一种钴增强W-Ni3Al合金及其制备方法

本发明涉及钨合金及其制备，具体涉及一种钴增强w-ni3al合金及其制备方法。

背景技术：

1、钨合金因具有高密度、高强度、高熔点、良好的耐磨性、良好的加工性以及高辐射吸收等特性在石油钻井、航空航天、医疗、国防军工等领域得到应用。尤其是在国防军工领域，与贫铀合金穿甲弹相比，钨合金作为穿甲弹弹芯材料具有对环境无污染的优点。然而，就目前所用的钨合金穿甲弹弹芯材料w-ni-fe合金来说，因其绝热剪切性不敏感，在穿甲过程容易形成蘑菇头，导致穿甲侵彻能力降低。一般而言，绝热剪切效应与材料的强度、硬度、导热系数以及晶粒尺寸密切相关。具体而言，强度越高、硬度越大、钨晶粒越细、导热系数越低的材料越容易形成绝热剪切带进而表现出优异的破甲能力。ni3al金属间化合物有与贫铀合金相近的热导率和更低的热扩散系数，预示了其具有类似于贫铀合金的绝热剪切性。同时，ni3al的屈服强度在峰值温度以下具有正温度效应，当温度超过峰值温度后材料迅速软化，这种效应有助于引发热剪切行为，当作为穿甲弹头使用时，因具有自锐性而不会降低其穿透深度，因此w-ni3al合金在制造动能穿甲弹方面具有一定的竞争力。然而，目前所制备的w-ni3al合金的强度和硬度较低且钨晶粒尺寸较大，这远远不能满足动能穿透器对钨合金性能的要求，因此如何制备出具有优良综合力学性能的细晶w-ni3al合金是摆在研究者面前的一个重要课题。

2、为了适应现代先进民用工业和国防工业等尖端领域对高性能钨合金的应用要求，国内外研究学者致力于通过开发新技术尤其是强化技术，如强化辅助烧结、形变强化以及后续热处理等改善钨合金的性能。而目前这些技术均侧重于单一的强化手段。同时，相较于以上诸多强化方式，添加合金元素是一种简单有效的方法，特别是微量合金元素的添加。目前研究最多的是稀土合金化提高钨合金的性能，但是稀土元素的低可用性和高成本限制了它的应用。所以，研究选用其他合金元素微量添加于钨合金之中且能够产生多种耦合强化效果，同时不经过后续热处理即可大幅提高钨合金力学性能对降低原料成本和能源消耗是十分有必要的。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题在于提供一种钴增强w-ni3al金的制备方法，本申请制备的钨合金具有钨晶粒细小、相对密度高、强度和硬度高等优点，合金综合力学性能较以往研究得到了明显改善。

2、有鉴于此，本申请提供了一种钴增强w-ni3al合金的制备方法，包括以下步骤：

3、a)将ni3al粉进行高能球磨，干燥后过筛，得到薄片状ni3al粉末；

4、b)将钨粉、钴粉和所述薄片状ni3al粉末进行混料，得到均匀混合复合原料粉末；

5、c)将所述复合原料粉末进行快速烧结，得到钴增强w-ni3al合金。

6、优选的，所述复合原料粉末中，所述钨粉的含量为83.5～95wt％，所述钴粉的含量为0.1～1.5wt％，所述薄片状ni3al粉末的含量为4.9～15wt％。

7、优选的，所述高能球磨具体为：首先在300r/min以下转速进行1～15h的低速球磨，而后在300r/min以上转速进行0.5～10h的高速球磨的两步球磨。

8、优选的，所述高能球磨的球料重量比为5～30:1。

9、优选的，所述高能球磨的控制剂选自硬脂酸、氯化钠、无水乙醇的一种或多种，所述高能球磨在保护气氛下进行，所述保护气氛为氩气或氮气。

10、优选的，所述过筛的筛网的目数为800～2800目。

11、优选的，所述混料是将钨粉、钴粉、所述薄片状ni3al粉末和磨球放入球磨罐中，不加磨球或球料比不超过5:1，转速不超过400r/min下混料2～12h。

12、优选的，所述烧结采用放电等离子烧结法，所述放电等离子烧结法的烧结温度为1150～1300℃，烧结压力为30～50mpa，升温速率为50～300℃/min，保温时间为1～30min，烧结真空度＜30pa。

13、优选的，所述ni3al粉末的平均粒径≤40μm，纯度≥99％；所述钨粉的平均粒径≤4μm，纯度≥99％；所述钴粉的平均粒径≤1μm，纯度≥99％。

14、本申请还提供了一种钴增强w-ni3al合金，由上述所述的制备方法所制备的钴增强w-ni3al合金。

15、本发明提供了一种钴增强w-ni3al合金的制备方法，其首先利用高能球磨制备出的薄片状ni3al粉末。接下来通过混料，得到含有钨粉、薄片状ni3al粉及钴粉的均匀复合原料粉末；最后将复合原料粉末进行烧结，即得到了钴增强的细晶w-ni3al合金。本发明提供的钴增强w-ni3al合金的制备方法中钴粉添加量很少，烧结温度较低，烧结时间较短，因而相对常规方法，合金的综合制备成本较低。本发明通过高能球磨预处理粘结相ni3al过程中，粉末从近球状逐步变成薄片状的同时，也可向粉末中引入大量空位和位错等缺陷，这些都不但有利于后续钨合金的较低温致密化烧结，而且也有利于后续烧结过程中钴元素与粘结相之间进行互扩散形成(ni,co)3al4固溶相。对于微量钴元素的添加，一方面，合金中钴的存在导致了(ni,co)3al4固溶相的生成，可对合金进行固溶强化；另一方面钴与钨、铝之间也生成了co3(al,w)沉淀相，可对合金进行沉淀强化。此外，在制备过程中原位生成的al2o3相可以对合金进行氧化物弥散强化。因此，在多种耦合强化机制下使得制备出的微量钴添加w-ni3al合金在室温表现出优良的强度和硬度。

16、进一步的，本申请优选采用放电等离子烧结法，在放电等离子烧结过程中，高升温速率可以促进合金在较短时间内完成致密化，而由表面扩散引起的晶粒粗化被最小化，从而使晶粒的生长被抑制，使得钨合金的晶粒更加细小，有利于提高钨合金的力学性能。

技术特征：

1.一种钴增强w-ni3al合金的制备方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复合原料粉末中，所述钨粉的含量为83.5～95wt％，所述钴粉的含量为0.1～1.5wt％，所述薄片状ni3al粉末的含量为4.9～15wt％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高能球磨具体为：首先在300r/min以下转速进行1～15h的低速球磨，而后在300r/min以上转速进行0.5～10h的高速球磨的两步球磨。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高能球磨的球料重量比为5～30:1。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高能球磨的控制剂选自硬脂酸、氯化钠、无水乙醇的一种或多种，所述高能球磨在保护气氛下进行，所述保护气氛为氩气或氮气。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述过筛的筛网的目数为800～2800目。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混料是将钨粉、钴粉、所述薄片状ni3al粉末和磨球放入球磨罐中，不加磨球或球料比不超过5:1，转速不超过400r/min下混料2～12h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结采用放电等离子烧结法，所述放电等离子烧结法的烧结温度为1150～1300℃，烧结压力为30～50mpa，升温速率为50～300℃/min，保温时间为1～30min，烧结真空度＜30pa。

9.根据权利要求1～8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述ni3al粉末的平均粒径≤40μm，纯度≥99％；所述钨粉的平均粒径≤4μm，纯度≥99％；所述钴粉的平均粒径≤1μm，纯度≥99％。

10.一种钴增强w-ni3al合金，由权利要求1～9任一项所述的制备方法所制备的钴增强w-ni3al合金。

技术总结
本发明提供了一种钴增强W‑Ni3Al合金的制备方法，包括以下步骤：将Ni3Al粉进行高能球磨，干燥后过筛，得到薄片状Ni3Al粉末；将钨粉、钴粉和所述薄片状Ni3Al粉末进行混料，得到复合原料粉末；将所述复合原料粉末进行烧结，得到钴增强W‑Ni3Al合金。本发明采用微量的钴粉作为添加剂，通过高能球磨和快速烧结制备了钴增强W‑Ni3Al合金，具有原料成本低、工艺简单高效等特点；结果表明，本发明提供的方法能够在低于粘结相Ni3Al熔点温度下制备出力学性能优良的细晶钨合金。

技术研发人员：向道平,胡璐璐,毛瑞鹏
受保护的技术使用者：海南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12