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SPS循环热处理对93W-4.9Ni-2.1Fe与95W-2.8Ni-1.2Fe-1Al2O3合金组织及性能的影响

来源期刊:中国有色金属学报2018年第11期

论文作者:李小强 刘波 黄冠翔 关模 胡可 屈盛官

文章页码:2224 - 2233

关键词:高密度钨合金;放电等离子烧结;循环热处理;组织;性能

Key words:tungsten heavy alloy; spark plasma sintering; cyclic heat-treatment; microstructure; property

摘    要:利用放电等离子烧结(SPS)技术对具有相同理论密度的烧结态93W-4.9Ni-2.1Fe和95W-2.8Ni-1.2Fe-1Al2O3高密度钨合金进行循环热处理,并通过光学显微镜、SEM、TEM、EDS和三点弯曲实验分析循环热处理对两种合金显微组织和力学性能的影响规律。结果表明:随着SPS循环热处理次数的增加,93W-4.9Ni-2.1Fe合金在平均W晶粒尺寸未发生明显变化的同时,其粘结相中的W含量和位错密度不断升高,合金得到了固溶强化与位错强化,合金的硬度、抗弯强度、断裂挠度等性能相应提高;而对于95W-2.8Ni-1.2Fe-1Al2O3合金,由于更高的W含量和Al2O3颗粒的加入,烧结态时具有小得多的平均W晶粒尺寸、更大的W-W连接度和高硬脆特性,且SPS循环热处理对其组织和成分分布的均匀性影响程度相对较小,其力学性能虽然随SPS循环热处理次数的增加也得到了一定程度改善,抗弯强度和断裂挠度明显较93W-4.9Ni-2.1Fe合金的低,硬度则明显高于93W-4.9Ni-2.1Fe合金硬度。但循环热处理次数过多,反而会降低两种钨合金的硬度和断裂挠度。

Abstract: The effect of cyclic heat-treatment based on spark plasma sintering (SPS) technique on the microstructure and mechanical properties of as-sintered 93W-4.9Ni-2.1Fe and 95W-2.8Ni-1.2Fe-1Al2O3 heavy alloy with the same theoretical density was studied by optical microscopy, SEM, TEM, EDS and three –point bending tests. The results show that with increasing the SPS cycle index, the average W grain size of 93W-4.9Ni-2.1Fe alloy unchanges markedly, while both the tungsten content and dislocation density in matrix tend to increase. As a result, the hardness, bending strength and fracture deflection of the alloy are improved gradually owing to solid solution and dislocation strengthening by the treatment. 95W-2.8Ni-1.2Fe-1Al2O3 alloy, possesses quite less average W grain size, higher W-W contiguity and highly hard and brittle characteristics, because of the higher W content and the addition of Al2O3 particles. Its microstructure and composition distribution are affected in a lower degree by SPS cyclic heat-treatment. Although the mechanical property is improved with increasing the SPS cycle index, the obtained bending strength and fracture deflection are obviously lower those of 93W-4.9Ni-2.1Fe alloy, except quite bigger hardness. However, too many times of cyclic heat treatment induce the decrease of hardness and fracture deflection of the two types of alloys.



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DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.11.07

SPS循环热处理对93W-4.9Ni-2.1Fe与95W-2.8Ni-1.2Fe-1Al2O3合金组织及性能的影响

李小强1, 2,刘  波1,黄冠翔1,关  模1,胡  可1,屈盛官1, 2

(1. 华南理工大学 国家金属材料近净成形工程技术研究中心,广州 510641;

2. 华南理工大学 金属材料高效近净成形技术与装备教育部重点实验室,广州 510640)

摘  要:利用放电等离子烧结(SPS)技术对具有相同理论密度的烧结态93W-4.9Ni-2.1Fe和95W-2.8Ni-1.2Fe-1Al2O3高密度钨合金进行循环热处理,并通过光学显微镜、SEM、TEM、EDS和三点弯曲实验分析循环热处理对两种合金显微组织和力学性能的影响规律。结果表明:随着SPS循环热处理次数的增加,93W-4.9Ni-2.1Fe合金在平均W晶粒尺寸未发生明显变化的同时,其粘结相中的W含量和位错密度不断升高,合金得到了固溶强化与位错强化,合金的硬度、抗弯强度、断裂挠度等性能相应提高;而对于95W-2.8Ni-1.2Fe-1Al2O3合金,由于更高的W含量和Al2O3颗粒的加入,烧结态时具有小得多的平均W晶粒尺寸、更大的W-W连接度和高硬脆特性,且SPS循环热处理对其组织和成分分布的均匀性影响程度相对较小,其力学性能虽然随SPS循环热处理次数的增加也得到了一定程度改善,抗弯强度和断裂挠度明显较93W-4.9Ni-2.1Fe合金的低,硬度则明显高于93W-4.9Ni-2.1Fe合金硬度。但循环热处理次数过多,反而会降低两种钨合金的硬度和断裂挠度。

关键词:高密度钨合金;放电等离子烧结;循环热处理;组织;性能

文章编号:1004-0609(2018)-11-2224-09       中图分类号:TF124       文献标志码:A

高密度W-Ni-Fe合金由于其高密度(16.5~19.0 g/cm3)、高强度及良好的延性等优异的物理和力学性能,在国防军工和民用领域应用非常广泛,特别是作为穿甲弹弹芯材料,受到国内外研究者重视[1-3]。其制造方法主要为粉末冶金法,包括液相烧结、微波烧结、真空烧结以及放电等离子烧结等[4-6]。传统液相烧结的高密度W-Ni-Fe合金的性能对烧结气氛、杂质及冷却速度都比较敏感。由于烧结态钨合金中氢含量较高,且杂质P、S易在相界面处形成偏聚,弱化相界面结合强度。因此,通常采用适当的后续热处理来降低钨合金中的氢含量,抑制杂质元素在相界面处形成偏析。钨合金的热处理方法主要有淬火、真空热处理和循环热处理等[7]。ANJALI等[8]研究了固溶处理后不同冷却速度对钨合金的力学性能影响,结果表明水淬较氩气淬火效果更好。但是也有研究表明[9]:当冷却速度很快时容易产生较大残余应力,从而降低对钨合金性能的改善效果。马运柱等[10]研究了真空热处理对微波烧结93W-Ni-Fe合金的显微组织和力学性能影响,结果表明真空热处理后,显微组织中钨晶粒的连接度降低,合金断口中钨晶粒的穿晶解理断裂和粘结相的延性撕裂增多。张俊等[11]、RAVI等[12]研究了循环热处理对钨合金的性能影响,前者发现经循环热处理的合金试样其抗拉强度及冲击韧性明显提高,但伸长率有所下降;后者研究结果表明随着热处理次数的增加钨晶粒二面角减小,且粘结相体积分数有所增加。放电等离子烧结(Spark plasma sintering,SPS)由于具有加热和冷却速度快、烧结时间短、加热均匀以及能源利用率高等一系列的优点,因而已经在金属、陶瓷、复合材料及功能材料等的制备中得到了广泛应用[13]。SPS的随炉冷却速度虽不及水淬的冷却速度快,不过仍远高于普通热处理工艺中的随炉冷却速度。因此,采用真空下的SPS技术对钨合金进行循环热处理,不仅可以在避免产生过高残余应力的情况下显著降低钨合金中的氢含量,而且可以改善组织和成分的分布均匀性,促进Ni-Fe-W粘结相渗入W-W晶粒界面,提高粘结相对W颗粒的润湿性,降低W-W连接度。LI等[14]利用SPS循环烧结制备了力学性能优异的W-Ni-Fe合金,仅在1400 ℃一次热处理后其室温下的弯曲强度便达到1700 MPa左右,屈服强度大约为1100 MPa。本文作者主要采用SPS技术,对具有相同理论密度的烧结态93W-4.9Ni-2.1Fe和95W-2.8Ni-1.2Fe-1Al2O3高密度钨合金进行循环热处理,对比研究循环热处理对两种合金的显微组织、成分及力学性能的影响规律,从而为某特殊用途的既具有高强韧又具有硬脆特性的93W-4.9Ni-2.1Fe/95W-2.8Ni-1.2Fe-1.0Al2O3复合钨合金的制备提供技术支持。

1  实验

1.1  试样的制备

本实验中选用的原料粉末分别为还原W粉、羰基Ni粉、羰基Fe粉和α-Al2O3粉,粉末特性及制备方法如表1所列。

表1  原料粉末特性及制备方法

Table 1  Characteristics and fabrication methods of elemental powders

两种成分合金在相同工艺条件下进行成形和烧结。首先将原料粉末按照化学计量成分93%W-4.9%Ni-2.1%Fe(质量分数,%)和95%W-2.8%Ni-1.2%Fe-1.0%Al2O3(质量分数,%)进行配比并称量,混粉24 h,然后经250 MPa冷等静压成型,再在推杆式钼丝炉中进行液相烧结,烧结气氛为氢气,烧结温度为1520 ℃,烧结保温时间为90 min。烧结态93WHA和95WHA合金的致密度分别为99.4%和98.7%。

将烧结态钨合金加工成直径20 mm×7 mm的圆柱形试样,并在Dr. Sinter SPS-825型放电等离子烧结设备中进行真空(真空度<8 Pa)条件下1400 ℃保温2 min的快速加热-冷却循环热处理,加热速率为600 ℃/min,保温后随炉冷却至200 ℃。93W合金的热处理循环次数分别取0(烧结态)、1、2、5、10和20,相应处理的试样分别记为CHT0、CHT1、CHT2、CHT5、CHT10和CHT20。为方便对比,95W合金的热处理循环次数则分别取0(烧结态)、5、10和20,并将对应试样分别记为SPS0、SPS5、SPS10和SPS20,以上试样均重复实验4次。

1.2  测试方法

热处理前后钨合金的显微组织表征主要包括W晶粒大小、W-W连接度和二面角。采用截线法测定W晶粒大小和W-W连接度,采用三点法测定二面角。测量W晶粒大小时至少测400个晶粒,然后取平均值,并乘以三维修正系数1.571[15]。W-W连接度用来表示钨合金微观组织中W晶粒与W晶粒之间的接触程度,其计算公式如下[16]

                       (1)

式中:NWW和NWM分别表示扫描电镜照片上被单位长度所截取的W-W界面个数和钨-粘结相(W-M)界面个数。测量时为了减小误差,NWW数量至少200个。

采用光学显微镜 (DMI 5000M, Leica, Germany)、环境扫描电子显微镜(Quanta200, FEI, USA)、数显维氏硬度计(HMV-2T, Shimadzu, Japan)观察合金组织、进行能谱分析和测定硬度。采用规格为16 mm×4 mm×2 mm的三点弯曲试样在万能材料试验机(CMT5105, Sans, China)上测定热处理后合金的抗弯强度,试样跨距为10 mm,加载速率为0.5 mm/min。

2  结果与讨论

2.1  显微组织及成分分析

具有相同理论密度的烧结态93W-4.9Ni-2.1Fe(93W)和95W-2.8Ni-1.2Fe-1Al2O3 (95W)两种高密度钨合金,经不同次数SPS循环热处理后的光学显微组织如图1所示。随着循环热处理次数的增加,合金中钨晶粒和粘结相的分布更为均匀。两种合金的W晶粒间的二面角和W-W连接度均随循环热处理次数的增加而减小。循环热处理20次后93 W合金的二面角和连接度分别由烧结态时的44.5和0.27下降至30.1和0.16;而 95 W合金的二面角和连接度则分别由烧结态时的64.0和0.65下降至41.2和0.39(见图2)。然而无论是未经循环热处理的烧结态还是经过相同循环热处理次数的95 W,其二面角和连接度均明显高于相应处理条件下的93 W合金。这主要是因为95W合金具有相对更高的W含量和更小的W晶粒尺寸,以致其具有更大的W晶粒表面积。此外,与93 W合金相比,95 W还具有相对较低的粘结相体积分数,从而导致合金的W晶粒间接触的可能性更 高[17]。二面角随W-W连接度的降低而降低,这与GERMAN提出的模型是一致的[18]。在本研究中采用的循环热处理工艺条件下,循环热处理次数对93 W和95 W合金的钨晶粒平均尺寸影响并不十分明显,分别维持在26 μm和10 μm左右;经20次循环热处理后,晶粒尺寸仅稍有增大。这是由于采用SPS循环热处理时,SPS加热速率高达600 ℃/min,且1400 ℃保温时间较短,仅为2 min,此外SPS随炉冷却速率也较快,远大于普通炉冷速率[19],以致W晶粒生长被有效抑制。烧结态和热处理态95 W合金中的Al2O3颗粒分布均较为均匀,且主要位于钨-粘结相(W-M)界面处,并有部分位于W颗粒及粘结相(M)内部。循环热处理未对95W合金中的Al2O3颗粒形态、尺寸和分布规律产生明显影响。95 W合金因添加了Al2O3颗粒,液相烧结过程中,分布在W-M界面处的Al2O3将会阻碍W的溶解-析出过程,降低W晶界的迁移速率,从而抑制了W晶粒的长大。另外,95 W中的粘结相较93 W少,也在一定程度上阻碍了W的溶解-析出过程。因此,95 W合金较93 W合金的W晶粒尺寸明显小很多。正是由于95 W合金的W晶粒尺寸较93 W合金小得多,且95 W中含有均匀分布的Al2O3颗粒和更高的W含量,所以95 W具有明显更高的硬度。93 W和95 W合金的硬度均随循环热处理次数的增加呈现出先升高后降低的趋势。93 W合金在热循环处理5次时达到最大值315 HV1;95 W合金则在热循环处理10次时达到最大值357 HV1

图1  烧结态和循环热处理后93W和95W合金的显微组织

Fig. 1  Micrographs of as-sintered and cyclic heat-treated 93W ((a), (c), (e)) and 95W ((b), (d), (f)) alloys

图2  SPS循环热处理次数对93 W和95 W合金的显微组织和硬度的影响

Fig. 2  Influence of heat-treatment cycle index on microstructure and hardness of 93 W and 95 W alloys

高密度W-Ni-Fe合金属两相合金,循环热处理调整合金组织主要是利用合金中两相具有不同的热膨胀系数,粘结相和纯W 的热膨胀系数分别约为20×10-6 K和4.6×10-6 K[20]。由于这两相的热膨胀系数相差较大,因此在试样快速冷却过程中,会在W-M界面和W-W界面处分别产生拉应力和压应力,形成储存能。当再次加热时粘结相便向W-W界面扩散,驱动力就是所产生的储存应变能的降低。从而导致随SPS循环次数的增加,W-W连接度逐渐下降。在钨合金中W-W界面属于弱结合面,合金断裂时裂纹通常先在此处产生,因此通过降低W-W连接度可在一定程度上改善钨合金的力学性能。

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