热等静压方法制备细晶钨合金及其动态力学性能研究

采用喷雾干燥方法制备了超细90W7Ni3Fe复合粉末,并冷等静压成形,压坯经过低温还原后采用热等静压进行低温压制烧结,得到了晶粒度小于5μm、接近理论密度的钨合金材料。利用Hopkinson压杆装置对细晶钨合金进行了动态力学性能研究,对不同应变率下的应力应变曲线进行分析。结果表明:通过热等静压低温烧结而成的细晶钨合金,在高应变率下表现出明显的应变强化和应变率强化效应,其动态力学性能优于常规液相烧结制备的钨合金。

细晶钨合金动态力学性能与组织结构

为了预测细晶钨合金用作穿甲弹的高剪切毁伤效应，采用机械合金化（MA）和喷雾干燥-热还原两种方法制备含稀土的超细93W-Ni-Fe-Y2O3复合粉末，利用冷等静压液相烧结的方法制备Ф20mm-Ф25mm的晶粒度小于8μm的钨合金棒材。利用Hopkinson压杆装置对细晶钨合金进行了高应变率（〉10^3／s）下的动态力学性能研究，分析了应变、应变率、Y2O3等因素对细晶钨合金棒材的动态性能的影响。结果表明：钨合金在高应变率下会出现应变强化和热软化效应，在低应变时应力随着应变的增加而增加，当应变达到0．03后，应力随着应变的增加呈锯齿状上升趋势。钨合金在高应变率下会出现应变率强化效应，随着应变率的增加，应力增加。添加Y2O能提高材料的最大应力强度，提高钨合金的动态力学性能。

细晶钨合金制备工艺的研究

研究了添加微量稀土氧化物Y2O3和机械合金化所制备的90W-7Ni-3Fe合金的显微组织与性能。试验采用机械合金化工艺制备含微量稀土氧化物Y2O3的90W-7Ni-3Fe复合粉末,将粉末在1460～1480℃烧结30min,制备最大抗拉强度大于962MPa、延伸率为30.8%、钨晶粒尺寸为8～12μm的细晶高性能90W-7Ni-3Fe合金。研究了稀土氧化物Y2O3对合金性能和显微组织结构特征的影响。

细晶钨合金的绝热剪切敏感性

采用粉末冶金法制备平均晶粒度<5μm的细晶90W-Ni-Fe合金。利用HOPKINSON压杆装置,分别在0.9MPa和1.4MPa的冲击气压条件下对该合金进行一维应力冲击实验,并对冲击后的样品进行金相组织观测,考察其在一维应力冲击条件下的绝热剪切性能,分析细晶钨合金的绝热剪切敏感性。研究表明:晶粒细化有助于绝热剪切带的扩展,可以提高钨合金绝热剪切敏感性,使得烧结态细晶钨合金在一维冲击应力加载条件下就可以产生绝热剪切带。随着冲击(加载)气压的加大,绝热剪切现象更明显,冲击气压为1.4MPa时剪切带宽度约为10μm,从而有助于材料在动态压缩条件下产生绝热剪切破坏,提高材料在穿甲过程中的"自锐"能力。

超细晶/纳米晶钨——未来聚变堆面向等离子体材料

钨为未来高参数准稳态运行聚变堆最有前景的面向等离子体材料。超细晶/纳米晶结构有可能提高钨材料的热力学性能和抗粒子辐照性能,因而成为一个很有前途的研发方向。深度塑性变形和粉末冶金均已在制备超细晶/纳米晶钨方面开始了初步探索,深度塑性变形的等通道角挤压法因能制备致密度高、韧脆性能优异、大尺度的块体超细晶/纳米晶钨,极有可能在钨基面向等离子体材料制备方面取得突破。

机械合金化和添加微量Y_2O_3对制备细晶钨合金棒材组织的影响

采用机械合金化、添加微量Y2O3和冷等静压、液相烧结工艺制备Ф25mm的晶粒度为3～4μm的细晶93W-4.9Ni-2.1Fe(质量分数%,下同)合金棒材,研究粉末机械合金化、添加微量Y2O3、烧结温度和保温时间对合金棒材烧结致密化和显微组织的影响。结果表明:在1480℃液相烧结时钨晶粒发生明显球化,在此温度下降低保温时间对控制钨晶粒长大有较大影响,保温时间为30min时,钨晶粒尺寸为5～8μm;保温时间为60min时,钨晶粒为8～10μm。添加微量稀土氧化物Y2O3可以进一步有效地抑制晶粒的长大,降低合金的钨晶粒尺寸和提高组织均匀性,在1480℃烧结60min时,钨晶粒为3～4μm,而且晶粒尺寸分布更均匀。

高性能细晶钨基复合材料制备关键技术及开发应用

钨基复合材料具有密度高、熔点高、强度高、热膨胀系数小、热导率高、抗辐射能力强、耐腐蚀性强等优点,在电子信息、机械加工、航天航空、国防军工和核工业等领域可广泛用作穿破甲材料、电子封装材料、电极材料以及核辐射屏蔽材料等。采用传统方法制备的钨基复合材料由于晶粒粗大、组织均匀性差、性能低或致密度低等缺陷,已经难以满足尖端技术领域的发展需要。采用纳米复合技术制备的细晶钨基复合材料具有致密度高、组织细小且均匀、性能好等优点,成为钨基复合材料发展的重要方向。概述了高性能细晶钨基复合材料的制备关键技术与开发应用,并对高性能细晶钨基复合材料的应用前景作出了展望。

一种95W细晶钨合金动态力学性能

采用雾化干燥法和两步烧结法制备了一种晶粒度约20μm的95 W细晶钨合金棒材,利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)对细晶钨合金进行高应变率的动态力学性能研究,并与传统钨合金进行对比,分析了应变及应变率对动态性能的影响。结果表明,尽管细晶95W的强度极限σb和延伸率δ较传统95 W都低,而在高应变率下,细晶95 W的最大应力σmax要高于传统钨合金,最大应变εmax只有较少的下降。高应变率下细晶95 W出现应变硬化和热软化两种竞争效应,在较低应变时,应变硬化占主导,最后热软化后出现应力急剧下降。

高能球磨对微量Y_2O_3弥散强化细晶钨合金密度与显微组织的影响

采用溶胶喷雾干燥–氢热多步还原法制备含微量稀土Y2O3的超细/纳米W复合粉,对其进行高能球磨处理。将球磨前、后的W-Y2O3复合粉末进行模压成形和1 800~1 950℃高温烧结,制备微量Y2O3弥散细晶钨合金,研究高能球磨对细晶W-Y2O3合金的密度与显微组织的影响。研究结果表明：W-Y2O3复合粉末的费氏粒度均小于0.9μm,具有很高的烧结活性,最佳烧结温度为1 860℃,烧结致密度达到97.4%;高能球磨可显著提高合金的致密度,球磨后的W-Y2O3复合粉末在1 860℃烧结后相对密度达到99.4%;W-Y2O3合金的晶粒非常细小,未高能球磨的W-Y2O3复合粉在1 860℃烧结,晶粒尺寸仅为3μm左右,但分布不均匀;适当的球磨使合金晶粒尺寸有所长大,但可显著改善合金组织的均匀性。

超高应变率变形下纯钨的断裂失效行为和动态再结晶

采用激光冲击加载技术对粉末冶金烧结态钨和熔炼态钨进行超高应变率下的动态加载,利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对冲击后的多晶钨进行损伤特征和微观组织表征,研究孔洞对冲击载荷下多晶钨的断裂失效行为和动态再结晶机制的影响。结果表明:在超高应变率下多晶钨的断裂失效模式仍以沿晶断裂为主,晶界孔洞和晶内孔洞均为动态加载下材料失效的起源。孔洞对冲击波的反射造成了在孔洞周围应力持续集中,位错大量形成并互相缠结,使得形变储存能迅速增加。在较高的冲击压强下,烧结态钨通过晶界弓出机制发生动态再结晶形核,冲击后存在大量的等轴状再结晶组织,并且由于冲击波随着深度的增加而衰减,再结晶程度随深度增加逐渐降低。

超细晶钨基材料穿甲弹芯侵彻靶板的试验研究

对常用的钨合金穿甲弹和特制的超细晶钨基穿甲弹进行靶场侵彻对比试验.试验表明,相同条件下,超细晶穿甲弹穿透率大于普通穿甲弹,验证了弹芯材料晶粒度的大小对穿甲的侵彻性能有重要影响.超细晶纳米粉末经过二次烧结制成的弹芯材料晶粒细小,均匀,减少和避免了侵彻过程中弹芯头部出现的"蘑菇头"现象,产生了绝热剪切破坏,有"自锐"效应.超细晶钨基穿甲弹的侵彻能力明显高于钨合金穿甲弹.

复合细晶钨合金弹芯侵彻性能的数值模拟研究

为了更有效增强钨合金弹芯对装甲目标的侵彻性能,对复合细晶钨合金弹芯这种弹芯结构展开研究。运用LS-DYNA虚拟仿真软件对细晶钨合金弹芯和复合细晶钨合金弹芯侵彻装甲钢靶板的过程进行了数值模拟研究。通过比对不同速度条件下的侵彻深度和弹芯头部形状,分析复合弹芯内外层材料的不同分布和不同厚度比对其侵彻深度的影响。研究表明弹芯材料密度低于细晶钨合金弹芯的复合细晶钨合金弹芯方案在侵彻能力较好,且复合细晶钨合金残余弹芯头部越尖锐,越具有更大的侵彻深度。最佳复合弹芯为以95W为内层材料、93W为外层材料、厚度比为9∶1,该复合弹芯方案在不同速度条件下的侵彻深度均为最大。研究可为杆式脱壳穿甲弹钨合金弹芯设计提供参考。

尺寸和球磨对细晶钨粉烧结体致密度的影响

采用溶胶喷雾干燥-煅烧-氢热还原法制备了粒径为0.14μm的超细纯钨粉末。研究不同球磨(干磨,湿磨)方式对钨粉形貌以及粉末成形性的影响,探讨纯钨样品性能随样品不同尺寸(2.5mm厚小样品和2cm厚大样品)的变化。此外还详细研究了纯钨烧结体组织形貌、晶粒尺寸等性能随球磨方式及样品尺寸的变化规律。结果表明,使用干磨法和湿磨法球磨处理都可以有效提高粉末的成形性。使用干磨法球磨制备的粉末的烧结体致密度高于湿磨法所制备的,且在大尺寸样品中其致密度分布也较湿磨法所制备粉末的烧结体更加均匀。湿磨粉颗粒粒径分布较广,颗粒容易长大。干磨粉由于活化效果较弱,烧结体颗粒更加细小。

氦对钨传热性能影响的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了氦辐照对金属钨传热性能的影响,从原子尺度分析了单晶钨与多晶钨的热导率随氦含量的变化及其微观机理。结果表明:随着氦原子从0增加至500,钨中的缺陷对数目呈先增加后减少的趋势,单晶钨中氦原子为230个时缺陷对数目达到峰值123,多晶钨中氦原子为480个时缺陷对数目达到峰值124;钨金属的晶体结构从bcc转变为bcc、fcc和hcp等多种结构共存。钨的热导率随氦含量增加波动明显,总体呈非线性减小趋势,在氦含量为0.75%时,单晶钨和多晶钨的热导率分别下降1.44%和1.3%。氦辐照下钨金属内缺陷的产生、聚集及晶体结构的变化是其热导率下降的主要原因。

大型钨单晶

日本科学技术厅金属材料研究所研究出一种制造大型钨单晶的方法,可制成尺寸为140×100×4.6mm的钨单晶。

核聚变堆用钨及钨基材料热负荷损伤行为的研究进展

聚变堆在运行过程中面对等离子体钨基材料需要承受住一定次数稳态和瞬态热负荷的冲击而不发生开裂以及熔化等损伤。对商业钨在不同测试手段下热负荷的损伤行为进行了分析,阐述超细晶粒钨、合金化、掺杂碳化物以及稀土氧化物等改性手段对钨基材料热负荷性能的影响;对面对等离子体钨基材料热负荷损伤行为进行了总结与展望。

超细晶W-Cu复合材料的热挤压与热处理

以水热共还原法制备纳米W-30%Cu复合粉末,通过真空烧结和包套热挤压制备超细晶W-Cu复合材料,并进行后续热处理。采用X射线衍射、高分辨率透射电镜、扫描电镜等观察和分析W-30%Cu复合粉体和合金的成分及组织形貌,研究热挤压及后续退火处理对材料致密度、电导率和硬度等性能的影响。结果表明：水热产物为纳米级（10~15 nm）规则的类球形结构,经煅烧及共还原后得到的W-30%Cu复合粉末粒度细小,呈特殊的W包覆Cu结构,颗粒分布均匀;复合粉末在1050℃真空烧结后相对密度只有91.5%,经热挤压后致密度提高到97.07%,布氏硬度达到223,组织细密,W相和Cu相分布均匀,钨颗粒细小（1~3μm）,形成典型的钨骨架和铜网络结构。经过后续的退火处理,钨铜分布更均匀,钨粒径进一步减小,材料的致密度和电导率都更高,分别为98.82%和43.31%IACS,形成良好的综合性能指标匹配。

难熔钨基合金的研究开发及其产业化方向

综述了难熔钨基合金的研究与开发现状及发展趋势 ;分析了难熔钨基合金的市场应用前景 ;并指出日趋成熟的新技术和新工艺 ,包括金属注射成形和挤压成形技术以及纳米复合粉末和细晶难熔钨合金的制备技术 ,必将成为 2