基于93W-4.9Ni-2.1Fe新型高密度钨合金的制备技术与性能研究

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高密度W-Ni-Fe合金是由体心立方(bcc)结构的W相与面心立方(fcc)结构的粘结相组成的双相复合材料,由于具有许多优异的物理和力学性能而被广泛应用在国防军工和民用领域。目前,钨合金的制备方法仍为冷等静压或模压成型后再进行液相烧结。除烧结方式外,合金成分和后处理对钨合金的性能有重要影响。本论文以93W-4.9Ni-2.1Fe合金为对象,通过添加纳米Al2O3/ZrO2陶瓷相和金属Co来制备新型高密度钨合金,并对其进行形变处理或渗碳-循环热处理,研究不同成分和后处理方式对钨合金的显微组织、成分分布、力学性能和磨损性能的影响。采用液相烧结(1520℃保温90 min)和固溶淬火(1200℃保温60 min)制备了纳米Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒增强的高密度钨合金(陶瓷相含量为0 wt%3 wt%)。钨合金的致密度与拉伸性能随陶瓷相含量的增加而降低,致密度从99.1%下降至98.2%,抗拉强度和延伸率分别由944 MPa与24.3%下降至705 MPa与2.9%,合金的断裂方式由W晶粒穿晶解理断裂为主转变为W-W界面断裂为主。相反地,合金的室温压缩屈服强度和硬度随Al2O3/ZrO2陶瓷相含量的增加而增加,分别从未添加时的743 MPa和298 HV提高至843 MPa和350 HV(陶瓷相含量为3 wt%)。摩擦磨损实验表明,随纳米陶瓷相含量的增加,钨合金的摩擦系数变化不大,基本维持在0.50.65之间,磨损机制由粘着磨损与磨粒磨损共同作用转变为磨粒磨损为主,当Al2O3/ZrO2含量大于1 wt%时,钨合金的磨损量有所下降。采用固溶淬火处理不同Co含量(0 wt%1.5 wt%)的93W-4.9Ni-2.1Fe合金(1480℃保温60 min)。合金的致密度与拉伸性能随Co含量的增加而增加,当Co含量为1.5 wt%时,合金的抗拉强度和延伸率达到最高值,分别为985 MPa与31%。合金的室温压缩屈服强度和硬度对Co含量不敏感。对93W-4.2Ni-1.8Fe-1Co合金进行0%30%变形量的旋锻处理,合金的抗拉强度、室温压缩屈服强度和硬度均随变形量的增加而增加,在30%的旋锻变形量时分别达到1403 MPa、1438 MPa、491 HV。然而合金的延伸率却随变形量的增加急剧下降。采用渗碳-循环热处理一体化技术对93W-4.9Ni-2.1Fe、93W-3.85Ni-1.65Fe-1.5Co和92.07W-4.85Ni-2.08Fe-1(Al2O3/ZrO2)合金同时进行表面硬化和芯部增韧处理。结果表明:三种合金经渗碳-循环热处理后总渗碳层均由最外层WC层和次表层芯壳层组成,93W-4.9Ni-2.1Fe合金与92.07W-4.85Ni-2.08Fe-1(Al2O3/ZrO2)合金生成的三元碳化物为Ni2W4C与Fe6W6C,而93W-3.85Ni-1.65Fe-1.5Co生成的三元碳化物为Ni2W4C与Co2W4C。随循环次数的增加(020次),三种合金的弯曲强度均呈下降趋势,渗碳层的断裂方式以碳化物断裂和碳化物与W颗粒界面断裂为主;合金的显微硬度得到显著提高,表面硬度最高达1050 HV左右。当热处理循环次数为5次左右时,合金具有较好的综合力学性能。
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