W-Re高比重合金的SPS燒結

王 松，謝 明，張吉明，陳宏燕，胡潔瓊，楊有才，陳永泰，劉滿門，崔 浩

（昆明貴金屬研究所 稀貴金屬綜合利用新技術國家重點實驗室，云南 昆明 650106）

高比重鎢合金具有熱膨脹系數小、抗蝕性和抗氧化性能好、導電導熱性能好，強度高、延性好、抗沖擊韌性好等優異性能，常用作穿甲彈材料、裝甲材料、屏蔽材料和電接觸材料，廣泛應用于軍事、電子、機械和冶金等領域［1-3］。Mclennan和Smithells于1935年首次用粉末冶金液相燒結法研制出W-Ni-Cu合金，并用作鐳射線的屏蔽材料［4］。此后，為了提高高比重鎢合金材料的性能和擴大高比重鎢合金的應用領域，國內外材料研究者在鎢合金的原材料選擇、制備工藝與技術等方面作了大量的研究。對鎢合金材料進行組元與成分的設計，利用現代粉末冶金新技術來制備高比重鎢合金，從而改善或提高其性能，成為近年的研究熱點［5-9］。

20世紀90年代發展起來的基于脈沖電流燒結原理的放電等離子燒結技術（Spark Plasma Sintering，簡稱SPS），是集等離子活化、熱壓和電阻加熱為一體，具有升溫速度快、燒結時間短、冷卻迅速、晶粒均勻、材料致密度高、外加壓力和燒結氣氛可控等特點的一種新型的快速燒結技術［10］。對于高性能高比重材料的制備，SPS具有重要的實際意義。本文采用SPS燒結來制備W-Re高比重合金，主要介紹在燒結溫度為1 800℃，燒結壓力為40MPa，保溫時間為5min的工藝條件下，W-Re高比重合金的顯微組織與性能。

1 實驗

1.1 原料準備

實驗中采用W粉（純度≥99.5％）和Re粉（純度≥99.0％），粉末按照一定的配比進行混合，如表1所示。把稱好的合金粉末放入不銹鋼球磨罐中，磨球為不銹鋼球，以球料比10∶1，名義轉速500r/min條件下低能球磨粉末24h。實驗中所采用W粉的平均晶粒尺寸約為10μm，Re粉的平均晶粒尺寸約為20μm。

表1 實驗樣品的成分配比 w/％

1.2 SPS燒結過程

稱取預制好的W-Re合金粉末置于?20mm石墨模具中，在日本住友石炭公司制造的SPS-3.2-MV型燒結系統進行燒結，達到致密化。試樣在溫度為1 800℃的真空條件下放電等離子燒結：升溫速率為200℃/min，保溫時間為5min，燒結時最大壓力為40MPa。

1.3 性能測試

用阿基米德排水法測定試樣的密度，用BS210S型電子天平稱量試樣的質量。在LEICA DM4000M型金相顯微鏡下觀察試樣的金相組織、晶粒大小。利用日本島津HMV-FA2型維氏硬度計測定試樣的硬度，取3點算術平均值。

2 結果與分析

2.1 燒結后的相對密度及硬度

圖1所示為燒結后W-Re合金的相對密度圖。從圖中可以看出：在燒結溫度為1 800℃，燒結壓力為40MPa，保溫時間為5min的條件下，隨著Re含量的升高，W-Re合金的相對密度先增加后減少。當Re含量達到30％時，合金的相對密度達到94.09％。W-Re合金在本實驗條件下可達到大于93.64％的致密度。但由于保溫時間較短，W、Re原子在基體中的擴散不充分，因而在1 800℃的燒結溫度沒有獲得全致密的高密度W合金。只有延長燒結保溫時間，或者繼續升高燒結溫度到一定范圍，或者采用高強模具以提高實驗外壓，充分致密的高比重W-Re合金才可望獲得。

圖1 W-Re合金試樣的相對密度

利用HMV-FA2型維氏硬度計測定試樣的硬度，在1.961N的載荷，保壓時間10s的條件下，測量到的W-Re合金的維氏硬度如圖2所示。

圖2 W-Re合金試樣的硬度

圖2可見，W-Re合金試樣的維氏硬度隨著合金中Re含量的增加而提高。由W-Re二元相圖知，同為體心立方晶體結構的W、Re可形成無限固溶體，Re原子取代位于W晶體中點陣結點上的W原子，造成點陣畸變，從而增加位錯運動的阻力，起到固溶強化作用。隨著Re含量的增加，在SPS燒結過程中，更多的Re原子有機會進入到W基體中替代W原子，造成更多的點陣畸變，從而達到更大的強化效果，使合金硬度不斷增加。

2.2 燒結后樣品的金相組織分析

圖3～5分別為不同鎢錸比例試樣經SPS燒結后的金相顯微組織照片。從圖3可以看出，鎢基體上均勻分布著Re顆粒。W、Re顆粒細小，基本保持了原始粉末晶粒粒度、分布均勻，沒有出現異常晶粒長大，也沒有明顯的團聚、偏析。但由于保溫時間偏短，燒結溫度偏低，仍可以觀察到有小孔隙存在。圖3、圖4中黑色Re顆粒彌散分布于W基體中，這與圖5不同，后者通過燒結已形成多晶組織，產生固溶體，而不是簡單的粉末顆粒復合物。

圖3 W-10％Re金相形貌圖（×200）

圖4 W-30％Re金相形貌圖（×200）

圖5 W-50％Re金相形貌圖（×200）

3 結論

（1）采用放電等離子燒結技術，可實現W-Re高比重合金的低溫固相燒結。

（2）在溫度為1 800℃、保溫時間為5min、壓力40MPa，真空度約為1Pa工藝條件下，SPS燒結的W-Re合金顯微組織均勻、晶粒細小，相對密度大于93.64％。

（3）SPS燒結W-Re合金的硬度可達到Hv700～1 300，硬度較高除Re原子的固溶強化作用外，SPS制備材料晶粒組織細小，細晶強化也是一個重要因素。

［1］鄒惠蘭.鎢基重合金的研究與應用現狀［J］.湖南冶金，1997，（2）：60-64.

［2］范景蓮，劉 濤，成會朝，等.鎢基合金穿、破甲材料的研究進展［J］.中國鎢業，2007，22（1）：25-26.

［3］黃勁松，周繼承，劉文勝，等.鎢基高比重合金的燒結［J］.粉末冶金材料科學與工程，2003，8（1）：34.

［4］朱桂森.高比重鎢合金［J］.稀有金屬材料與工程，1988，17（1）：34-41.

［5］馬國剛.燒結時間對W-Ni-Fe重合金的組織結構及性能影響的研究［J］.兵器材料科學與工程，2001，24（5）：31.

［6］趙慕岳，范景蓮，王伏生.我國鎢基高密度合金的發展現狀與展望［J］.中國鎢業，1999，14（5/6）：38-43.

［7］Kemp P B，German R M.Mechanical Properties of Molybdenum Alloyed Liquid Phase Sintered Tungsten Based Composites［J］.MetallurgicalMaterials Transaction（A），1995，26（8）：2187-2189.

［8］范景蓮，劉 濤，成會朝.中國鎢基合金的進步與發展［J］.中國鎢業，2009，24（5）：99-106.

［9］唐新文，羅述東，易健宏.近十年高密度鎢合金的研究進展［J］.粉末冶金工業，2003，13（4）：27-30.

［10］張久興，劉科高，周美玲.放電等離子燒結技術的發展和應用［J］.粉末冶金技術，2002，20（3）：129-133.