鉬鎢合金旋鍛溫度優(yōu)化研究

席 莎，朱 琦，王 娜，安 耿,2，武 洲，何 凱

(1.金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077) (2.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

0 引 言

鉬、鎢作為原子半徑相同(0.136 nm)的同族元素，可以在所有溫度下，在各種成分比例下形成完全固溶體[1]。鉬鎢合金與鉬合金相比，具有更高的高溫強(qiáng)度、再結(jié)晶溫度和高溫抗蠕變性能以及高溫抗震性能；與鎢合金相比，具有更好的塑性、加工性能及質(zhì)量輕、成本低的優(yōu)勢(shì)。由于鉬鎢合金兼具鉬和鎢的優(yōu)點(diǎn)，并具有更高的再結(jié)晶溫度，其在高溫爐和熔煉行業(yè)以及航天航空領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣，且良好的替代性和較高的性能價(jià)格比使鉬鎢合金制品具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用空間。特別是成分為Mo-50W的鉬鎢合金具有比工業(yè)鎢合金更高的致密度和強(qiáng)度，可作固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)舛婧妥o(hù)板以及高溫爐爐膽、隔熱屏等[1-2]，但是近年來(lái)關(guān)于鉬鎢合金制備方法的研究和最終形成產(chǎn)品的報(bào)道不多。

本文采用在不同溫度下對(duì)鉬鎢棒進(jìn)行旋鍛處理的方法，研究?jī)?yōu)化鉬鎢棒的旋鍛制備工藝，從而確定出鉬鎢棒的最佳旋鍛溫度，以達(dá)到提高產(chǎn)品成品率的目的。以合金成分為Mo-50W，原料直徑為φ21.0 mm的鉬鎢棒為研究對(duì)象，分別考察了不同旋鍛溫度對(duì)成品φ6.0 mm鉬鎢棒的成品率、質(zhì)量損失率的影響，以及不同退火溫度對(duì)同一成品鉬鎢棒的金相組織的影響。最終確定出合理的旋鍛溫度和退火溫度。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)原料選用市售的細(xì)鎢粉和普通鉬粉，其費(fèi)氏粒度分別為2.5～3.0 μm和3.5～4.0 μm，分別稱取50%化學(xué)計(jì)量比的原料鉬粉與鎢粉，采用合適的混粉工藝制備鉬鎢合金粉；再將合金粉進(jìn)行冷等靜壓壓制為合金棒坯，其工藝為壓力180 MPa，保壓時(shí)間為4 min。之后將合金棒坯在氫氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)最高溫度2 200 ℃，最終制備出直徑為φ21.0 mm的鉬鎢合金棒。

原料鉬粉和鎢粉的理化指標(biāo)及微觀形貌SEM掃描照片如表1、圖1所示。

表1 原料鉬粉、鎢粉的理化指標(biāo)

圖1 原料鉬粉和鎢粉的微觀形貌SEM掃描照片

將所制得的φ21.0 mm鉬鎢合金棒分別在不同的旋鍛溫度下進(jìn)行旋鍛處理，旋鍛溫度分別為1 370～1 450 ℃、1 450～1 530 ℃、1 530～1 610 ℃，旋鍛共進(jìn)行6次模鍛，道次壓縮量為1～3 mm，總壓縮量為90%～92%，成品鉬鎢棒尺寸為φ6.0 mm。同時(shí)選取一種旋鍛溫度下得到的成品鉬鎢棒進(jìn)行不同溫度的退火處理，退火溫度分別為1 250 ℃、1 300 ℃、1 350 ℃、1 400 ℃、1 450 ℃和1 500 ℃，保溫時(shí)間均為2 h，采用稱重法、JEOL JSM-7000F掃描電鏡、TP-BX2000金相分析儀等檢測(cè)設(shè)備對(duì)所制備的成品鉬鎢棒進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同旋鍛溫度對(duì)合金棒成品率的影響

旋鍛實(shí)際上是模鍛的一種形式，其工作原理為：由4塊模鍛一方面環(huán)繞被鍛合金坯料棒軸線高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)另一方面又對(duì)坯料棒進(jìn)行高速鍛打，從而使坯料棒變形，使得合金棒的直徑減小和長(zhǎng)度增加的一種鍛造工藝，旋鍛過(guò)程在旋鍛機(jī)中進(jìn)行[3]。圖2為現(xiàn)場(chǎng)旋鍛工藝處理照片。從圖2中可看出，左邊為氫氣加熱爐，右邊為旋鍛機(jī)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)旋鍛工藝處理照片

將同一批次制得的的φ21.0 mm鉬鎢合金棒分別在氫氣加熱爐中(見(jiàn)圖2)進(jìn)行加熱，加熱溫度為：1370～1 450 ℃、1 450～1 530 ℃、1 530～1 610 ℃，之后在旋鍛機(jī)(見(jiàn)圖2)中進(jìn)行旋鍛處理。圖3為燒結(jié)態(tài)和旋鍛處理后合金棒的SEM照片，其中(a)為φ21.0 mm鉬鎢合金棒的SEM照片，(b)為1 370～1 450 ℃溫度下旋鍛后的合金棒SEM照片。圖4為不同旋鍛溫度下合金棒的照片。從圖3中可以看出燒結(jié)態(tài)的鉬鎢合金是由大小相對(duì)均勻的晶粒組成，且燒結(jié)合金致密度較高，內(nèi)部基本無(wú)孔洞等缺陷存在(見(jiàn)圖3a),在1 370～1 450 ℃溫度下旋鍛后的合金棒，其晶粒呈現(xiàn)出拉長(zhǎng)現(xiàn)象，顯微組織沿著旋鍛方向呈纖維狀(見(jiàn)圖3b), 在1 450～1 530 ℃、1 530～1 610 ℃溫度下旋鍛處理后的合金棒微觀組織與在1 370～1 450℃旋鍛處理的類似。

圖3 燒結(jié)態(tài)和旋鍛處理后合金棒的SEM照片

圖4 不同旋鍛溫度下合金棒的照片

從圖4中可以看出，當(dāng)旋鍛溫度在1 370～1 450 ℃時(shí)，鉬鎢棒在旋鍛過(guò)程中容易發(fā)生劈裂(如圖4a中標(biāo)記所示)，當(dāng)旋鍛溫度在1 450～1 530 ℃、1 530～1 610 ℃時(shí)，旋鍛處理正常進(jìn)行，鉬鎢棒沒(méi)有劈裂現(xiàn)象發(fā)生(如圖4b、4c)。

這是因?yàn)樵香f粉和鎢粉都為類球形顆粒(如圖1)，經(jīng)過(guò)燒結(jié)后合金坯料的微觀組織為相對(duì)均勻的晶粒組成(如圖3)，當(dāng)進(jìn)行旋鍛處理時(shí)，合金晶粒因?yàn)樾懤於尸F(xiàn)纖維狀[4]，其纖維方向沿著旋鍛方向，在此過(guò)程中，除了合金晶粒本身的變形外，還包括合金晶粒間因相對(duì)移動(dòng)而產(chǎn)生的變形，由于變形在旋鍛方向上過(guò)度集中，導(dǎo)致該方向上合金的流動(dòng)軟化程度增加，造成合金棒剪切破壞，即沿著旋鍛方向出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象[5-6](如圖4a),說(shuō)明對(duì)于Mo-50W合金來(lái)說(shuō)，1 370～1 450 ℃的旋鍛溫度過(guò)低，在該溫度下不足以使合金發(fā)生較大的變形而不開(kāi)裂，對(duì)合金內(nèi)部應(yīng)力的消除和塑性的提高都不夠，在旋鍛加工過(guò)程中導(dǎo)致加工硬化，從而容易出現(xiàn)開(kāi)裂。隨著旋鍛溫度的提高，即旋鍛溫度提高至1 450～1 530 ℃及以上時(shí)，可以改善鉬鎢合金的塑性，有利于減小合金的變形抗力，使之不易開(kāi)裂(如圖4b、4c)。

對(duì)不同旋鍛溫度下旋鍛至成品φ6.0 mm的鉬鎢合金棒進(jìn)行后續(xù)機(jī)械加工處理，去掉開(kāi)裂、凹坑等缺陷和料頭料尾(5 cm)等。將所得成品和原始燒結(jié)坯料進(jìn)行稱重對(duì)比，得出Mo-50W合金棒在不同旋鍛溫度下的成品率，結(jié)果如表2所示。

表2 Mo-50W合金棒不同旋鍛溫度下的成品率

從表2中可看出旋鍛溫度在1 370～1 450 ℃時(shí)，鉬鎢合金棒的成品率僅為70%～75%，這是因?yàn)樵诖藴囟认滦憰r(shí)，鉬鎢棒容易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象導(dǎo)致部分產(chǎn)品不合格而需要處理，成品率不高，當(dāng)旋鍛溫度提高至1 450～1 530 ℃及以上時(shí)，產(chǎn)品成品率均達(dá)到90%～95%，這是因?yàn)樵? 450 ℃及以上溫度旋鍛鉬鎢棒時(shí)，產(chǎn)品塑性和延展性提高，未發(fā)生開(kāi)裂，只需去除料頭料尾即可，故成品率提高。

2.2 不同旋鍛溫度對(duì)合金棒質(zhì)量損失率的影響

對(duì)不同旋鍛溫度下旋鍛至成品φ6.0 mm的鉬鎢合金棒直接進(jìn)行稱重，與之前的燒結(jié)坯料質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)研究不同旋鍛溫度對(duì)合金棒質(zhì)量損失率的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 Mo-50W合金棒不同旋鍛溫度下的質(zhì)量損失率

從表3可以看出產(chǎn)品的質(zhì)量損失率隨著旋鍛溫度的升高而升高，這是因?yàn)樵谛戇^(guò)程中質(zhì)量損失率主要表現(xiàn)為合金的火耗，火耗越大合金的質(zhì)量損失率越大。眾所周知，鉬合金的旋鍛溫度一般為1 100～1 250 ℃，鎢合金的旋鍛溫度一般為1 500～1 600 ℃[7]，而Mo-50W合金作為中間合金，鉬、鎢的質(zhì)量比為1∶1，隨著旋鍛溫度的升高，對(duì)于合金中的鉬來(lái)說(shuō)產(chǎn)生的氧化鉬廢渣增多，火耗增大，從而導(dǎo)致合金質(zhì)量損失率增大，且旋鍛溫度升高，導(dǎo)致成本增大。

結(jié)合產(chǎn)品成品率、質(zhì)量損失率、成本等方面因素，旋鍛溫度為1 450～1 530 ℃時(shí)，產(chǎn)品成品率最高達(dá)到90%以上，質(zhì)量損失率和成本最低，故此旋鍛溫度為Mo-50W合金的最佳旋鍛溫度。

2.3 不同退火溫度對(duì)合金棒金相組織的影響

旋鍛是一種徑向鍛造，因此它的加工方式?jīng)Q定了材料的主變形方向應(yīng)平行于軸向，即大部分的組織變化應(yīng)該在軸向發(fā)生[8]。圖5為燒結(jié)態(tài)和旋鍛處理后合金棒的金相組織圖，其中(a)為燒結(jié)態(tài)φ21.0 mm鉬鎢合金棒，(b)為1 450～1 530 ℃溫度下旋鍛后合金棒。

圖5 燒結(jié)態(tài)和旋鍛處理后合金棒的金相組織圖

從圖5中可看出，旋鍛前燒結(jié)態(tài)的鉬鎢棒晶粒均勻、細(xì)小，為等軸狀，經(jīng)1 450～1 530 ℃溫度下旋鍛后，垂直于旋鍛方向的晶粒拉長(zhǎng)變形并相互并存，變形較均勻，引起的應(yīng)力集中較小，使材料在斷裂之前能承受較大的變形量[9]。為了便于后續(xù)機(jī)械加工，需對(duì)旋鍛處理后的鉬鎢棒進(jìn)行退火處理，圖6為不同退火溫度下的鉬鎢棒金相組織圖。

由圖6可見(jiàn)，鉬鎢合金的晶粒在1 250 ℃退火后仍基本為拉長(zhǎng)變形組織，呈纖維狀，即此時(shí)尚處于回復(fù)階段；隨著退火溫度的升高，從1 300 ℃升高至1 400 ℃時(shí)，合金晶粒逐漸出現(xiàn)寬化，但總體仍為纖維狀組織；直到退火溫度升高至1 450 ℃時(shí)，合金基本完成再結(jié)晶過(guò)程；隨著退火溫度的進(jìn)一步提高至1 500 ℃，晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大。

圖6 不同退火溫度下的鉬鎢棒顯微組織圖

3 結(jié) 論

(1) 旋鍛溫度對(duì)鉬鎢合金旋鍛處理的成品率有著至關(guān)重要的作用，當(dāng)旋鍛溫度在1 370～1 450 ℃時(shí)，鉬鎢棒容易發(fā)生劈裂，成品率僅為70%～75%；當(dāng)旋鍛溫度在1 450～1 530 ℃及以上時(shí)，鉬鎢棒沒(méi)有劈裂現(xiàn)象發(fā)生，成品率達(dá)90%以上。

(2) 旋鍛溫度對(duì)鉬鎢合金產(chǎn)品質(zhì)量損失率的影響，隨著溫度的升高，質(zhì)量損失率增大，結(jié)合產(chǎn)品成品率、質(zhì)量損失率、成本等方面因素，Mo-50W合金的最佳旋鍛溫度為1 450～1 530 ℃。

(3) 對(duì)于旋鍛溫度在1 450～1 530 ℃的合金鉬鎢棒，其退火溫度在1 450 ℃時(shí)，合金基本完成再結(jié)晶過(guò)程；之后隨著退火溫度的進(jìn)一步提高，晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大。