钨合金新技术、新材料及其理论与应用

   现代国防军工领域的先进武器装备对钨合金材料提出了更高要求，要求钨合金具有更高的性能和更多的功能。近年来，国内外研究者围绕组织细化、形变强化、异形件成形加工技术以及钨合金局部绝热剪切性开展了深入的研究，获得了钨基合金制备的新理论，开发了多种钨基合金制备新技术和新材料并拓展了钨基合金的新应用。

2.1超细/纳米钨基复合粉末制备技术与理论超细/纳米钨基复合粉末不仅有助于改善粉末的烧结特性，提高钨合金的致密度，而且还能细化合金组织，改善组织均匀性，提高钨基合金的性能。近年来，中南大学等相继研究开发了机械合金化、喷雾干燥法和溶胶-凝胶法制备超细、纳米钨基复合粉末新技术。针对机械合金化过程中易于产生球磨夹杂，发展了多组元过程控制剂的多相膜机械合金化原理方法，利用有机物在粉末颗粒表面形成多相膜而产生的空间位阻效应避免粉末颗粒接触而团聚，细化粉末颗粒，同时减少球磨杂质。利用机械合金化时元素粉末颗粒之间的高速碰撞,粉末颗粒之间不断发生冷焊撕裂从而加速原子间的扩散，并形成超饱和固溶体和非晶相，粉末成分达到超均匀分布，在烧结过程中，粉末中形成的超饱和固溶体和非晶相会促进固相烧结并达到近全致密化。与此同时，针对机械合金化粉末成形性非常差的难题，研制开发了溶胶-喷雾干燥-多步氢还原技术制备超细/纳米钨基复合粉末原理和技术。利用低分子有机物在胶体粒子表面产生的空间位阻效应和溶胶体粒子的静电位阻效应构成的协调稳定机制对胶体粒子进行均匀分散，实现元素成分的原位复合与粉末颗粒超细/纳米化，粉末颗粒呈球形或近球形，粒度在200nm以下，晶粒度在50nm以下，具有良好的流动性、成形性以及烧结特性，解决了机械合金化复合粉末成形性差以及注射成形装载量低的问题[30]，同时还根据纳米钨基复合粉末的烧结特性，建立了纳米钨基复合粉末的固相烧结理论，解决了钨基复合材料液相烧结易变形的问题[31]。以上成果已形成了具有独立知识产权的制备技术体系，获多项国家发明专利，目前制备技术已达到国际先进水平。

2.2细晶钨合金制备技术及其局部绝热剪切性超细/纳米钨基复合粉末由于粉末的高比表面活性、原子的原位复合导致快速的原子扩散以及相反应，致使粉末区别于传统混合粉末的液相烧结致密化特性，而在较常规烧结温度100~200℃的低温下固相烧结可达到近全致密化，对于MA粉末在1300~1400℃烧结密度达到99%以上，溶胶-喷雾干燥粉末则在固相烧结发生近全致密化的温度比MA粉末还要降低100℃以下，合金中钨晶粒在3~5μm之间[32]。但固相烧结钨合金的钨晶粒呈多角形而延性低，在液相烧结时由于加倍的溶解与析出导致液相烧结钨晶粒快速长大，达不到晶粒细化的效果。针对这点，中南大学研究开发了纳米复合-微量稀土-瞬时液相烧结细晶钨合金的制备新技术，利用微量稀土在晶界和黏结相的分布降低钨颗粒在液相中的溶解与析出，从而实现钨晶粒细化，晶粒度达到3~6μm，烧结态合金的拉伸强度达到1150MPa,延伸率在20%以上。采用这种方法制备的细晶钨合金最大的特点是在较低的应变率(1900s-1)下形成了宽度为10~25μm细长的局部绝热剪切带，且剪切带区域的钨颗粒发生了剧烈形变并呈现纤维状结构，表现出强烈的局域失稳特性和较强的扩展能力，使其在制备新一代高毁伤性动能穿甲弹弹芯材料方面具有广阔的应用前景。

2.3细晶W-Cu材料制备技术
利用纳米原位复合所导致的元素成分超均匀化分布和快速的原子扩散与反应，传统两相不相溶的W-Cu假合金差的烧结特性可以大大改变，采用低温直接烧结可以获得烧结致密度高、导电导热性优良和力学性能优异的细晶W-Cu复合材料，在高性能结构材料和功能材料上有很好的应用。近年来，中南大学研究开发了高效毁伤细晶钨铜药形罩，比目前紫铜材料破甲威力提高18%以上，达到了国际先进水平，该技术目前已获得5项国家发明专利。此外，还制备了高导电、高导热的细晶W-10Cu、W-20Cu、W-30Cu等系列电子封装材料，致密度达到99%以上，其导电率分别达到：W-30Cu30mS/mm，W-20Cu24.3mS/mm，W-10Cu18.5mS/mm。

2.4大变形热压力复合变形强化技术
为了大幅度提高钨合金的综合力学性能，近年来中国对静液挤压和热轧等大变形热压力复合变形强化技术做了大量的研究工作。热静挤压技术是在比较高的温度环境下进行，工作介质处于熔融状态形成良好的动力润滑层，在极高的三向压应力状态下，钨合金材料内部组织中的固有微裂纹随挤压过程进行而不断地发生愈合,最终使材料内部缺陷减少而起到形变强化的效果。W-Ni-Fe合金经热静液挤压大变形强化后，显微组织呈现纤维状化，强度可得到明显提高，变形量达75%时抗拉强度在1500MPa以上，且性能均匀性好，长径比可达20～40，材料利用率达85%～95%[33]，其应用于新型大口
径、大长径比、高强韧钨合金穿甲弹弹芯材料具有很大的潜力。钨铜合金采用热静液挤压大塑性变形后，密度可达近全致密，由于在变形过程中发生了颗粒间的扩散和焊合，其强度、硬度和电导性得到很大改善。将W-Cu38烧结坯经热静液挤压变形后，其相对密度可达99.8%，导电率达到41～48m·Ω-1·mm-2，硬度达HB173～176。

钨合金的热轧技术是近年来出现的一种新型钨合金成形加工技术，它是通过在加热条件下进行塑性变形，采用中间退火工艺消除加工硬化，经过多次轧制，使显微组织得到有效细化甚至呈现纤维状结构，最后得到所需尺寸和性能要求的钨合金材料。目前，该技术广泛应用于将钨合金材料通过大变形轧制加工成薄材、薄片制品，使本身脆性高而难以进行塑性加工和成形的钨合金或纯钨实现了变形强化处理以及大尺寸零部件的成形，特别是在制备一维尺寸较大的钨合金板材方面具有其他技术无法比拟的优势[34]。

2.5其他新型含钨合金材料与制备技术
近年来，为了满足尖端科学领域发展的需要，国内外研究者相继开发出了W-Ni-Mn、W-Hf、W-Ir、Ta-W合金等新型含钨合金。利用电子束熔炼制备的Ta-W合金不仅具有很高的高温强度和良好的防
腐性，而且具有优良的绝热剪切敏感性，在宇宙发电机热源的强化结构材料、炮身的内衬材料和破甲药形罩等领域的应用前景广阔[35]；W-Ir合金可以适应2000℃以上的高温，在高温喷嘴、宇宙飞船等方面具有很大应用潜力[14]；W-Ni-Mn、W-Hf合金比W-Ni-Fe合金具有更高的绝热剪切敏感性，可用做高杀伤动能穿甲材料。此外，国内外研究者还开发出W-Ni-Ti、W-Ni-NiSi2、W-Ni-Co等新型钨合金，在提高穿甲效果上潜力巨大。