一种钨-钽-镍-钛-钒合金及其制备方法和应用

本发明属于钨合金制备领域，具体涉及一种钨-钽-镍-钛-钒合金及其制备方法与应用。

背景技术：

1、钨(w)最初于十八世纪被人类发现，作为一种战略金属，w因其高密度、高强度、高硬度、优良导电及导热性等特点而被广泛应用于现代工业、国防事业及高科技领。科技的发展对钨的强度和韧性都提出了更高的要求。

2、钽元素的添加可以通过固溶强化的方式有效提升钨合金的性能。钽与钨一样同属于体心立方(bcc)结构，可以和钨无限固溶，钨钽固溶体中形成的有序相可以提高改变钨的对称核结构，增加位错的可动性，提高钨颗粒的性能同时钽的添加可以降低钨在粘结相中的溶解度，起到细晶强化的作用。钒元素的添加可以有效降低w的弹性模量，提高合金的延展性。

3、目前的钨合金体系(w-ni-fe、w-ni-cu)在加入固溶元素后，基体相会与固溶元素形成大量金属间化合物，这些金属间化合物不仅消耗了固溶元素，降低了固溶元素在钨颗粒中的固溶度，且大多金属间化合物为硬脆相，极大的降低了合金性能。使用镍钛作为合金的粘结相，可以使固溶元素有效固溶强化钨颗粒。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足。本发明的第一个目的在于提供一种固溶强化的钨-钽-镍-钛-钒合金。加入钽可以在钨晶体中引入有序相产生固溶强化，同时降低钨在粘结相中的溶解析出产生细晶强化，提高合金强度；通过加入钒，降低w的弹性模量，提高延展性。使用镍钛作为粘结相保证了钽与钒固溶进入钨颗粒产生协同强化作用。

2、本发明的第二个目的是在于提供一种钨-钽-镍-钛-钒合金的制备方法，该方法可以在较低温度下实现合金的致密化，具有工艺流程简单、生产周期短等优点，适合于工业化生产。

3、本发明的第三个目的在于提供钨-钽-镍-钛-钒合金的应用，将其作为原料应用于辐射屏蔽、配重以及大口径动能穿透器的陀螺外缘转子体中，可以大大延长其使用寿命。

4、本发明一种钨-钽-镍-钛-钒合金，所述合金中，钨、钽、镍钛、钒的质量比为120～200:10～40:10～40:2～18。

5、本发明一种钨-钽-镍-钛-钒合金的制备方法，所述合金将钨粉、钽粉、钒粉和镍钛合金粉混合获得混合粉，将混合粉压制成型获得压坯、在真空环境下烧结，即得。

6、作为一种优选的方案，所述钨粉、钽粉、镍钛合金粉和钒粉的质量比为120～200:10～40:10～40:2～18、优选为140～175:12～30:20～30:3～12，进一步的优选为：145～170:15～30:22～28:4～11。

7、在工业上应用时，所述钨粉、钽粉、镍钛合金粉和钒粉的质量比更进一步优选为：150～165:16～28.5:24～26:4.5～10.5。这其中包括钨粉、钽粉、镍钛合金粉和钒粉的质量比为160～164:16～20:18～22:8～12的方案，也包括钨粉、钽粉、镍钛合金粉和钒粉的质量比为150～154:27～28.5:24～26:4.5～5.5的方案。

8、作为最佳有限方案之一，所述钨粉、钽粉、镍钛合金粉和钒粉的质量比为：160～164:16～20:18～22:8～12。这其中包括钨粉、钽粉、镍钛合金粉和钒粉的质量比为：162:18:20:10。

9、作为最佳有限方案之一，所述钨粉、钽粉、镍钛合金粉和钒粉的质量比为：150～154:27～28.5:24～26:4.5～5.5。这其中包括钨粉、钽粉、镍钛合金粉和钒粉的质量比为：152:28:25:5。

10、所述镍钛合金粉末中，镍与钛的质量比为(45～55):(45～55)。

11、本发明一种钨-钽-镍-钛-钒合金的制备方法，该方法是将按设定组分配取的钨粉、钽粉、钒粉和镍钛合金粉混合均匀，获得混合粉，将混合粉通过模压成型获得压坯后真空烧结，即得。

12、本发明制备方法的关键是在于加入了适量的可以与钨实现无限固溶的钽，钨钽固溶体中形成的有序相可以提高改变钨的对称核结构，提高钨颗粒的强度，同时降低钨在基体相中的溶解度，阻碍钨颗粒溶解析出过程，使钨颗粒细化，起到细晶强化作用。添加过多的钽粉对总体的强度没有正面影响，在烧结过程中，钽粉中的氧会被钛吸附生成氧化钛颗粒，破坏粘结相结构，降低合金力学性能。

13、同时加入了可以提高合金延展性能的钒元素，进一步提高的合金的可加工性。微量钒的加入并不影响合金的微观结构与组织均一性。

14、探索发现，在真空手套箱中进行前期的称料工作可以有效减少混料过程中钨与钽的氧化，降低烧结过程中钛的损耗，降低金属件化合物的生成。

15、作为一种优选的方案，所述钨粉为球形粉末，平均粒径为3～5μm，纯度≧99.8％；所述钽粉为球形粉末，平均粒径为3～10μm，纯度≧99.9％；所述铼粉为球形粉末，平均粒径为3～10μm，纯度≧99.9％。本发明所使用的原料均为球形粉末，这是因为球形粉末在同等质量下拥有最高的比表面积，可以提供最高的烧结活性，提高增加元素之间的扩散能力。

16、作为一种优选的方案，所述混合在三维混料机中进行，混合的时间为12～14h。通过三维混料机混合可获得混合均匀的钨钽镍钛钒粉末。

17、混料后，混合均匀的钨钽镍钛钒粉末中，氧的质量百分含量小于等于600ppm。

18、作为一种优选的方案，所述压制成型的方式为模压成型。本发明通过采用模压成型获得可靠的致密压坯。

19、作为一种优选的方案，所述压制成型的方式为模压成型，其成型压力为450mpa-650mpa、优选为480～520mpa，保压时间为5～10s。本发明技术方案中，若模压的压力值过低时粉末压坯边缘不能成型，而压力值过高时压坯会产生分层，因此最高压力不要超过650mpa。

20、作为一种优选的方案，所述烧结时的真空度≦10-3pa；由于钛容易吸氧，在钨-钽-镍-钛-钒合金烧结过程需要严格控制真空度以避免烧结过程中的氧化。

21、作为一种优选的方案，所述烧结过程为：以5～20℃/min的升温速率升温至800～1000℃、优选为850-900℃，保温10～40min；然后以2～10℃/min的降温速率升温温至1100～1200℃、优选为1100-1150℃，并保温60～300min；再以2～10℃/min的升温速率升温至1300～1400℃、优选为1300-1350℃，保温30～90min；最后以5～35℃/min的降温速率降温至室温。本发明的技术方案通过先将合金粉末升温至800～1000℃，使得粉末之间行形成一个初步的烧结颈，另一方面可以稳定炉内温度。进一步的提高烧结温度至1300～1400℃，可以快速实现胚体的致密化。同时在1100～1200℃之间进行保温，可以进一步提高合金组织均匀性、以及合金的力学性能。

22、本发明还提供了一种由上述制备方法得到的钨-钽-镍-钛-钒合金。该钨钨-钽-镍-钛-钒合金由钽元素与钒元素共同固溶强化，无金属间化合物生成，所述合金基体的粒径≦20μm。

23、优选的方案，所述钨-钽-镍-钛-钒合金的抗拉升强度大于等于800mpa(优化后可以大于等于970mpa)，拉伸应变量大于15％。

24、本发明还提供了一种钨-钽-镍-钛-钒合金合金的应用，将其作为原料应用于辐射屏蔽、配重以及大口径动能穿透器的陀螺外缘转子体，不仅可以大大提高其使用寿命，而且大幅拓宽了钽合金的应用范围。

25、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

26、1)本发明的合金体系，使用钽强化钨颗粒，辅以适量的钒改善合金的韧性。两种固溶元素复合添加后，合金的强度与韧性均有着提高。合金的强度随钽元素含量的提升有所提高，但随着钒元素含量进一步的提升，韧性的改变不明显。在两种元素的协同作用下烧结体表现出良好的强韧性。本发明设计的合金可以制备得到970mpa以上的强度的钨钽铼合金。

27、2)本发明通过使用三维混料机加入固溶元素钽并通过模压成型；所设计的合金体系成功实现了在传统烧结模式下对钨的固溶强化。

28、3)本发明提供的钨-钽-镍-钛-钒合金合金可用于辐射屏蔽、配重以及大口径动能穿透器、陀螺外缘转子体等，大幅拓宽了钽合金的应用。