鉬及鉬合金的冶煉技術現狀及研究進展

李 紅

（金鉬股份金屬分公司，陜西 西安 710077）

眾所周知，鉬是十分重要的戰略性稀有金屬物質。鉬及其合金制品其自身具備熔點較高、抗溫強度大、蠕變速度慢、膨脹級別小、導熱導電以及抗蝕性較強等特點，其被作為高性能材料被廣泛使用。但是因為鉬低也具有溫脆性大的缺陷影，所以怎樣提高鉬的高溫性能而且進一步提高其綜合性能是開拓其使用領域的重點[1，2]。

1 鉬及鉬合金冶煉技術研究的基本狀況

近幾年具相關研究表明，以氫氟酸代替鈦元素作為鉬合金的填充元素，制成的鉬-氫氟酸-碳系以及鉬-氫氟酸-鋯-碳合金系列，所得的反應物HfC要比TiC更容易達到強化的效果，使得鉬合金的性能得到改善與提高。此外，能使基體固溶體的大量合金化產生的強化效果和少量元素碳化物的彌散強化作用較好融合，有關科研人員研制出一種具備較好綜合性能的鉬-鎢-氫氟酸-碳系列以及鉬-鎢-氫氟酸-鈦-碳系列合金，它們自身的強度以及硬度更優秀，耐高溫性能良好，而且可以抵抗高溫使用只用產生的室溫脆性問題，但是此類新型的鉬合金制品依然不夠不夠成熟。有大量研究結果證實，依據鉀泡原理制成的摻和硅元素、鋁元素、鉀元素或是鉀硅高溫鉬合金，它們的再結晶溫度相比純鉬而言，能夠提升到673.15開氏度，而且再結晶之后形成的是大晶粒組織，并不是之前的等軸組織，與此同時它的高溫抗拉強度以及高溫蠕變性能等方面改善較為明顯，也是當下高溫性能最優秀的鉬合金。

2 TZM合金頂頭的試驗案例分析

2.1 TZM合金頂頭的試驗情況

（1）摻雜量 ：Ti：151g/30kg ；Zr：35g/30kg； C ：6g/30kg

（2）V型混料機：抽真空混料8小時。

（3）混料結束后，篩分325目。

（4）采樣編號：TZM150V1114

（5）用￠90鉬棒的膠套經壓制燒結后，經鍛造機加工為￠54*145mm的鉬頂頭，主要添加元素見下表。

TZM合金粉及燒結鉬棒化驗結果

由化驗結果可以看出，C作為添加元素在燒結過程中流失嚴重，這也導致了在鉬頂頭在穿管過程中，磨損嚴重壽命較短；雖然該TZM鉬頂頭是經過鍛造的，其密度已達到10.1g/cm3，但是耐磨度低，在使用過程中與鋼管的磨損大，導致鋼管內壁光潔度不高。使用壽命也大大降低，只有正常鉬頂頭使用壽命的1/5。

2.2 TZC合金頂頭試驗過程

（1） 摻 雜 量 ：Ti：367.5g/30kg； Zr：91.8g/30kg； C：153g/30kg

（2）V型混料機：抽真空混料8小時。

（3）采樣編號：TZC1-1204.

（4）化驗結果見表。

（5）壓制燒結后直接進行機加工，未經鍛造。

TZC合金粉及燒結鉬棒化驗結果

此次燒結TZC合金時，除碳元素少量損耗外，其他添加元素在燒結過程中未出現流失，此次試驗的鉬頂頭的穿管壽命為標準要求的70%左右，最終應因疲勞斷裂失效。

2.3 稀土強化TZC合金頂頭試驗過程

（1） 摻 雜 量 ：Ti：450g/30kg； Zr：100g/30kg； C ：200g/30kg CeO2：500g/30kg

（2）V型混料機：抽真空混料8小時。

（3）采樣編號：TZC-0204.

（4）化驗結果見表。

（5）壓制燒結后直接進行機加工，未經鍛造。

稀土強化TZC合金粉及燒結鉬棒化驗結果

經客戶使用此次燒結的稀土強化TZC合金鉬頂頭，其穿管壽命為標準要求的120%左右，最終失效形式為磨損失效，產品質量優于市場平均水平。

2.4 試驗小結

由試驗結果可看出，隨著碳元素的增加，鉬頂頭壽命是隨之增長的；此外由于稀土元素CeO2的加入，產品壽命是得到明顯提高，其主要原因如下：

（1）CeO2主要以纖維狀存在與鉬合金中，其塑性變形均勻，減輕了位錯塞積，從而延緩裂紋形核過程因而塑性高

（2）CeO2細化晶粒的能力較其他稀土元素強（Y203、La2O3）強，相同雜質濃度下，單位晶界面上雜質含量少，彌散強化程度高,對合金的硬度提高較大。

（3）根據曾建輝研究結果表明：稀土元素的添加總量在1.5%左右時，對合金的復合強化效果達到最佳,可減少了裂紋和墩粗等早期破壞現象。

3 鉬及鉬合金冶煉技術的發展趨向

3.1 鉬金屬粉末的冶金技術發展

第一，超精細鉬粉的冶金技術。對其技術的研究，可以制成鉬粉的手段主要有以下幾種：①蒸發狀態MoO3的還原法，這種方法主要是把三氧化鉬的粉末承裝在鉬舟之上，使其存在溫度達到1573.15開氏度至1773.15開氏度的預熱爐中，讓它蒸發直至氣態，在H2N2氣體與氫氣的混合氣流的夾雜下，三氧化鉬蒸氣進入其反應區，發生還原反應使其成為超細鉬粉。此種方法能夠獲取粒徑為4.0×10-5毫米至7.0×10-5毫米的均勻球狀顆粒鉬粉末，可是其工藝參數的控制比相對困難，因為其中三氧化鉬-氮氣和氫氣-氮氣氣流的混合溫度和其中的三氧化鉬成分，它們對于粉末粒度的影響都很大。②鉬粉活化還原的方法。此法使用七鉬酸銨作為原料，在氯化銨的催化作用下，在還原過程中形成超細鉬粉，在還原過程中使得氯化銨被充分揮發。使用此種方法相比傳統方法而言，其還原所需溫度可以降低約573.15開氏度至673.15開氏度，并且僅僅只使用一次還原工藝。該法制成的鉬粉末平均粒度為0.1微米，其具有較好的燒結性能。③等離子氫的還原方法。使用混合等離子反應設備把高壓的直流電弧噴射于高頻等離子的氣流之上，進而產生一種混合等離子氣流，借助等離子蒸氣使其還原，能夠得到初始階段的超細鉬粉。還能由機械合金化法、冷氣流粉碎法，超高強度超聲波法、封閉循環式氫還原法等方法僅僅只是具有一定的實驗研究價值。

第二，新型鉬的成型技術發展。①動磁壓制技術。對于動磁壓制來講其工作原理的是，把鉬粉末放在一個具有導電性的護套里，再將其放置在高強磁場線圈的中心部分。其電容器所產出的電可以在數微秒內對線圈釋放高脈沖的電流，可以讓線圈內形成一定的磁場，接下來就能使感應電流在套內產生，而感應電流以及施加磁場之間會產生相互作用，能夠產生自外向到壓縮護套的磁力，可以讓鉬粉末可以得到二維壓制。而且整個過程不到1微秒。對于傳統的模壓技術而言，動磁壓制技術在工件壓制密度方面效果更好，并且其工作條件更具有靈活性，可以不再使用潤滑劑以及粘結劑，只一點十分有利于環?！，F階段動磁壓制的應用逐步走向工業化階段，而且動磁壓制系統已經處在試運行階段。②WFC技術。WFC技術也就是流動溫壓技術，這種技術基本的操作原理是：把常規粒度的粉末中添入一定含量的微細粉末以及所需的潤滑劑，從而能夠在很大程度上大提高混合粉末的流動程度、填充性能，在溫度處于353.15開氏度至403.15開氏度的情況下，可以在傳統的壓機上較為精密的成形具備繁瑣幾何外形的零件。③溫壓技術其工藝過程是在溫度達到413.15開氏度左右，把原料粉末以及高溫聚合物潤滑劑組合形成的粉末放進模具型腔內，進而進行壓制可以得到高致密度的壓坯。

4 結語

總的來講，鉬金屬及其合金制品的使用途徑十分廣泛、發展潛力巨大。在未來的應用領域也會不斷的擴充，鉬及鉬粉的冶金技術也會得到進一步的提升。鉬是一種不可再生資源，所以更要珍惜而且要綜合高效的利用，使其在社會發展中發揮更大的作用。