钨合金的形变强化技术之锻造
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- 发布于 2013年9月13日 星期五 11:11
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锻造包括旋转锻造和径向锻造两种锻造变形方法，其工作原理非常相似。旋转锻造的工作原理是由2-4块旋锻模环绕被锻材料高速旋转，同时对被旋锻材料的径向进行高速脉冲式锻打，使其断面收缩、长度增加的工艺过程。旋转锻造形变强化是目前我国穿甲弹高密度钨合金材料的主要变形加工方法。径向锻造属于精密模锻范围，其工作原理是利用坯料绕周围对称分布的一对或多对锤头中心轴旋转。径向锻造与旋转锻造工作过程的最大区别就是径向锻造是坯料旋转，而旋转锻造是锤头旋转。径向锻造的作用与落锤锻造和气锤锻造不同，它是基于压力的作用而非冲击力的作用，是以超过材料抗压强度的压力作用在制件上，造成金属的塑性变形和内部颗粒的转移，致使制件材料紧密细致，从而提高材料的抗拉强度和弹性极限，改善制件的质量。
锻造前钨合金材料一般需要加热到600-800℃，常规的锻造变形量为10%-15%，最大变形量一般不能超过25%～30%，否则钨合金易产生破坏，锻造后需要进行去应力退火，退火温度范围在500-1100℃，通常以加热-锻造-退火为一个周期。
旋锻形变强化钨合金存在力学性能不均匀的现象，钨合金心部的强度、伸长率和硬度与表面的强度、伸长率和硬度之间存在较大差异，面的强化效果优于心部的强化效果。其原因在于：旋锻时，从进入圆锥区到定径区这一过程中，金属开始变形且程度逐渐增大；在定径区内金属只承受很小的变形；在圆锥区和定径区的过渡断面金属承受的变形程度达到最大，这样，在圆锥区的出口处和入口处材料的变形速度差增加，其结果是导致金属表面附加弯曲变形。另一方面，由于锻模与坯料之间的相互作用，也使坯料表面与心部的应力状态和臺老丢度杗同，表面金属承受的剪切应力和材料畸变程度以及残余应力均高于心部，这样就造成了表面的强化效果要好于心部。与旋转锻造相比，径向锻造对钨合金性能的不均匀性影响较小，其原因是径向锻造的变形量较大，一般取上限，而旋转锻造的变形量一般取下限。但其性能不均匀的现象仍然存在。造成锻造后合金心部同边缘性能不均匀的原因与变形程度有关，变形量小使变形集中在边缘区域，而心部强化效果较小，增大变形程度可以使性能不均匀性有所改善。
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钨合金的形变强化工艺原理
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- 发布于 2013年9月13日 星期五 11:01
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形变强化是利用金属（或合金）加工硬化原理，在变形压力作用下使材料变形，以改变和改善钨合金中缺陷组织的数量、分布以及合金的组织结构，从而提高材料强度的一种强化技术。在形变强化工艺中，变形量对钨合金的性能有着很重要的影响。随变形量的增加，合金的强度和硬度增加，而延性下降。刚开始变形时，强化作用明显，当变形量>15%时，强化作用逐渐减弱。强度随变形量的增加而增加，当硬度逐渐增加到某一值时，便不再随变形量的增加而有明显变化。对于含钨量为95%的钨合金，当变形量为15%时，硬度达到最大值。在普遍变形强化工艺中，变形量一般为15%，最大变形量不超过25%，否则钨合金内部产生微裂纹、开裂而导致破坏。变形后对合金进行时效处理，可以进一步提高合金的强度。形变时效强化温度一般在500-600℃。在此温度范围内退火钨颗粒和界面发生强化，从而使强度提高，对挤压形变量为32%的90W-Ni-Fe合金，在600C时效th，抗拉强度可达到1530MPa以上。在600℃以上退火时，随退火温度升高，强度和硬度下降，伸长率回升，当退火温度达到1200℃以上时，发生再结晶，强度和延伸回复到原始烧结热处理态的水平。
为了大幅度提高钨合金的综合力学性能，近年来，发展了钨合金的大变形先进形变强化技术。大变形比普通锻造态的强度要提高300MPa以上。大变形一般通过多次变形和中间退火循环工艺而实现，其变形量和变形循环次数与工艺有很大关系，在锻造工艺中对件进行多次循环变形和中间退火处理可以实现大变形强化。中间退火的目的是消除变形加工过程中产生的应力，减少加工硬化，退火温度范围一般在500-1000℃。此外，近年来发展了一些更先进的大变形强化工艺，如静态挤压、热挤压、热轧或热挤压（热轧）与锻造的复合变形技术，它可以实现非常大的变形量，使钨合金显微组织呈现纤维状化，对合金的强化效果非常显著，从而更加引起人们的重视。
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烧结后热处理之淬火和快速冷却热处理
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- 发布于 2013年9月13日 星期五 09:51
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钨合金的性能对杂质、气氛、冷却速度较敏感。杂质（如磷、硫等）偏析在晶界上会降低界面结合强度，从而降低合金性能。钨合金在氢气气氛中烧结时，氢气溶解于黏结相中，烧结后的合金中可能含有氢，产生氢脆，降低了合金性能。冷却速度控制不当会产生中间相或使杂质偏析在晶界。因此，为了提高烧结态钨合金的性能，对烧结态的钨合金进行热处理是必须的。烧结后的热处理包括淬火、冷却、气氛脱氢处理和表面硬化处理，其目的就是降低磷、硫杂质在界面的偏析，减少氢脆，提高合金性能或满足合金其他性能方面的要求。采用热处理可以消除氢脆和磷脆，降低杂质在界面的偏析，提高合金的界面强度，使合金的强度和塑性都得以提高。Toshihito Kishi等人指出，热处理对烧结态合金的显微组织无明显影响，但热处理会改变杂质的分布，控制界面偏析。采用惰性气氛或真空快冷，热处理温度在1000℃左右最合适，热处理可以使杂质固溶到晶内，减少晶界偏析。
对钨-镍-铜系合金采用淬火或快冷不仅可以得到细而均匀的晶粒组成，而且可以控制钨在黏结相中的溶解度，达到固溶强化的目的，使合金的强度提高1/3-1/2。ChaIat将经1470℃烧结后的90钨-7 镍-3铁放在惰性气氛中进行热处理，热处理温度为1200℃，时间为1h，然后快冷和慢冷，发现其伸长率均比烧结态合金的伸长率要好。Germ等人研究认为：烧结后的钨合金在Ar中于1000℃退火后水冷的合金性能最好，因为在Ar中退火可以除掉残留在合金中的氢气，在水中淬火可以迅速凝固杂质使其均匀分布，但高速淬火会产生残余应力，如果采用慢冷会消除应力，但会产生偏析。热处理对提高合金的力学性能是非常具有吸引力的。在H2中随炉冷却对抗拉强度和伸长率没有影响，采用水冷淬火可以大幅度提高合金的强度和延性，其原因是快冷将杂质固溶到晶内使杂质均匀分布，减少了杂质在脆弱的界面上偏析。但是，由于热梯度的影响，过快的冷却速度（如水中淬火）会使合金产生残余应力，这对合金的性能有害。慢冷虽然可以消除应力，但由于在低温下杂质在合金晶内的溶解度降低，晶内的杂质通过扩散在界面形成杂质偏析，当杂质偏析在钨-黏结相界面时，对合金的延性非常有害。
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烧结后热处理之循环热处理冷变形后再结晶
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- 发布于 2013年9月13日 星期五 10:27
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循环热处理
循环热处理对合金性能也有一定的影响，主要体现在对钨-镍-铁合金进行循环热处理可以改变黏结相的均匀分布，有利于烧结相渗人到钨-钨晶界，减少钨-钨距离。NohJoon-Wong等人研究了93钨-5.6镍-1.4铁的循环热处理工艺，将烧结态钨合金在1150℃的氮气气氛下保温1h，然后进行水淬，这种工艺反复进行多次，结果表明，随着循环次数的增加，渗透到钨-钨晶界的黏结相体积增加，黏结相可以更充分的渗入到以钨-钨晶界中。循环热处理对合金的拉伸力学性能的影响与合金中的钨晶粒度有关。当钨晶粒由25μm增加到100μm时，尽管采用循环热处理，合金的抗拉强度和伸长率仍然下降，它们分别从920MPa和25%下降到740MPa和11%，经过一次循环热处理后，冲击吸收功从50J下降到22. SJ。当钨晶粒尺寸减小到25-35μm时，循环热处理对冲击吸收功的提高具有显著影响。合金的冲击吸收功从57J提高到170J，冲击试样的断口形貌发生了较大变化，由钨-钨界面断裂向韧窝状的黏结相延性断裂变化。
变形后再结晶
冷加工如挤压、轧制、锻造等可以提高合金的强度，但合金的延性却明显下降。合金经冷变形后显微结构为纤维状的织构，这种织构与穿透器轴向的取向度对合金性能有较大影响，从而影响其穿透性能。Goren等人对冷变形后再结晶进行了研究，90%钨-7%镍-3%铁合金经旋锻（径缩量为82%）并在1480℃退火40s可得到均匀的lOlμm的圆形晶粒。并且变形量越大，退火时间越短。在退火过程中，较大的钨晶粒(30-50μm)首先形成亚晶界，部分熔融的黏结相有选择性地穿透亚晶界，最后被拉长的钨晶粒被分成较小的圆形钨晶粒，从而明显地改善合金的显微结构。
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合金相的形成
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- 发布于 2013年9月13日 星期五 09:25
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20世纪90年代，对于多元素混合粉末体的烧结模型有了新的看法。B.Kieback，K.Brand，W.Schattc和A.P Savitskii等人认为，混合粉末体烧结的主要驱动力来自于形成合金相的化学驱动力，即新相的形成是烧结的主要驱动力。此时，化学驱动力的存在会使不同元素之间的扩散加快。加热过程中的相变会使扩散加快。原始元素粉末产生化学成分梯度，从而产生化学驱动力，化学驱动力导致形成固溶体和新相，并使成分均匀化和消除化学梯度，从而使系统的热力学处于平衡状态。对于多元体系组成的合金，化学驱动力对致密化的贡献在很大程度上超过粉末表面扩散导致表面自由能的降低。因此，混合粉末体系烧结的驱动力是合金相形成，而不是表面自由能的降低。在固相烧结阶段，如果能形成合金相，则不同元素的原子间扩散大大加快，从而发生很重要的致密化，它对致密化的作用远远超过粉末体内部的缺陷、缺陷增生、扩散以及缺陷的相互作用所产生的致密化。合金形成所释放的能量比孔隙完全消除所释放的能量要高出23个数量级，合金相的形成优先决定了扩散方向。对于钨铜假合金体系，由于钨在铜中不溶，因而致密化速度很慢，在固相烧结时，其烧结机理和烧结模型也就发生变化。在钨铜中添加极少量的镍等活化合金元素，该元素能与铜形成固溶体并促使极少量的W向固溶体中扩散，因而烧结致密化加快。对钨铜进行机械合金化，强迫钨向铜中扩散，使其部分形成钨铜复合体或超饱和固溶体，使钨铜的烧结机制发生改变，促使钨铜在固相烧结阶段发生很重要的致密化。
液相烧结的高密度合金由钨、镍、铁三种不同性质的粉末组成。钨-镍-铁合金中，镍与铁的互溶度大，能形成完全固溶体，钨在镍与铁中的溶解度大，形成γ-(镍，铁，钨)基体相。因而存在化学互扩散，即存在镍、铁互扩散和钨与镍、铁的互扩散。其致密化受化学互扩散导致形成合金和新相的影响。化学互扩散的驱动力是形成固溶体和新相，从而使系统的自由能降低，而不是表面能的降低。因此，对于钨-镍-铁合金体系，合金形成是釵獵化的主要因素，互扩散产生新的空位和位错，都有助于致密化。此外，在较高的固相烧结温度下，钨颗粒也会发生自扩散而对致密化起作用。
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