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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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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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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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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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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经典的液相烧结认为液相烧结的动力来自于液相表面张力和固-液界面张力。液相烧结分为三个阶段：液相生成与颗粒重排阶段，溶解-析出阶段，固相骨架形成和晶粒长大阶段。

(1)液相生成与颗粒重排阶段。此阶段最短。首先，当温度升高到某一温度时，混合粉末体中的低熔点组元产生液相。随着液相的生成产生毛细管力，促使粉末体发生快速致密化。系统表面能的降低是孔隙消除的驱动力。颗粒重排时，在毛细管力的作用下，压坯类似于黏流回vP。随孔隙消除黏流液体的黏度提高，致密化速度下降。颗粒重排阶段的致密化程度取决于液体数量、颗粒尺寸、固体在液体中的溶解度。在此阶段，如果液相数量足够多，压坯可以完全致密。据估计，保证重排阶段发生完全致密性的液相量为35%。但过高的压坯密度或颗粒形状不规则，会导致在加热时产生固体颗粒接触，因而对重排阶段的致密化产生阻碍作用。

(2)溶解-析出阶段。随着重排阶段致密化速度的变慢，溶解和扩散效应渐渐成为主导，标志着液相烧结已进入溶解-析出阶段。在此阶段，固相向液相中溶解。溶解度与颗粒大小有很大关系，小颗粒优先在液相中溶解，随颗粒尺寸溶解的小颗粒通过扩散产生物质迁移而沉析在大颗粒的表面上。溶解-析出的一个结果是产生题粒粗化长大，此过程又称为Ostwald ripening（即Ostwald长大机制），同时溶解-析出导致进一步致密化。

(3)固相骨架形成和晶粒长大阶段。经过前两个阶段，颗粒互相靠拢，在颗粒接触表面同时产生固相烧结，形成牢固的固相骨架。在此阶段，致密化较慢，固相骨架形成阻碍颗粒重排，而且固相扩散效应会使晶粒进一步长大。如果坯块中含有气体而不能逸出来，会使残余孔隙进一步长大甚至产生坯块膨胀。因此，烧结时间过长会使合金性能降低。




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氢脆是导致合金性能降低的重要方面，为了提高烧结合金的性能，减少其氢含量，许多专家学者对热处理气氛（如真空和惰性气氛氩）对合金性能的影响进行了研究。气氛热处理的目的就是使在氢气气氛中烧结时吸附在钨合金中的氢解吸，通过流动气氛或抽真空排放到烧结坯体外，从而达到提高否金性能的目的。比氢气和氩气两种气氛对抗拉强度和伸长率的影响说明了无论在慢冷还是淬火状态下气氛处理对提高合金性能非常有效。玉华等人研究了真空热处理温度和时间对90钨-7镍-3铜合金力学性能的影响以及合金的氢含量与力学性能的关系，温度实验为在800—1250℃下保温5h，时间实验为在1100℃下保温1-7h。研结果表明，真空热处理可以降低合金中的氢含量，改善合金的性能。随真空热处理温度的提高，合金中的氢含量降低，随热处理时间的延长，合金中的氢含量降低。对钨-镍-铁系合金采用快速冷却和真空脱氢处理可以降低杂质在界面的偏析以及“氢脆”，使合金的强度得到显著提高。文献报道，真空热处理也能降低钨合金的氢含量，提高烧结产品的延性和强度，但氩处理是改善合金力学性能的一种行之有效的方法。周国安等人对95钨-3.5镍-1.5铁合金的热处理工艺也进行了研究，将氢气氛下烧结态的95钨-3.5镍-l.5铁在氩气气氛中以20℃/min的加热速度加热到1150℃再淬火可以消除杂质元素在界面的偏析，提高合金的抗拉强度和延性。若对其在真空度为0.133—0.0133Pa的中频感应真空炉内进行真空热处理，温度为800-900℃，保温40min，则合金的强度和冲击韧性明显提高。




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工艺流程

传统钨合金的制备工艺一般是将元素金属粉末钨、镍. 铁. 铜. 钴等按照所计的比例称量，混合，模压成形，然后采用液相烧结达到全致密。再对液相烧结后的产品进行真空等气氛处理，最后根据产品的最终形状和尺寸精度要求进行后续加工。

粉末混合与改性

钨合金的显微组织与初始粉末的混合状态具有密切的关系，若原料粉末混合不均匀，容易在烧结后的组织中产生偏析和成分不均，形成孔洞，不利于合金的致密化。

S.Eroglu等研究了粉末的混合方式和粉末的粒度对钨-镍-铁合金性能的影响。对于同一种粒度的粉末，以碾磨辐射球磨混合的力学性能较涡轮研磨辐射球磨混合的要高，主要原因是后者的混合效果较前者差，因此烧结后钨颗粒间的连接度大，性能偏低；Turblula方式混合的粗W粉（粒度为10. 5μm）的性能较其混合的细钨粉（粒度为3. 41μm）的性能要好，主要原因也是其对细粉不能进行充分的混合；而Attritor方式混合的粗W粉的延性较鈾W粉的要好，抗拉强度则变化不大。

黄宁等研究了镍的添加方式对钨基高密度合金显微组织和性能的影响，采用了四种不同的添加方式：(l)机械混合法，由于镍、铜等的密度较W的密度小很多，且它们的含量很少，所以混合粉末是不均匀的，使得烧结后的产品性能较差；(2)化学混合法，将镍、铜的盐溶液与W粉混合干燥并还原得到三元复合粉末，这样粉末混合得就更加均匀，烧结活性也更大，得到的产品性能较机械混合的要好；(3)镍以化学镀法加入，先用四氯化锡活化钨粉后，在镍的碱性溶液中用联氨作为还原剂将镍离子还原成金属，并沉积在钨粉的表面上，所以镍的分布较均匀，而且活性较好，产品的力学性能也更高，达到940MPa;(4)镍以共还原法的方式加入，是将钨、镍、铜的盐进行均匀混合后，经热解还原得到均匀的钨-镍-铜的复合粉末。




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球磨混料法

一般来说生产高密度钨合金，混合料制备多数都采用原料粉末的干混法，即机械混合法。这种方法特点是制备工艺简便。用V形或锥形式的混料机。由于钨、镍、铜各种金属粉末的密度不同，为了达到混合料的均匀性，一般将钨、铜、钨粉，混合8-12h。

二次热解还原法

为了获得钨-镍-铜各成分高度均匀混合，并使混合料具有极高的烧结活性，人们研制出一种被命名为“二次热解还原法”的新工艺。所得的具有一定包覆性能的钨--镍-铜混合料之烧结温度较一般同成分的球磨混合料降低100-130℃，而且所得合更为优异。

二次热解还原法是首先将硝酸镍溶解于蒸馏水中，再将钨粉与硝酸镍溶液均匀混合，经焙解与还原，而得到镍包钨的复合粉末。然后将复合粉与氯化铜溶液混合、烘干、还原，而最后得到钨、镍、铜复合粉末。

机械合金化

机械合金化工艺是20世纪70年代以后发展起来的一种制取特殊合金材料的成熟工艺。采用机械合金化将金属原料粉末按比例装入鼓形球磨机中，加入钢球，为防止脏化也可用与产品成分相同的W合金球。机械合金化时间达到60h后混合粉末达到合金化，且成分分布均匀，然后按工序成形和烧结。其烧结温度可大大低。

此外，20世纪90年代以后国外研究发展起来的又一种新工——RSU反应喷射沉积法，采用这种方法时间短，见效快，生产的钨基合金粉末与机械混合粉末相比，大大提高了烧结活性、合金显微结构的均匀性和合金的力学性能。

高比重钨合金具有高密度、高强度、高硬度（被亲切地成为3H合金）和良好的延展性、导电性与导热性等综合优异性能而在武器制造中发挥了重要作用，继而在国防工业、航空航天和民用工业（如电气行业、钻探业等）中得到广泛的应用，高比重合金成为一种备受关注的军民两用合金材料。




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用旋锻法制备纳米复合钨-2% 氧化钍电极材料这一试验在太白钨合金厂进行，具体工艺过程如下：

(1)混料：把经过分散、混合好的复合粉末先经100目筛手动过筛3次，并静置30min。在过筛前加入黏结剂，黏结剂的配方为：乙醇+甘油(体积比1：(1.5-2))。黏结剂的加入比例为：每1000g过筛后的粉末加入3mL黏结剂。

(2)压形：钨粉末粒度为0.6μm，粒度很细，导致摩擦力增大，造成试样实际承受的压力仍然较小。试样压制后回弹力较大，造成内应力较大。同时造成试样的内部密度不均匀，表面密度较大，心部密度较小，易出现早期的分层和微裂纹，烧结时易爆裂。如果加入的黏结剂多，由于表面密度大，气体不易排出，也易造成爆裂。如果混粉不均匀，也容易造成压坯的早期断裂。综合考虑以上因素，压制工艺要点是：黏结剂的添加要适量；仔细控制混粉工艺，保证混粉均匀；加大压力；增加保压时间。具体工艺参数为：每根坯条的粉末质量580g（常规640g），压力70T（正常生产50T压力），压力约60MPa，保压时间5min。

(3)预烧结：在氢气保护下，在1150-1200℃温度下烧结1h，目的是提高坯体密度与强度以利于随后的电加热垂熔烧结。预烧结后坯体尺寸约为400mm x 12mm X 12mm。

(4)垂熔烧结：电流加热，电流为熔断电流的90%，温度不超过3000℃，时间为l0min。

(5)旋锻：将垂熔烧结后的坯条在1350-1450℃的温度下进行旋锻。

(6)拉拔：碱洗去毛刺和油污后拉拔电极丝。

(7)矫直磨光。


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工艺要点

高掺杂纳米复合钨氧化钍电极材料的工艺关键是制取混合均匀的掺杂钨粉。钨氧化钍的加入量、粒度、加入方式等因素直接影响到掺杂物在钨粉中的最终含量乃至最终成品材料的性能。

生产高掺杂纳米复合钨氧化钍电极丝材的工艺与生产纳米复合钨-2%氧化钍电极丝材的工艺略有不同。

掺杂纳米复合钨氧化钍电极材料的工艺要点是：

(1)混粉是关键，即能否使高掺杂纳米氧化物在钨粉中弥散分布是决定一切的因素，因此混粉工艺要仔细控制，采用复合混粉工艺较为合理，如采用超声波+高能球磨法较为合理。

(2)两种超细粉在制作坯料时会出现松装密度低、易粘模具、压坯密度小、强度低等缺点，导致工艺成品率很低。因此，模压压力要高于传统工艺的模压压力，保压时间要比传统工艺长。

(3)预烧结、垂熔、旋锻等工序的加工温度要略高于纳米复合钨-2%氧化钍电极。

氧化钍含量的确定：对纳米复合钨氧化钍电极材料而言。钨为基体材料，氧化钍为掺杂物。

混粉工艺

颗粒在基体中的分布均匀性是影响颗粒增强/改性复合材料力学性能及其他功能的重要因素，对纳米复合材料尤为重要。颗粒分布均匀程度与颗粒和基体自身特性包括润湿性、密度、粒度、颗粒表面特征、材料制备方法、颗粒在基体中的含量等因素密切相关,采用粉末冶金法制备颗粒增强/改性复合材料时，颗粒分布均匀性很大程度上取决于混粉方法和工艺参数。本文采用超声波振荡法+球磨法混粉法。先超声波分散，烘干到潮湿状态，再经球磨机混粉后，烘干、研磨。


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