國內鎢及鎢合金的研發(fā)及應用現狀

目前，世界難熔材料的研究已由傳統(tǒng)的"高純、超細、均勻"演變?yōu)?quot;納米、復合設計和集成制造"。通過這些優(yōu)秀技術，難熔鎢合金材料不但可以保留自身諸如高熔點、耐腐蝕等優(yōu)良性能，而且可大幅度提高綜合力學性能。目前，難熔金屬的研究與應用相對其它金屬材料還有一定距離，因此，通過技術改造根據不同應用領域對材料性能的要求，對各種鎢合金材料的加工工藝進行進一步的優(yōu)化和改進是當前研究的重點。 
 　　
   鎢及鎢合金具有高密度、高強度、低熱膨脹系數、抗腐蝕性和良好的機械加工等綜合性能已在航空航天、軍事裝備、電子、化工等許多領域中得到了廣泛應用。 
　　
   其主要的應用范圍包括：（1）用于切削、焊接和噴涂方面的碳化物，如碳化鎢。（2）用于電子工業(yè)中大量的燈絲和電子管的陰極，高溫電阻爐的加熱元件，如目前研究較多的耐震鎢絲、復合稀土鎢電極等。（3）用于高溫領域，以至軍事上制作的穿甲彈、藥型罩等。 
　　
   提高鎢及鎢合金材料塑性、降低其塑－脆轉變溫度進一步改善其高溫熱強性能一直是鎢合金領域內一個持久的研究熱點。因此，鎢研究與開發(fā)的主要內容是材料的塑－脆轉變行為、高溫強度特性、焊接和復合化、制取工藝的較佳化。圍繞這些內容所進行的技術研究和開發(fā)有：凈化、細化、強韌化和復合化。 
　　
   我國鎢的凈化大都從氧化物純化開始，通過溶劑萃取、離子交換和多次再結晶工藝，提高APT的化學純度，目前能生產純度大于99.95％和雜質總含量小于100mg／kg的APT，鎢粉純度大于99.99％。 


   細化研究方面，研究較多的是納米鎢粉和納米晶鎢基合金復合粉末，其制備方法有機械合金化、噴霧干燥法、溶膠－凝膠法、冷凝－干燥法、氣相沉積法、反應噴射法、真空等離子體噴射沉積法、機械－熱化學合成法等，常用的方法為前三種，主要應用在高密度鎢合金、鎢基復合材料（如：W－Cu）、硬質合金等方面。 
　　
   對于鎢復合化的研究主要有結構復合、強化機制復合和組織復合（梯度復合），目前研究較多的主要是用作電極、觸點材料、半導體部件的W－Cu復合材料。該材料的成型方法主要是等靜壓成型（CIP），新改進的工藝方法有：（1）纖維強化法；（2）特定結構法；（3）電弧熔煉法；（4）金屬注射成型法；（5）快速定向凝固法。 
　　
   耐震鎢絲的特性與發(fā)展趨勢 
　　
   根據國外資料和國內應用研究的結果表明，所有耐震鎢絲均以摻雜鎢為基礎，再添加微量的Co或少量的Re等元素，以獲得更好的高溫延性，增強鎢絲的耐震性能。因此，研制耐震鎢絲必須首先重點圍繞摻雜這一主題進行系統(tǒng)的較優(yōu)化控制，實現同步增強鎢絲高溫強度、抗蠕變能力和高溫再結晶后常溫強度的目標，從而獲得具有較好耐震性能的鎢絲；另一方面在優(yōu)質摻雜鎢絲的基礎上復合添加具有固溶強化效應的鈷或錸，以提高其再結晶后的室溫延性。 
　　
   納米鎢合金材料的研究與應用 
　　
   納米鎢合金制備方法有機械合金化、噴霧干燥法、溶膠－凝膠法、干燥法、氣相沉積法、反應噴射法、真空等離子體噴射沉積法、機械－熱化學合成法等，常用的方法為前三種，主要應用在高密度鎢合金、鎢基復合材料（如：W－Cu）、硬質合金等方面。 
　　
   等離子體活化燒結工藝采用納米粉末可以使燒結溫度降低約200K以上。晶粒尺寸為280nm的鎢粉經燒結致密后可以得到1μm以下的晶粒。目前，正在研究熱壓、氣壓和熱等靜壓燒結，在進一步控制晶粒長大方面起到了較好的效果。 
　　
   國內外學者從納米鎢合金粉末的制備到燒結技術等方面的研究都已做了一些較深入的研究工作。尤其在國內，對納米粉末制備過程中的機理、納米粉末的物理化學特性、納米粉末的近凈形成形、納米粉末的燒結到納米鎢合金粉末在燒結過程中的晶粒長大控制等方面都做了較詳細的研究工作，并取得了一些突破性進展。 
　　
   鎢基復合材料的研究現狀 
　　
   當前，主要是采用第二相彌散強化的鎢基復合材料，國外的研究表明第二相的質量分數往往是小于10％。近年來我國為適應航天工業(yè)發(fā)展和高溫材料測試的要求，需要在800～2000℃高溫下使用高強度模具及夾具材料，為此研究和發(fā)展了高體積分數（10％、20％、30％、40％）以TiC和ZrC第二相顆粒強化的新型鎢基超高溫復合材料。由于碳化物顆粒熔點高和密度小（如ZrC的熔點為3530℃，密度僅6.74g／cm3），大量碳化物顆粒的加入使鎢基復合材料密度減小，這對航天部件非常有利。 
　　
   我國自行開發(fā)的TiCp／W和zrC／W復合材料的較大室溫抗彎強度和斷裂韌度分別達到889MPa、10.5MPa·M1／2和843MPa、10.1MPa·M1／2。這兩類鎢基復合材料都具有優(yōu)異的高溫力學性能，其高溫抗彎強度隨溫度的升高不但不降低反而增大，克服了一般難熔鎢基合金的強度隨溫度升高而明顯降低的缺點，在1000℃以下抗彎強度達到室溫時的7.5倍。 
　　
   鎢銅復合材料鎢銅基粉末冶金復合材料是由高熔點、高硬度的鎢和高導電、導熱率的銅所構成的假合金。因其具有良好的耐電弧侵蝕性、抗熔焊性和高強度、高硬度等優(yōu)點，目前被廣泛地用作電觸頭材料，電阻焊、電火花加工和等離子電極材料，電熱合金和高密度合金，特殊用途的軍工材料（如火箭噴嘴、飛機喉襯），以及計算機中央處理系統(tǒng)、大規(guī)模集成電路的引線框架，固態(tài)微波管等電子器件的熱沉基片。其成型方法主要是等靜壓成型（CIP），新改進的工藝方法有：①纖維強化法；②特定結構法；③電弧熔煉法；5金屬注射成型法；⑤快速定向凝固法。 
　　
   具有特殊微結構的W－Cu復合材料 
　　
   1、納米結構鎢銅復合材料納米結構鎢銅復合材料具有接近完全致密的相對密度，能滿足材料高強度、高氣密性的要求；MIM近成形技術的采用則使納米結構鎢銅復合材料不僅組織結構均勻、致密度高且易于獲取高精度、凈成形的復雜產品。目前，單純金屬鎢和銅的超細、彌散混合粉制造難度大，但化學合成法如金屬氧化粉末共還原法、化學蒸發(fā)凝聚法、化學機械法等卻極易制得超細、彌散、均勻、高純的復合粉，進而獲取納米晶鎢銅復合材料。 
　　
   2、梯度結構鎢銅復合材料用分層裝粉法，裝入小粒度的粉末，經冷壓、燒結、電蝕后獲得具有梯度孔隙率的鎢坯，隨后熔滲銅可制得具有組成連續(xù)變化的鎢銅梯度材料。此外，采用等離子噴涂也可制備各種組分的鎢銅梯度功能材料。采用粉末冶金方法先制取兩種成分完全不同的鎢銅坯體，把含銅量較高、熱導率較大的坯體嵌入到含量較少的另一坯體中，可獲得低膨脹系數和高導熱性良好匹配的梯度功能材料。在此基礎上發(fā)明了一種新型鎢銅（鉬銅）梯度結構功能材料，該種梯度結構材料由以W－Cu（Mo－Cu）為主的金屬部分和以AlN－Al為主的陶瓷部分構成，這兩部分的良好結合使其具有優(yōu)異的綜合性能，特別是其高導熱率、低膨脹系數能滿足大功率器件對散熱裝置的使用要求。 
　　
   在藥型罩中的研究 
　　
   藥型罩具有破碎性好、侵蝕力強、滲透率高等特點，從而要求藥型罩材料密度高、延展性好，以便使射流在侵蝕之前能充分拉長而不斷裂。鎢由于具有高熔點（3400℃）、高密度（19.3g／cm3）、聲速（4.03km／s）、良好的延展性等特點，成為很有應用前景的新型藥型罩材料。