面结合良好，无开裂、分层等缺陷，其界面室温拉伸强度高达305mpa。

实施例3

本实施方式的钨/钢双金属柱环材料的二阶段粉末冶金制备方法是按如下步骤进行的：

1.钨合金组分质量百分比计为：90％钨、7％镍、2.5％铜、0.5％锡；各组分原材料粒度为3-10μm。

2.将钨合金粉末原料在行星式球磨机中进行机械合金化处理，控制球磨时间为30h，混合均匀，得粉末粒度为1～6μm的钨合金粉末；以37simn2mov调质钢棒料为原料，采用等离子旋转电极雾化制粉，经140目筛网过筛得粉末粒度为～70μm的钢粉末，钢粉的松装密度为4.65g/cm³，钢粉的相对密度为60％；

3.在圆筒形石墨模具中装填钨合金粉末，在热压烧结炉中，热压烧结，以2℃/min的速率从室温升温到1000℃，压力10mpa，保温3h，然后随炉冷却到室温，获得相对密度为60％的钨圆柱材料预烧结坯；

4.将钨合金圆柱材料预烧结坯置于圆筒形304号钢制等静压包套中心，在等静压包套内表面与钨合金圆柱材料预烧结坯之间装填钢粉末，在热等静压炉中，进行两步热等静压烧结，先以12℃/min的速率从室温升温到1100℃，压力80mpa，保温2h，然后以5℃/min的速率升温到1280℃，压力220mpa，保温4h，然后以5℃/min的速率冷却到550℃，保温3h，最后随炉冷却到室温，即获得钨/钢双金属柱环材料。

本实施方式所得钨/钢双金属柱环材料共烧结界面结合良好，无开裂、分层等缺陷，其界面室温拉伸强度高达346mpa。

对比例1：

本实施方式的钨/钢双金属柱环材料的二阶段粉末冶金制备方法是按如下步骤进行的：

1.钨合金组分质量百分比计为：90％钨、6.3％镍、2.7％铜、1％锡；各组分原材料粒度为1-8μm。

2.将钨合金粉末原料在行星式球磨机中进行机械合金化处理，控制球磨时间为20h，混合均匀，得粉末粒度为1～8μm的钨合金粉末；以30crmnsini2a低合金高强钢棒料为原料，采用真空熔炼气体雾化制粉，经200目筛网过筛得粉末粒度为～50μm的钢粉末，钢粉的松装密度为4.27g/cm³，钢粉的相对密度为55％；

3.在圆筒形石墨模具中按“三明治”形式叠层装填钨合金粉末和钢粉，在热压烧结炉中，热压烧结，以3℃/min的速率从室温直接升温到1180℃，压力10mpa，保温3h，最后随炉冷却到室温，即获得钨/钢双金属层状结构材料。

本对比例所得钨/钢双金属材料为层状结构，且结合界面存在明显分层、开裂缺陷，甚至无法实现钨/钢双金属材料的有效连接。与实施例1相比，这主要是对比例1只采用了热压烧结工艺，首先无法制备钨/钢双金属柱环材料，其次钨合金粉末和钢粉末的相对密度差异太大(钨合金粉的相对密度为30％)，在共烧结过程中由于烧结收缩极不均匀导致结合界面分层、开裂，无法获得良好结合界面的钨/钢双金属材料，图3所示为所制备的钨/钢双金属材料界面区域存在明显的裂纹。

对比例2：

本实施方式的钨/钢双金属柱环材料的二阶段粉末冶金制备方法是按如下步骤进行的：

1.钨合金组分质量百分比计为：90％钨、6.3％镍、2.7％铜、1％锡；各组分原材料粒度为1-8μm。

2.将钨合金粉末原料在行星式球磨机中进行机械合金化处理，控制球磨时间为20h，混合均匀，得粉末粒度为1～8μm的钨合金粉末；以30crmnsini2a低合金高强钢棒料为原料，采用真空熔炼气体雾化制粉，经200目筛网过筛得粉末粒度为～50μm的钢粉末，钢粉的松装密度为4.27g/cm³，钢粉的相对密度为55％；

3.在圆筒形石墨模具中装填钨合金粉末，在热压烧结炉中，热压烧结，以3℃/min的速率从室温升温到800℃，压力10mpa，保温3h，然后随炉冷却到室温，获得相对密度为40％的钨圆柱材料预烧结坯；

4.将钨合金圆柱材料预烧结坯置于圆筒形304号钢制等静压包套中心，在等静压包套内表面与钨合金圆柱材料预烧结坯之间装填钢粉末，在热等静压炉中，进行两步热等静压烧结，先以15℃/min的速率从室温升温到1050℃，压力50mpa，保温1h，然后以3℃/min的速率升温到1180℃，压力140mpa，保温3h，然后以3℃/min的速率冷却到500℃，保温2h，最后随炉冷却到室温，即获得钨/钢双金属柱环材料。

本对比例所得钨/钢双金属柱环材料结合界面无开裂等共烧结缺陷，但界面室温拉伸强度不足170mpa。与实施例1相比，这主要是由于在热压烧结步骤获得的钨圆柱预烧结坯相对密度偏低。此时，钢粉与钨圆柱预烧结坯相对密度之比为55％：40％，等于1.375，其相对密度差异较大，在热等静压共烧结过程中由于烧结收缩不均匀，在共烧结界面区域将产生较大的残余应力，导致钨/钢双金属柱环材料在拉伸负荷作用下其界面静载强度偏低。

对比例3

本实施方式的钨/钢双金属柱环材料的二阶段粉末冶金制备方法是按如下步骤进行的：

1.钨合金组分质量百分比计为：93％钨、5％镍、1.5％铜、0.5％锡；各组分原材料粒度为3-10μm。

2.将钨合金粉末原料在行星式球磨机中进行机械合金化处理，控制球磨时间为15h，混合均匀，得粉末粒度为3～10μm的钨合金粉末；以20crmnti渗碳钢棒料为原料，采用真空熔炼气体雾化制粉，经200目筛网过筛得粉末粒度为～30μm的钢粉末，钢粉的松装密度为3.88g/cm³，钢粉的相对密度为50％；

3.在圆筒形石墨模具中装填钨合金粉末，在热压烧结炉中，热压烧结，以5℃/min的速率从室温升温到950℃，压力8mpa，保温4h，然后随炉冷却到室温，获得相对密度为48％的钨圆柱材料预烧结坯；

4.将钨合金圆柱材料预烧结坯置于圆筒形304号钢制等静压包套中心，在等静压包套内表面与钨合金圆柱材料预烧结坯之间装填钢粉末，在热等静压炉中，进行热等静压烧结，以5℃/min的速率从室温升温到1220℃，压力200mpa，保温3h，然后以5℃/min的速率冷却到600℃，保温2h，最后随炉冷却到室温，即获得钨/钢双金属柱环材料。

本对比例所得钨/钢双金属柱环材料结合界面无开裂、分层等共烧结缺陷，但界面室温拉伸强度不足210mpa。与实施例2相比，这主要是在热等静压步骤中未采用二步热等静压烧结工艺。钨合金粉末与钢粉末共烧结时，需要严格控制其烧结工艺，对比例中以“慢速高压”的升温工艺直接从室温升高到最终烧结温度，在钨合金液相形成温度前共烧结界面生成了大量硬脆相，导致钨/钢双金属柱环材料界面结合强度偏低。