一種雙相高密度可鑄鍛動能鎢鎳鈷合金及制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于動能合金技術領域，特別涉及一種雙相高密度可鑄鍛動能鎢鎳鈷合金 (DT790)及制備方法，該合金具有高密度高韌性和超高強度，動態強度高等優異性能，密度 達到11. 0-15.Og/cm3、沖擊韌性達到80J/cm2以上、靜態拉伸強度達到1300MPa以上、動態 壓縮強度達到1800MPa以上。
【背景技術】
[0002] 在此之前，國際上常用的高密度材料主要是鎢合金，由于鎢的熔點過高，此類材料 通常采用粉末冶金的方法燒結成型，目前國際上廣泛使用的鎢合金有W90、W93、W95和W97 等，此類材料的密度很高，可以達到15-18g/cm3,但強度較低韌性較差，正常燒結態的抗拉 強度達到800-1000MPa，伸長率達到20-30%，為達到更高的強度，需要經過大塑性變形，其 強度可達到1400MPa左右，但塑韌性降低厲害，只有10%左右；特別是粉末冶金工藝決定了 鎢合金的顯微組織是鎢顆粒+粘結相的兩相結構。以廣泛應用的93W為例，近似球形的鎢 顆粒分布于W-Ni-Fe的粘結相中，組織缺乏一致性和連續性，在高應變速率加載條件下力 學性能不佳，限制了大量推廣應用前景。以粉末冶金液相燒結法制備的鎢合金，其強化方式 只能為形變強化，而無法用到金屬材料中廣泛應用的第二相強化。這就決定了未經變形的 鎢合金的力學性能很難提高。而對于大尺寸鎢合金零件，對變形設備的要求極高，同時變形 也容易不均勻，影響組織的均勻性，這也決定了大尺寸鎢合金的力學性能很難提高。
[0003] 幾種媽合金的化學成分和力學性能見表1和表2。
[0004] 表1高密度鎢合金乳制性能（70W-21Ni-9Fe)
[0008] 希望能夠研制一種能夠采用普通鍛鑄冶金工藝生產的高密度合金，具有可鑄造可 鍛造的工藝特點，突破以往鎢合金制備尺寸和強度的極限，同時具有高密度高韌性和超高 強度，動態強度高等優異性能。由此在鎢-鎳固溶體或鎢_鈷固溶體中加入強化元素如Ti、 Al、Nb等形成強化相y'等通過時效析出提高強度，如發明專利DT730等，但受限于Y' 相形成元素的溶度積，通常此類合金中鎢元素含量小于40%時，密度很難提高到12g/cm3以 上，誠然當鎢元素含量小于40%時，熔點降低至1500°C以下，固溶溫度降低到1050°C以下， 可以具有$父好的鑄造和鍛造工藝性能，但為進一步提尚密度和動能，必須進一步提尚媽兀 素的含量，鎢元素超過38%時，合金是雙相組織，通常雙相鎢鎳合金的鑄造和鍛造工藝性能 急劇下降，常規的工藝不能簡單的適用，需要工藝上的精確控制。
[0009] 希望研制一種密度達到11. 0-15.Og/cm3、沖擊韌性達到80J/cm2以上、靜態拉伸強 度達到1200MPa以上、動態壓縮強度達到1800MPa以上的雙相高密度合金及其制備方法，使 密度進一步提高，同時實現工業化的生產。因此，新概念的雙相高鎢耐熱合金的開發提到科 研日程上來。
【發明內容】
[0010] 本發明的目的在于提供一種雙相高密度可鑄鍛動能鎢鎳鈷合金及制備方法，綜 合性能優良，具有具有高密度高韌性和超高強度，超高動態強度等優異性能，密度達到 11. 0-15.Og/cm3、沖擊韌性達到80J/cm2以上、靜態拉伸強度達到1200MPa以上、動態壓縮強 度達到1800MPa以上，雙相高密度可鑄鍛動能鎢鎳合金及制備方法。
[0011] 基于上述目的，本發明的主要技術方案是在鎢鎳或鎢鈷單相合金的基礎上，與單 相鎢鎳或鎢鈷合金相比，強化方式由W顆粒增強+Ni4W析出復合強化代替單相動能合金的 Y'相強化，為此合金中W含量控制在35-65%之間，同時也可以采用W及其他強化元素 1131、他、了3元素的復合加入，利用￥顆粒增強+附41析出強化與7/相復合強化，形成 超高強度的高密度（彡llg/cm3)雙相超高強度動能合金，同時嚴格控制（W+Ta)/Ni配比以 及（W+Nb)/Ni、（W+Ti+Al)/Ni合金成分配比，本發明鋼可采用常規的冶金工藝進行生產，采 用真空感應+真空自耗，通過精確控制的鑄造、開坯和鍛造工藝，實現大批量、穩定性工業 化大生產。該合金的化學成分（重量％ )為：W35-65%，其他可含有Ti0-3%，A10-3% 和Nb0-8%，Ta0-10 %，其余為Ni或Co或（Ni+Co)以及其他不可避免的雜質元素及微量 元素如稀土等。本發明與現有技術相比綜合性能優良。
[0012] 上述化學成分的設計依據如下：
[0013]Ni:基體元素，保證在得到高密度的同時具有良好的強韌性配合，Ni可以將W固溶 于相對低熔點金屬中，從而使得采用熔煉的方式制備高密度合金成為可能。由于熔煉不存 在致密度的問題，且可以通過鍛造的方法細化晶粒，可通過固溶-析出的方式以第二相強 化，也是Ni4W強化相，因此，力學性能可以大大提高。
[0014]Co:基體元素，可以與Ni互換，可以與Ni復合使用也可以單獨應用，可以將W固溶 于相對低熔點金屬中，從而使得采用熔煉的方式制備高密度合金成為可能。但W在Co中固 溶度不及在Ni中的固溶度，因此通常為提高W的固溶含量常采用Ni基或以Ni為主的NiCo 復合。Co會促進析出相的析出，同時在Co基高密度動能合金中，Co會形成Co4W相等進行 析出強化。因此本發明中Co可以單獨最為基體元素使用也可以與Ni復合使用。
[0015]W:是提高密度的主要元素，固溶在Ni基體中，不僅提高密度，易可通過Ni4W時效 析出強化，理論上W含量越高越好，但W在Ni中固溶度有限，超過40%時獲得雙相組織， 超過70%時則由于熔點過高，只能采用粉末冶金的工藝，如果過低小于35%，密度達不到 11.Og/cm3,因此在本專利范圍，W含量限定為35-65%。
[0016]Ta:是較好的提高密度的元素，作用與W相當，但由于Ta是戰略資源，價格昂貴，特 別是Ta在冶煉中造成的污染問題限制了Ta的使用，因此本發明將Ta的含量控制在10%以 內。
[0017] Ti:加入一定量Ti會在時效過程中析出Y'相，可有效提升力學性能，但過多會嚴 重降低塑韌性，因此本發明控制在3%以內。
[0018]Al:加入一定量Al會在時效過程中析出Y'相，可有效提升力學性能，但過多會嚴 重降低塑韌性，因此本發明控制在3%以內。
[0019]Nb:加入一定量Nb會在時效過程中析出Y'相，可有效提升力學性能，但過多會嚴 重降低塑韌性，因此本發明控制在8%以內。
[0020] 本發明的高密度超高強度耐熱合金易于采用真空感應+真空自耗重熔，其具體工 藝參數如下：
[0021] 鋼錠開坯溫度1200-1250 °C，裝爐溫度彡600°C;
[0022] 鍛造加熱溫度：1150 - 1180°C，1120°C彡開鍛溫度彡1180°C，850°C彡終鍛溫度 ^ 9500C；
[0023] 最終熱處理：
[0024]加熱到580_780°C，熱透后5小時彡保溫時間彡20小時，空冷；或進行二次時效處 理。
[0025] 根據上述化學成分及生產方法所制備的本發明合金，具有雙相組織、高密度、高 韌性和超高強度的優點，具體的性能為：密度達到11. 0-15.Og/cm3、靜態拉伸強度達到 1200MPa以上、動態壓縮強度達到1800MPa以上。與現有技術相比，本發明綜合性能優良，具 有更高的強度和密度，同時具有良好動態強度，組織一致性和均勻性好，可采用常規鑄造和 鍛造工藝生產。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明13#試驗鋼金相組織圖。
[0027] 圖2為對比鋼單相鎢鎳鈷合金金相組織圖。
【具體實施方式】
[0028] 根據本發明雙相高密度可鑄鍛動能鎢鎳鈷合金的化學成分范圍，采用25公斤真 空感應爐制備20公斤的合金錠15爐，其具體化學成分見表1.
[0029] 試驗鋼冶煉澆鑄成鋼錠后，進行1180°C開坯，鍛造加熱溫度為1170°C，終鍛溫度 900 °C。鍛造試棒尺寸為：(6 15X2000、15X15X2000。
[0030] 鍛后試棒首先進行試樣段加工拉伸、沖擊試樣毛坯。最后進行時效處理：時效處理 700°CX10h，AC。試樣毛坯磨削加工后即可測試力學性能見表2。
[0031] 為了對比，在表1和表2列入了對比例93W-7 (Ni,Fe)等的化學成分和力學性能。
[0032] 從表1看出，與對比例93W-7 (Ni,Fe)等鎢合金相比，本發明的主要技術方案是鎢 鎳鈷組織雙相合金，同時可添加Ta、Ti、Al、Nb元素，形成時效強化的高密度（彡llg/cm3) 超高強度動能合金，由于嚴格的（W+Ta)/Ni配比以及（W+Nb)/Ni、（W+Ti+Al)/Ni合金成分配 比，本發明鋼可采用常規的冶金工藝進行生產，采用真空感應+真空自耗，采用普通鍛造技 術即可，與鎢合金必須采用的粉末冶金方法相比，易于大批量、穩定性工業化大生產，與單 相無鎳鈷合金相比，本發明合金的組織具有均勻顆粒強化和連續性，見1。
[0033] 由表2看出，本發明鋼種與對比例相比，具有高密度高韌性和超高強度，動態強 度高等優異性能，可以采用常規工藝生產，密度達到11. 0-15.Og/cm3、靜態拉伸強度達到 1200MPa以上、動態壓縮強度達到1800MPa以上?
[0034] 表5本發明實施例與對比例化學成分（wt% )對比表
[0035]
【主權項】
1. 一種雙相高密度可鑄鍛動能鎢鎳鈷合金，其特征在于，化學成分重量％為：w 35-65%，Ti 0-3 % ,Al 0-3%，Nb 0-8%，Ta 0-10%，余量為 Ni 或 Co 或 NiCo 及不可避免 的雜質元素及微量元素。2. -種權利要求1所述的一種雙相高密度可鑄鍛動能鎢鎳鈷合金的制備方法，采用真 空感應+真空自耗重熔，其特征在于，工藝中控制的技術參數如下： 鋼錠開坯溫度1200- 1250°C，裝爐溫度< 600°C ; 鍛造加熱溫度：1150 - 1180 °C，1140 °C <開鍛溫度< 1180 °C，900 °C <終鍛溫度 ^ 1000 0C ； 最終熱處理： 加熱到650-780°C，熱透后5小時<保溫時間< 20小時，空冷；或進行二次時效處理。
【專利摘要】一種雙相高密度可鑄鍛動能鎢鎳鈷合金及制備方法，屬于動能合金領域，該合金的化學成分重量％為：W？35-65％,Ti？0-3％,Al？0-3％，Nb？0-8％，Ta？0-10％，余量為Ni或Co或NiCo及不可避免的雜質元素及微量元素如稀土等。制備方法采用真空感應+真空自耗重熔。本發明與現有技術相比綜合性能優良，具有高密度高韌性和超高強度，超高動態強度等優異性能，密度達到11.0-15.0g/cm3、沖擊韌性達到80J/cm2以上、靜態拉伸強度達到1300MPa以上、動態壓縮強度達到1800MPa以上。
【IPC分類】C22C19/03, C22C27/04, C22F1/10, C22F1/18, C22C1/02, C22C19/07
【公開號】CN105088017
【申請號】CN201510567928
【發明人】王春旭, 厲勇, 譚成文, 劉少尊, 于曉東, 王富恥, 黃順喆, 韓順, 劉憲民, 李建新, 龐學東
【申請人】鋼鐵研究總院
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年9月8日