钨及钨合金的高温强度设计

2.1 钨的固溶强化
对钨固溶强化的元素主要有Re、Mo、Ta、Hf 、Zr、Nb 等。与再结晶温度的影响相似，含量不易超过5at%。

2.2 钨的弥散强化
对钨进行弥散和固溶联合强化要优于单独的固溶或弥散强化。而难熔金属碳化物的强化效果要优于氧化物的强化效果，这与难熔金属化合物与钨的相容性相关。难熔金属化合物在钨中的固溶度为：
碳化物>硼化物>氮化物>氧化物。因此，从沉淀硬化的角度来讲，用氧化物强化钨是不合理的，最有效的是碳化物。

尽管难熔金属碳化物的强化效果要好于其它难熔金属化合物，各种难熔金属化合物在钨中的长大激活能大小顺序为：氧化物>氮化物>碳化物>W2C 和(W,Me) 2C。碳化物的长大激活能最低，碳化物最易长大。

因此当钨合金在高温下长期使用时，要抑制颗粒的长大，避免降低钨合金的性能。例如：在W-Re-HfC 合金中，当超过2300 ℃时， HfC 颗粒迅速长大，材料性能也迅速下降。因此对于此钨合金，使用温度不易超过2300 ℃[30] 。为进一步提高钨合金的强度，就必须提高第二相的含量。

2.3 钨基复合材料
本文的钨基复合材料是指第二相强化颗粒为微米级，强化颗粒的体积分数一般高于10%。由于第二相强化颗粒的含量增加，可以明显提高钨的性能，但相对也降低了其它一些性能(例如：塑性)，因此钨基复合材料常用于一些特殊环境中。国内外有关钨基复合材料的研究很少，到目前为止添加的第二相仅限于Y2O3、Al 2O3、ZrC 及TiC 等少数几种陶瓷颗粒 。

对于这些钨基复合材料的力学性能及热物理性能，请参阅文献 ，在这儿仅对钨基复合材料的设计方面进行讨论。从高温应用方面讲，由于第二相的含量较高，其粒度也较大，则必需考虑与钨基体的相容性及热物理性能的匹配。Y2O3 和CeO2 等氧化物与W 之间易生成钨酸盐(弱界面) ，可能降低复合材料的性能。但对于Y2O3-W 系统当温度达到2100 ℃时，没发现有新相生成。从3.2 节分析可知，难熔金属碳化物与钨的相容性最好，且难熔金属碳化物也具有良好的高温性能及电子发射性能。难熔金属碳化物与钨的热物理性能( 热膨胀系数) 也较接近，能够形成良好的界面[33~36] 。因此制备钨基复合材料时，建议第二相采用难熔金属碳化物。而其它化合物与钨的热物理性匹配较差， 只有当有特殊性能要求时才选择。由于目前难熔金属化合物的价格相对较高，对于工业化生产，还要考虑原料的成本。