國內(nèi)鎢及鎢合金的研發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，世界難熔材料的研究已由傳統(tǒng)的"高純、超細(xì)、均勻"演變?yōu)?quot;納米、復(fù)合設(shè)計(jì)和集成制造"。通過這些優(yōu)秀技術(shù)，難熔鎢合金材料不但可以保留自身諸如高熔點(diǎn)、耐腐蝕等優(yōu)良性能，而且可大幅度提高綜合力學(xué)性能。目前，難熔金屬的研究與應(yīng)用相對(duì)其它金屬材料還有一定距離，因此，通過技術(shù)改造根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊?，?duì)各種鎢合金材料的加工工藝進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。 
 　　
   鎢及鎢合金具有高密度、高強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)、抗腐蝕性和良好的機(jī)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(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。 
　　
   其主要的應(yīng)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(fù)合稀土鎢電極等。（3）用于高溫領(lǐng)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(zhuǎn)變溫度進(jìn)一步改善其高溫?zé)釓?qiáng)性能一直是鎢合金領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)持久的研究熱點(diǎn)。因此，鎢研究與開發(fā)的主要內(nèi)容是材料的塑－脆轉(zhuǎn)變行為、高溫強(qiáng)度特性、焊接和復(fù)合化、制取工藝的較佳化。圍繞這些內(nèi)容所進(jìn)行的技術(shù)研究和開發(fā)有：凈化、細(xì)化、強(qiáng)韌化和復(fù)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(jié)晶工藝，提高APT的化學(xué)純度，目前能生產(chǎn)純度大于99.95％和雜質(zhì)總含量小于100mg／kg的APT，鎢粉純度大于99.99％。 


   細(xì)化研究方面，研究較多的是納米鎢粉和納米晶鎢基合金復(fù)合粉末，其制備方法有機(jī)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(yīng)噴射法、真空等離子體噴射沉積法、機(jī)械－熱化學(xué)合成法等，常用的方法為前三種，主要應(yīng)用在高密度鎢合金、鎢基復(fù)合材料（如：W－Cu）、硬質(zhì)合金等方面。 
　　
   對(duì)于鎢復(fù)合化的研究主要有結(jié)構(gòu)復(fù)合、強(qiáng)化機(jī)制復(fù)合和組織復(fù)合（梯度復(fù)合），目前研究較多的主要是用作電極、觸點(diǎn)材料、半導(dǎo)體部件的W－Cu復(fù)合材料。該材料的成型方法主要是等靜壓成型（CIP），新改進(jìn)的工藝方法有：（1）纖維強(qiáng)化法；（2）特定結(jié)構(gòu)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(jù)國外資料和國內(nèi)應(yīng)用研究的結(jié)果表明，所有耐震鎢絲均以摻雜鎢為基礎(chǔ)，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(qiáng)鎢絲的耐震性能。因此，研制耐震鎢絲必須首先重點(diǎn)圍繞摻雜這一主題進(jìn)行系統(tǒng)的較優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)同步增強(qiáng)鎢絲高溫強(qiáng)度、抗蠕變能力和高溫再結(jié)晶后常溫強(qiáng)度的目標(biāo)，從而獲得具有較好耐震性能的鎢絲；另一方面在優(yōu)質(zhì)摻雜鎢絲的基礎(chǔ)上復(fù)合添加具有固溶強(qiáng)化效應(yīng)的鈷或錸，以提高其再結(jié)晶后的室溫延性。 
　　
   納米鎢合金材料的研究與應(yīng)用 
　　
   納米鎢合金制備方法有機(jī)械合金化、噴霧干燥法、溶膠－凝膠法、干燥法、氣相沉積法、反應(yīng)噴射法、真空等離子體噴射沉積法、機(jī)械－熱化學(xué)合成法等，常用的方法為前三種，主要應(yīng)用在高密度鎢合金、鎢基復(fù)合材料（如：W－Cu）、硬質(zhì)合金等方面。 
　　
   等離子體活化燒結(jié)工藝采用納米粉末可以使燒結(jié)溫度降低約200K以上。晶粒尺寸為280nm的鎢粉經(jīng)燒結(jié)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(jié)，在進(jìn)一步控制晶粒長大方面起到了較好的效果。 
　　
   國內(nèi)外學(xué)者從納米鎢合金粉末的制備到燒結(jié)技術(shù)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(nèi)，對(duì)納米粉末制備過程中的機(jī)理、納米粉末的物理化學(xué)特性、納米粉末的近凈形成形、納米粉末的燒結(jié)到納米鎢合金粉末在燒結(jié)過程中的晶粒長大控制等方面都做了較詳細(xì)的研究工作，并取得了一些突破性進(jìn)展。 
　　
   鎢基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀 
　　
   當(dāng)前，主要是采用第二相彌散強(qiáng)化的鎢基復(fù)合材料，國外的研究表明第二相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)往往是小于10％。近年來我國為適應(yīng)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(qiáng)度模具及夾具材料，為此研究和發(fā)展了高體積分?jǐn)?shù)（10％、20％、30％、40％）以TiC和ZrC第二相顆粒強(qiáng)化的新型鎢基超高溫復(fù)合材料。由于碳化物顆粒熔點(diǎn)高和密度?。ㄈ鏩rC的熔點(diǎn)為3530℃，密度僅6.74g／cm3），大量碳化物顆粒的加入使鎢基復(fù)合材料密度減小，這對(duì)航天部件非常有利。 
　　
   我國自行開發(fā)的TiCp／W和zrC／W復(fù)合材料的較大室溫抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度分別達(dá)到889MPa、10.5MPa·M1／2和843MPa、10.1MPa·M1／2。這兩類鎢基復(fù)合材料都具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，其高溫抗彎強(qiáng)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(qiáng)度隨溫度升高而明顯降低的缺點(diǎn)，在1000℃以下抗彎強(qiáng)度達(dá)到室溫時(shí)的7.5倍。 
　　
   鎢銅復(fù)合材料鎢銅基粉末冶金復(fù)合材料是由高熔點(diǎn)、高硬度的鎢和高導(dǎo)電、導(dǎo)熱率的銅所構(gòu)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(qiáng)度、高硬度等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)喉襯），以及計(jì)算機(jī)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(jìn)的工藝方法有：①纖維強(qiáng)化法；②特定結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的W－Cu復(fù)合材料 
　　
   1、納米結(jié)構(gòu)鎢銅復(fù)合材料納米結(jié)構(gòu)鎢銅復(fù)合材料具有接近完全致密的相對(duì)密度，能滿足材料高強(qiáng)度、高氣密性的要求；MIM近成形技術(shù)的采用則使納米結(jié)構(gòu)鎢銅復(fù)合材料不僅組織結(jié)構(gòu)均勻、致密度高且易于獲取高精度、凈成形的復(fù)雜產(chǎn)品。目前，單純金屬鎢和銅的超細(xì)、彌散混合粉制造難度大，但化學(xué)合成法如金屬氧化粉末共還原法、化學(xué)蒸發(fā)凝聚法、化學(xué)機(jī)械法等卻極易制得超細(xì)、彌散、均勻、高純的復(fù)合粉，進(jìn)而獲取納米晶鎢銅復(fù)合材料。 
　　
   2、梯度結(jié)構(gòu)鎢銅復(fù)合材料用分層裝粉法，裝入小粒度的粉末，經(jīng)冷壓、燒結(jié)、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(dǎo)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(shù)和高導(dǎo)熱性良好匹配的梯度功能材料。在此基礎(chǔ)上發(fā)明了一種新型鎢銅（鉬銅）梯度結(jié)構(gòu)功能材料，該種梯度結(jié)構(gòu)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(gòu)成，這兩部分的良好結(jié)合使其具有優(yōu)異的綜合性能，特別是其高導(dǎo)熱率、低膨脹系數(shù)能滿足大功率器件對(duì)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(qiáng)、滲透率高等特點(diǎn)，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(diǎn)（3400℃）、高密度（19.3g／cm3）、聲速（4.03km／s）、良好的延展性等特點(diǎn)，成為很有應(yīng)用前景的新型藥型罩材料。