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难熔金属钨因具有良好的导热、导电性能,膨胀系数低、高温强度高、低蒸汽压和耐磨、耐腐蚀等特性而在冶金、电子、航空和宇航工业、核工业以及化学工业等领域有着广泛的应用。由于难熔金属熔点高、硬度大,钨板生产通常采用粉末冶金法。但是,由于受粉末冶金工艺本身的限制,制得的坯锭纯度较低;不够致密,孔隙度大,没有较好的加工塑性,在轧制过程中容易出现钨板分层、开裂等问题;而且钨锭尺寸较小,难以得到较薄、较大的板材。化学气相沉积法可以解决上述问题,而且,它可以大大缩短流程,由化合物直接制成制品而无需经过还原制粉、压制成坯、烧结致密化和加工成材等一系列过程。因此,采用化学气相沉积的方法制备可变形钨锭,再进行轧制是制备钨板的一种短流程新工艺。
在本研究工作中,成功的研制出热丝开管气流化学气相沉积实验装置;以WF<,0>6和H<,2>为源气体,采用化学气相沉积法,制备出高质量的难熔金属钨锭;分析了工艺参数对钨沉积层组织、结构、纯度和性能的影响,并优化工艺;对钨锭进行轧制处理,研究其在轧制变形中组织性能变化,以及影响其热轧性能的因素;比较粉末冶金和化学气相沉积钨板工艺及性能。
采用化学气相沉积法,在500℃~900℃均能沉积出钨涂层。沉积层组织结构受沉积温度和源气体中WF<,6>与H<,2>比例的影响。随沉积温度增加,源气体中氢气比例加大,沉积层显微组织由柱状晶向树枝晶及杂乱组织方向变化。同时,密度和硬度逐渐降低。沉积温度及反应气体成分配比变化对于沉积膜层成分影响不大,不同工艺参数下,均可以获得具有高纯度的钨沉积层。由此确定,在钨基体上以化学气相沉积钨锭的最佳工艺参数是:沉积温度为600℃,反应气体成分配比应为WF<,6>:H<,2>=2g/min:1~2L/min。在此工艺条件下,化学气相沉积方法制备钨锭速度可以达到2mm/h,WF<,6>气体利用率可以达到62.04%,沉积层有很高的纯度(>99.7%)和密度(>19g/cm<'3>),沉积层的硬度可达450HV,沉积层厚度均匀、沉积层表面平整光滑。
轧制工艺之前对钨锭进行退火处理,退火温度为1 350℃,保温时间为1h。经过轧制加工后,钨锭发生塑性变形,柱状晶有序排列被破坏,组织择优取向逐渐减弱。钨板粗糙度降低,密度和硬度均有所提高。轧制钨板的质量受钨锭形貌影响,钨锭粗糙度越小,厚度越均匀,轧制工艺成功率和成品的表面质量越高;钨锭可采用间断沉积法制备,这种多层柱状晶组织对塑性无明显影响,具有良好的轧制性能。CVD钨锭轧制第一道加工率应控制在50%以内,以后逐道递减。与传统粉末冶金相比,采用化学沉积方法工艺简单,工序较少;得到的钨锭,纯度较高,非常致密,硬度高,能够进行轧制处理获得高质量钨板,而且成品率较高;轧制变形过程中,当厚度压下量相等时,材料的宽展和延伸远远大于多孔材料,这为制备大尺寸钨板及减少加工道次提供了有利条件;材料在轧制过程中的断裂形式主要有:裂边、表面横向裂纹和层裂。裂边、表面横向裂纹在两种钨锭轧制中均有体现,而层裂在CVD钨锭轧制中未发现。
化学气相沉积法制取钨制品具有工艺简单、稳定、制品纯度高、致密、形状任意等优点,此技术为钨板以及其它难熔金属和合金的板材生产提供了新途径,具有广泛的应用前景。