范景蓮，李鵬飛，劉　濤，韓　勇，呂永齊（中南大學粉末冶金國家重點實驗室，湖南長沙410083）

高性能細晶鎢及鎢合金的研究進展

范景蓮，李鵬飛，劉濤，韓勇，呂永齊
（中南大學粉末冶金國家重點實驗室，湖南長沙410083）

摘要：高性能鎢及鎢合金是國防工業(yè)和尖端技術領域中的關鍵材料，新的制備技術使鎢材料在致密度、組織均勻性、力學性能及物理性能等方面有了明顯提高。綜述了國內(nèi)外采用納米復合技術制備細晶W-Ni-Fe合金、細晶WCu材料、高致密細晶純鎢材料，以及采用微納復合技術制備稀土氧化物和碳化物增強細晶鎢的研究進展，分析了目前制備過程中存在的問題，并進一步展望了高性能鎢及鎢合金材料的發(fā)展趨勢和應用前景。

關鍵詞：高性能鎢合金；細晶；組織均勻性；納米復合技術；微納復合技術

資助項目：國家科技部重大專項（2014GB115000）；教育部博士點基金（20130162130002）

0　前　言

鎢及鎢合金材料具有熔點高、硬度高、高溫強度好、熱膨脹系數(shù)小、熱導率高、抗中子輻射能力強、耐腐蝕性強等優(yōu)點，已成為武器裝備、航空航天、原子能等國防工業(yè)領域和微電子信息、電氣工程、機械加工等尖端技術領域具有不可替代作用的關鍵材料[1-3]。近年來，隨著科學技術的飛速發(fā)展，鎢及鎢合金的應用領域日益擴展，同時也對其性能提出了更為苛刻的要求，例如在兵器領域，要求鎢合金具有高強韌性的同時，還要具有良好的超高速動能穿甲自銳和破甲射流，以實現(xiàn)高的毀傷功能；在核聚變領域，作為聚變堆托克馬克裝置中的面向等離子體鎢材料，其工作溫度最高已達1 600℃，這就要求必須具有高的高溫強度和高的再結晶溫度；在大規(guī)模集成電路微電子信息領域，要求具有良好的強韌、非常細小均勻的組織結構和良好的導電導熱特性。而采用傳統(tǒng)方法制備的鎢及鎢合金由于致密度低、晶粒粗大或組織均勻性差等缺陷，難以滿足尖端技術領域?qū)Ω咝阅苕u材料的需求。

目前，為了進一步提升鎢及鎢合金的性能，國內(nèi)外研究學者較多的采用納米復合技術或微納復合技術以提高鎢及鎢合金的性能。采用納米復合技術可制備出高燒結活性的納米復合粉末，并改變合金元素的固溶性和界面結構，通過控制燒結工藝或采用晶粒抑制技術可制備出高致密、組織均勻的細晶高性能鎢及鎢合金；采用微納復合技術能改變不同組元的界面相容性，并最大限度地提高第二相粒子在合金中彌散分布的均勻性，細化鎢晶粒，提高合金再結晶溫度，提升高溫性能等。為此，本文論述了采用納米復合技術或微納復合技術制備細晶鎢及鎢合金的研究現(xiàn)狀，并展望了高性能細晶鎢及鎢合金的發(fā)展趨勢和應用前景。

1　納米復合技術制備細晶/超細晶鎢及鎢合金材料

1.1細晶W-Ni-Fe合金

與傳統(tǒng)粗晶鎢合金相比，當鎢合金的晶粒細化后，合金具有非常復雜的界面結構，大大增加了合金的形變加工量，從而在很大程度上提高合金的力學性能。有研究表明，細晶鎢合金的最大抗拉強度可達1 700 MPa，比傳統(tǒng)鎢合金提高30 %左右；另外，鎢合金晶粒細化后其動態(tài)力學性能得到顯著提高，并增加用作動能穿甲彈時的“自銳化效應”。因此，細晶鎢合金在武器裝備等領域有著廣泛的應用前景。納米復合技術能有效實現(xiàn)W-Ni-Fe合金的細晶強韌化，已成為目前高性能W-Ni-Fe合金制備技術的研究熱點。

1. 1. 1 W-Ni -Fe粉末的制備

原始粉末的純度、粒度、晶粒度、均勻性等對制備細晶高致密的鎢合金起著決定性的作用。對超細/納米鎢合金粉末的制備方法主要有機械合金化、噴霧干燥法、溶膠-凝膠法以及溶膠-噴霧干燥-多步氫還原法[4-6]。采用機械合金化方法制備的粉末混合均勻化程度高，可達到原子級水平，但制備過程中易引入雜質(zhì)，粉末易成團結塊，黏壁現(xiàn)象嚴重。為此，范景蓮等[6]采用機械合金化過程中添加少量的過程控制劑（PCA），使粉末顆粒表面形成一層液相膜，利用有機膜所產(chǎn)生的空間位阻效應，阻止粉末顆粒表面在機械合金化過程中直接接觸而產(chǎn)生的團聚，這一技術不僅有利于細化粉末，而且還可以有效避免顆粒細化過程中從研磨體和研磨罐上引入的雜質(zhì)。

采用噴霧干燥法制備的粉末顆粒細小，成分均勻性好，形貌呈球形，與常規(guī)方法混合的復合粉末相比，具有良好的壓制成形性能和燒結性能。國內(nèi)張麗英[7]等人用溶液超聲噴霧轉換的方法制得了納米級的W-Ni-Fe系復合氧化物粉末，其BET粒度小于30 nm，形貌近似球形。近年來，范景蓮等在噴霧干燥法的基礎上發(fā)明了溶膠-噴霧干燥-二步氫還原技術，已成功制備粒度在100 nm以下的W-Ni-Fe復合粉末（如圖1所示）。

圖1　噴霧干燥-二步氫還原制備的納米W-Ni-Fe復合粉末Fig.1 Prepared Nano W-Ni-Fe composite powder by spraydrying-two step hydrogen reduction

1. 1. 2細晶W-Ni -Fe合金的燒結

超細/納米W-Ni-Fe復合粉末采用傳統(tǒng)的液相燒結工藝時，合金的晶粒非常容易長大，從而喪失了納米粉末的優(yōu)勢。因此，為控制納米粉末燒結過程中的晶粒長大，開發(fā)了一些新的燒結技術如低溫燒結、瞬時液相燒結以及微波燒結等方法獲得細晶的顯微結構。

低溫燒結：納米粉末比表面和界面多，比表面能高，使原子的擴散性大大增加，此外，大部分的原子、電子位于納米顆粒的表面，這些處于極端不穩(wěn)定的電子和懸空鍵非常容易結合和發(fā)生反應，這些因素使得粉末的燒結活性大大增加，從而在低于液相溫度以下可得到近全致密且晶粒細小的鎢合金。范景蓮等[8]采用機械合金化制備的納米90W-7Ni-3Fe復合粉末，通過在1 400℃左右的低溫燒結得到的鎢合金晶粒尺寸在3~5 μm，抗拉強度可達1 130 MPa。

瞬時液相燒結：通過固相燒結來制備細晶鎢合金雖然可以避免液相燒結過程中的晶粒長大，但是由于固相燒結后鎢顆粒之間沒有經(jīng)過液相階段的重排，各鎢顆粒間的接觸度都比較大，因此合金雖然具有很高的強度但是延伸率一般較低，而對固相燒結燒結后的合金再進行短時間的液相燒結，可以在避免鎢晶粒長大的基礎上，獲得組織均勻的鎢基高比重合金。范景蓮等[9-11]系統(tǒng)研究了納米W-Ni-Fe液相燒結過程中的致密化行為、組織特征、致密化機理和稀土抑制氣泡形成和晶粒長大的機制，采用稀土微合金化+瞬時液相燒結技術得到抗拉強度為1 055 MPa、延伸率≥20 %的細晶W-Ni-Fe合金，合金中鎢晶粒呈球形，W-W之間的接觸度比低溫燒結大為降低，晶粒尺寸在8~10 μm之間（圖2）。經(jīng)快速熱擠壓變形后，球形的鎢顆粒沿擠壓方向嚴重變形并呈纖維狀，徑向尺寸僅為1~2 μm，橫向尺寸約為10 μm（如圖3所示），縱橫比約為8~10，鎢顆粒內(nèi)部微孔經(jīng)擠壓變形后消失，添加微量稀土的細晶鎢合金棒材經(jīng)快速熱擠壓后材料的抗拉強度均在1 600 MPa以上，延伸率均在6 %以上[12]。

圖2　細晶W-Ni-Fe合金金相與SEM照片F(xiàn)ig.2 Finegrained W-Ni-Fealloymicrostructureand SEMphotos

微波燒結：依靠材料本身吸收微波能轉化為內(nèi)部分子動能、勢能而加熱燒結的一種燒結工藝，具有快速加熱、快速燒結、高效節(jié)能及改善組織、提高材料性能等一系列優(yōu)點。A. Upadhyaya等[13]人采用微波燒結制備出了晶粒度為5 μm的高比重合金，與傳統(tǒng)的燒結工藝相比，節(jié)省了大約75 %的時間，同時提高了合金性能。

圖3　細晶W-Ni-Fe合金快速熱擠壓后的顯微組織Fig.3 Microstructure of finegrainedW-Ni-Fealloyafterquickhotextrusion

此外，為了抑制鎢晶粒在燒結過程中的長大，國內(nèi)外研究人員常常在材料中添加晶粒長大抑制劑，在鎢合金中添加的晶粒長大抑制劑主要是稀土及其氧化物如Y2O3，La2O3，CeO2等。K. H. Lee等[14]通過機械合金化的方式制備了94W-4.56Ni-1.14Fe-0.3Y2O3復合粉末，其研究結果表明，用該粉末制備的鎢合金中，稀土主要以Y2O3的形式存在，其不僅分布于粘結相中，在W顆粒的內(nèi)部也有存在，而且稀土氧化物的加入顯著細化了晶粒。但是其合金的室溫力學性能并沒有得到提高，反而隨著稀土的加入量的增加而降低，合金的強度從1 100 MPa降低到加入0.3 %Y2O3時的800 MPa，延伸率從25 %降低到10 %左右。

1.2高致密細晶W-Cu材料

W-Cu材料由于具有導電導熱率高、熱膨脹系數(shù)低和耐熱性好等優(yōu)點，廣泛應用于電工電子、儀器儀表、國防軍工、航空航天等領域。但由于W與Cu熔點相差很大，而且兩者互不相溶，采用熔滲燒結和活化燒結的傳統(tǒng)粉末冶金制備方法，存在致密度低、孔隙度大、組織不均勻等缺陷，致使其不能很好地滿足熱沉、電子封裝等領域的應用要求。為了獲得高性能W-Cu材料，國內(nèi)外研究者主要通過粉末的納米化（或納米復合）來提高燒結活性，從而制備近全致密化細晶W-Cu材料。目前，超細/納米W-Cu復合粉的制備方法主要有：機械合金化、氧化物共還原法、溶膠-噴霧干燥法-多步氫還原法等。

采用機械合金化不僅能使W和Cu混合粉末在高能球磨的作用下獲得分布均勻的合金粉，而且還獲得細小的納米晶。范景蓮等采用機械合金化制備出W-20Cu復合粉末，該粉末晶粒尺寸為30 nm左右，粉末費氏粒度為200 nm左右，使用此粉末制備的樣品在較低溫度下燒結時，可得到近全致密的細晶W-Cu材料。但是，由于機械合金化容易引入雜質(zhì)，致使合金的導熱、導電性能有一定的下降。

氧化物共還原法是將W、Cu組成的復合氧化物共還原可生成非常均勻的復合粉末。但是，氧化物共還原法存在氧化物混合均勻性的問題，氧化物混合不均會造成還原復合粉末的不均勻性，從而造成合金中Cu相分布的不均和偏聚。

噴霧干燥-熱還原法是近年來發(fā)展的一種制備超細/納米W-Cu復合粉的新方法。范景蓮等采用溶膠-噴霧干燥-多步氫還原技術制備出不同Cu含量的納米W-Cu復合粉末，其晶粒尺寸約為20~50 nm，氧含量低于0.2 %（質(zhì)量分數(shù)）。通過XRD、HRTEM 對W-Cu粉末的晶格常數(shù)測定，率先發(fā)現(xiàn)了W與Cu的相互固溶。制備的納米W-Cu復合粉末采用常規(guī)燒結方法在較低溫度燒結后便獲得比傳統(tǒng)W-Cu材料更高的相對密度，且材料晶粒細小，組織均勻（如圖4）。此外，范景蓮等人[15-16]依據(jù)超細/納米W-Cu復合粉末的燒結機制，通過優(yōu)化低溫液相燒結工藝制備出多種成分的高性能細晶W-Cu復合材料，其性能如表1所示，從表1中可以看出，采用超細/納米鎢銅復合粉末制備的細晶鎢銅復合材料具有優(yōu)異的熱物性能及力學性能，其性能達到或接近國外先進水平，可替代國外進口鎢銅材料用于制作電極材料、電子封裝材料及熱沉材料，滿足我國高精密機械加工、微電子信息等領域發(fā)展的需要。

圖4　細晶W-20Cu燒結60 min時的顯微組織Fig.4 Microstructure of fine grained W-20Cu sintered at 60 min（a）—1 300℃；（b）—1 380℃

此外，為了使超細/納米W-Cu復合粉末燒結后具有高致密度和細晶組織，一些特殊的燒結技術如熱壓燒結、微波燒結、等離子燒結、電火花燒結等強化燒結也在近年得到了發(fā)展。北京科技大學的趙放等[17]采用熱壓燒結技術對超聲噴霧熱轉化-氫還原制得的超細晶W-40 %Cu復合粉末進行致密化，研究發(fā)現(xiàn)，熱壓燒結制備的W-40 %Cu合金的W晶粒僅為0.5 μm。但是，這些燒結方法對燒結設備和產(chǎn)品形狀都有一定的要求，目前還只限于實驗室研究。

表1細晶鎢銅復合材料熱物性能與力學性能Tab.1 Thermal and mechanical property of fine-grained W-Cu composites

1.3高致密細晶純鎢

由于鎢的熔點很高（3 410℃以上），導致其燒結性能很差，傳統(tǒng)微米級鎢粉要在高達2 300℃才能達到95 %~96 %的致密度，耗能嚴重同時對設備的承受能力要求高。隨著尖端科學技術的發(fā)展，極端使用條件下要求鎢材料的致密度達到99 %以上且組織均勻細小，以充分利用其各項優(yōu)良特性。采用納米技術制備具有高表面活性的超細/納米級鎢粉，可以大幅度降低粉末的燒結活化能，提高粉末的燒結活性，從而在相對低的溫度下獲得高致密鎢材料。

Tao Lin等人[18]采用“超聲噴射-高能球磨-熱轉化”法制得平均顆粒粒徑為19 nm的鎢粉，該粉末燒結在1500℃下燒結得到的鎢材料相對密度為96.4%；Taegong Ryu等人[19]采用熱等離子體法制備了平均粒徑為25 nm的粉末，在1 400℃下燒結制得致密度為92 %的鎢材料；Wang等人[20]采用化學方法制備了BET粒徑為64 nm的鎢粉，該粉末在1 400℃下燒結得到致密度為91 %的鎢材料。近年來，范景蓮等采用“溶膠噴霧干燥-煅燒-氫熱還原”法制備了BET粒徑為210 nm的超細鎢粉（如圖5），在常壓氫氣條件下1 900℃燒結2 h致密度即可達97.5 %，且晶粒均勻細小，平均為5 μm（如圖6）。

2　微納復合技術制備第二相彌散強化細晶鎢

2.1稀土氧化物彌散增強細晶鎢

稀土氧化物（Y2O3、La2O3、Nd2O3、Sm2O3、ThO2等）具有優(yōu)異的化學和熱學穩(wěn)定性，作為第二相粒子彌散分布的稀土氧化物粒子能夠阻礙晶界遷移，細化晶粒，提高再結晶溫度，并且能阻礙位錯運動而提高材料的強度。因此，稀土氧化物彌散強化鎢成為國內(nèi)外研究的熱點。

圖5　噴霧干燥-氫還原超細W粉Fig.5 UltrafineWpowderbyspraydrying-twostephydrogenreduction

圖6　細晶鎢金相照片F(xiàn)ig.6 Photo of fine grained W alloy

采用機械合金化能有效地實現(xiàn)稀土氧化物的均勻分布，并提高粉末的燒結活性。瑞士的Battabyal M 等[21-22]利用機械合金化法制備出W-Y混合粉，進行熱鍛成形燒結制備出W-2 %Y2O3合金，室溫時抗彎強度達到1 277 MPa，1 000℃時達到581 MPa；拉伸與沖擊試驗顯示，材料在1 000℃的為脆性，1 300℃表現(xiàn)為韌性（屈服強度為100MPa，平均延伸率為3%）。西班牙的Monge等[23]利用高能球磨+兩步熱等靜壓制備W-0.5 %Y2O3和W-（2 %~4 %）Ti-0.5 %Y2O3合金，結果表明W-0.5 %Y2O3合金的燒結致密度為92.7 %，晶粒尺寸4.4 μm，W-（2 %~4 %）Ti-0.5 % Y2O3合金第一步低溫HIP就達到全致密，晶粒尺寸3.3 μm。Ti可作為燒結助劑，在較低溫度下可使合金達到全致密，同時還可以抑制W晶粒的長大，但添加Ti會使W的DBT提高至600℃左右。

為了促進稀土氧化物在合金組織中的進一步均勻性和提高強化的效果，目前國內(nèi)外主要采用稀土硝酸鹽為原材料，如La（NO3）3、Y（NO3）3，通過液/固或液/液的方式加入到氧化鎢、鎢鹽（如仲鎢酸銨）中，并通過熱還原制備出含有納米或超細稀土氧化物顆粒的鎢復合粉，然后經(jīng)高溫燒結后制備出含有稀土氧化物顆粒彌散強化的W合金。瑞典的Mazher AY等[24]采用濕化學法+SPS燒結獲得W-0.9% La2O3合金，結果表明通過控制化學反應可獲得La包覆的納米晶W復合粉末，經(jīng)1 400℃和75 MPa壓力下SPS燒結，合金致密度達到94 %，晶粒尺寸為9.7 μm。范景蓮等采用“溶膠-噴霧干燥-熱還原”制備方法制備一系列不同La2O3、Y2O3含量（質(zhì)量分數(shù)0.1 %，0.3 %，0.5 %，0.7 %）的兩種鎢材料，W-Y2O3/ La2O3材料燒結能夠達到理論密度99 %以上，并且隨著Y2O3/La2O3含量的提高，晶粒得到明顯細化，如圖7所示，稀土氧化物彌散分布于材料晶界。特別是W-0.3Y2O3材料能夠達到最高的抗彎強度718.1 MPa，并且晶粒尺寸大致在10 μm左右。

圖7　 W-Y2O3材料的斷口掃描形貌Fig.7 SEM morphology of W-Y2O3materials

2.2碳化物粒子彌散強化細晶鎢

碳化物具有高熔點、良好的熱穩(wěn)定性與耐腐蝕性能、與鎢比較接近的熱膨脹系數(shù)和低密度（TiC、ZrC密度分別為4.9 g/cm3和6.9 g/cm3）等優(yōu)點。當細小碳化物均勻分布在W晶粒內(nèi)部和晶界處，不僅可以阻礙位錯運動，同時還能釘扎晶界遷移、細化晶粒，從而提高合金再結晶溫度和高溫力學性能，因此，碳化物增強鎢材料已成為國內(nèi)外正在積極開發(fā)的一種重要高溫材料。

為了實現(xiàn)碳化物在鎢基體中均勻分布并使其起到良好的彌散強化效果，國內(nèi)外研究者主要通過高能球磨來制備出含有納米陶瓷相粒子的鎢復合粉末，然后通過熱壓或熱等靜壓制備出碳化物增強細晶鎢材料。例如，在TiC彌散增強鎢方面，日本H Kurishita等人采用高能球磨+熱等靜壓+高溫鍛造方法制備出W-（0~1.5）%TiC（質(zhì)量分數(shù)）材料，結果表明添加TiC后鎢晶?？杉毣?00 nm，材料致密度達到99 %，材料的室溫和高溫強度得到顯著提高（室溫抗強度為1.6~2.0 GPa，1 750℃最大抗彎強度達到2.5 GPa）[25-27]；并且添加TiC后表現(xiàn)出良好的抗熱負荷能力和抗中子輻照能力[28]。同時，國內(nèi)吳玉程、種法力等人[29-30]采用高能球磨和熱壓燒結的方法制備了W-（1、10）%TiC（質(zhì)量分數(shù)）的納米復合材料，致密度達到98.4%，抗彎強度最高達到1065 MPa，在4 MW/m2高熱密度下表現(xiàn)出良好抗高熱負荷能力。在ZrC增強鎢性能方面，韓國Kang S[31-32]等人采用熱壓、放電等離子體燒結方法制備了W-（10~ 30）%ZrC（體積分數(shù)）復合材料，結果顯示ZrC能夠有效將晶粒細化至1.6 μm以下，W-30 %ZrC（體積分數(shù)）復合材料在1000℃時抗彎強度達到1425 MPa左右。伊朗Roosta M[33-34]等人采用熱壓方法制備了W-40 %ZrC（體積分數(shù)）的復合材料，在固體（含20 %Al）火箭發(fā)動機火焰下沖刷30 s后，材料的失重為17 %，僅為傳統(tǒng)W-20 %Cu（體積分數(shù)）材料失重率的一半，具有良好的抗燒蝕性能。同時，國內(nèi)王玉金、宋桂明[35-37]等人采用熱壓制備了W-（20、30）% ZrC（體積分數(shù)）復合材料，該材料在1 000℃時的抗彎強度為700 MPa左右，材料晶粒為5 μm左右。

但是，高能球磨過程中易引入雜質(zhì)，熱壓法對設備的要求和損耗非常大、制備成本很高，并且熱壓法一般只能制備尺寸較小、形狀較簡單的零部件，因而應用存在很大限制。范景蓮[38]等采用微納復合技術，通過“非均相沉淀包覆-噴霧干燥-熱還原”制備出碳化物均勻分布的微納復合鎢粉，通過常壓氫氣燒結制備出致密度超過98.5 %的高性能碳化物增強鎢合金，并系統(tǒng)研究了（0.1~10）%TiC（質(zhì)量分數(shù)）和（1.0~5.0）%ZrC（質(zhì)量分數(shù)）對鎢材料致密度、強度、組織的影響，研究發(fā)現(xiàn)TiC與ZrC含量對材料性能影響較大，存在一個最佳的成分含量，如圖8所示。采用微納復合技術，不僅對設備要求低和對產(chǎn)品形狀無要求限制，而且制備鎢合金晶粒組織細小、致密度高，具有優(yōu)異的室溫和高溫力學性能，材料在200MW/m2的高熱負荷下不發(fā)生開裂（圖9），性能明顯優(yōu)于常規(guī)鎢材料。

圖8　 W-TiC和W-ZrC材料的拉伸強度隨溫度和成分的變化曲線Fig.8 Variation curves of tensile strength of W-TiC and W-ZrC materials with temperature and composition

圖9　 W-3 %ZrC（質(zhì)量分數(shù)）樣品高熱流負荷后表面的形貌Fig.9 Surface morphology of W-3 % ZrC（mass fraction）sample at the heat load

3　應用與展望

鎢及鎢合金材料擁有非常特殊的性能，是一種非常重要的戰(zhàn)略物資，在武器裝備、航空航天、原子能、微電子信息等領域廣泛應用，具有舉足輕重的地位。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，新技術和新工藝不斷引入到鎢及鎢合金材料制備中，其中采用納米復合或微納復合技術制備的鎢及鎢合金材料在致密度、組織均勻性、力學性能及物理性能等方面表現(xiàn)優(yōu)異，在機械精密加工、電子封裝、高毀傷穿破甲材料、火箭發(fā)動機、核反應堆高溫面壁材料、偏濾器等均具有良好的應用前景。但是，尖端技術的不斷發(fā)展，也將對材料的使用性能提出更高要求，因而對鎢及鎢合金的材質(zhì)設計與微結構控制基礎理論進行深入研究，同時深入開展其使用（服役）行為研究，將使高性能微細結構粉末冶金鎢合金材料獲得更加廣泛的應用。此外，中國是鎢資源大國，在發(fā)展高性能細晶鎢制品產(chǎn)業(yè)方面有著得天獨厚的資源優(yōu)勢，開展高性能細晶鎢及鎢合金材料的研究將引導鎢由初級產(chǎn)品向高附加值的鎢產(chǎn)品發(fā)展，提升鎢產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新能力，促進中國有色金屬工業(yè)的全面、健康發(fā)展。

參考文獻：

[1]FAN J L，GONG X，HUANG B Y，et al. Densification behavior of nanocrystalline W-Ni-Fe composite powder prepared by sol-spray drying and hydrogen reduction process[J]. Journal of Alloys and Compounds，2010，489（1）：188-194.

[2]WANG W F. Effect of tungsten particle size and copper content on working behavior of W-Cu alloy electrodes during elect rodischarge machining[J]. Powder Metallurgy，1997，40（4）：295-300

[3]SRIKANTH R，DAVID L，BOURELL. Synthesis and evaluation of advanced nanocrystalline Tungsten -based Materials[J]. P/M Science and Techenology Briefs，1999，1（1）：9-14.

[4]FAN J L，HUANG B Y. Densification and microstructure characteristics of mechanically alloyed W -Ni -Fe powders[J]. Journal of Advanced Materials，2004，36（4）：48-52.

[5]FAN J L，LIU T，HUANG B Y，et al. Preparation and sintering of nanosized W -Ni -Fe powder by sol -spray drying process[J]. Materials Science Forum，2007，（534/536）：1409-1412.

[6]FANJL，LIUT，CHENGHC，etal.Preparationoffinegraintungsten heavy alloy with high properties by mechanical alloying and yttrium oxide addition[J]. Journal of Materials Processing Technology，2008，208（1/3）：463-469.

[7]張麗英，吳慶華，吳成義，等. W-Ni-Fe系納米級復合氧化物粉末的制取及粉末特性[J].北京科技大學學報，1998，20（4）：326-330.

ZHANG Li-ying，WU Qing-hua，WU Cheng-yi，et al.Making WNi-Fe system nanomic composite oxied power and its futures[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing，1998，20 （4）：326-330.

[8]范景蓮，曲選輝，李益民，等.高比重合金的固相燒結[J].中國有色金屬學報，1999，9（2）：327-329.

FAN Jing -lian，QU Xuan -hui，LI Yi -min，et al. Solid -state sintering of tungsten heavy alloy[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，1999，9（2）：327-329.

[9]祁美貴，范景蓮，張驍，等.微量Y2O3對細晶W-Ni-Fe粉末燒結行為和顯微組織的影響[J].中國有色金屬學報，2009，19（4）：656-661.

QI Mei-gui，F(xiàn)AN Jing-lian，ZHANG Xiao，et al.Influence of trace Y2O3on sintering behavior and microstructure of fine-grain WNi -Fe powders[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2009，19（4）：656-661.

[10]曾毅，范景蓮，龔星，等.納米晶W-Ni-Fe復合粉末燒結過程中的致密化與顯微組織演變[J].中南大學學報：自然科學版，

2011，42（7）：1906-1911. ZENG Yi，F(xiàn)AN Jing -lian，GONG Xing，et al. Densification and microstructure evolution of nanocrystalline W -Ni -Fe composite powders during sintering[J]. Journal of Central South University，2011，42（7）：1906-1911.

[11]范景蓮，曾毅，劉濤，等.納米晶W-Ni-Fe復合粉末及其燒結過程中的固溶特性[J].稀有金屬材料科學與工程，2011，40 （7）：1234-1238.

FAN Jing -lian，ZENG Yi，LIU Tao，et al. Solid Solution Characteristics of Nano-crystalline W-Ni-Fe Powders during the Preparation and Sintering Processes[J]. Rare Metal Materials and Engineering，2011，40（7）：1234-1238.

[12]GONG X，F(xiàn)AN J L，DING F，et al. Microstructure and highly enhanced mechanical properties of fine -grained tungsten heavy alloy after one-pass rapid hot extrusion[J]. Materials Science and Engineering A，2011，528（10/11）：3646-3652.

[13]UPADHYAYA A，TIWARI S K，MISHRA P. Microwave sintering of W-Ni-Fe alloy[J]. Scripta Materialia，2007，（56）：5-8.

[14]LEE K H，CHA S I，RYU H J，et al. Effect of two-stage sintering process on microstructure and mechanical properties of ODS tungsten heavy alloy[J]. Materials Science and Engineering A，2007，（458）：323-329.

[15]范景蓮，朱松，劉濤，等.超細/納米W-20Cu復合粉末的液相燒結機制[J].中國有色金屬學報，2011，21（7）：1587-1593.

FAN Jing-lian，ZHU Song，LIU Tao，et al. Mechanism of ultrafine/ nano W -20Cu composite powder during liquid sintering[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2011，21（7）：1587-1593.

[16]范景蓮，朱松，劉濤，等.溶膠-噴霧干燥W-10Cu和W-20Cu復合粉末的燒結與組織性能研究[J].粉末冶金技術，2011，29（1）：1-8.

FAN Jing-lian，ZHU Song，LIU Tao，et al.Sintering, microstructure and properties of W-10Cu/W-20Cu composite powders synthesized by sol-spray drying[J]. Powder Metallurgy Technology，2011，29 （1）：1-8.

[17]趙放，林濤，張麗英，等.超細晶粒W-40 %Cu合金的燒結和力學性能[J].北京科技大學學報，2007，27（5）：577-581.

ZHAO Fang，LIN Tao，ZHAGN Li -ying，et al. Sintering and mechanical properties of nanoscaled W-40%Cu alloys[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing，2007，27（5）：577-581.

[18]LIN T，ZHAO F，ZHANG L Y，et al. Fine grain tungsten produced with nanoscale powder[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing，2005，12（3）：277-280.

[19]RYU T，HWANG K S，CHOI Y J，et al. The sintering behavior of nanosized tungsten powder prepared by a plasma process[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2009，（27）：701-704.

[20]WANG H T，F(xiàn)ANG Z Z，HWANG K S，et al. Sinter -ability of nanocrystalline tungsten powder[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2010，（28）：312-316.

[21]BATTABYAL M，SCHAA咬UBLIN R，SPAA咬TIG P，et al.W-2wt%Y2O3composite：microstructure and mechanical roperties[J]. Materials Science and Engineering：A，2012，538：53-57.

[22]VELEVA L，SCHAA咬UBLIN R，PLOCINSKI T，et al. Processing and characterization of a W-2Y material for fusion power reactors[J].Fusion Engineering and Design，2011，（86）：2450-2453.

[23]AGUIRRE M V，MARTIN A，PASTOR J Y，et al. Mechanical properties of tungsten alloys with Y2O3and Ti additions[J]. Journal of Nuclear Materials，2011，（417）：516-519.

[24]MAZHER A Y，SVERKER W，HANS B，et al.Chemically produced nanostructured ODS-lanthanum oxide-tungsten composites sintered by spark plasma[J].Journal of Nuclear Materials，2011，（408）：129-135.

[25]KURISHITA H，AMANO Y，KOBAYASHI S，et al. Development of ultra-fine grained W-TiC and their mechanical properties for fusion applications[J]. Journal of Nuclear Materials，2007，（367/ 370）：1453-1457.

[26]KURISHITA H，MATSUO S，ARAKAWA H，et al. Superplastic deformation in W-0.5wt.%TiC with approximately 0.1μm grain size[J].Materials Scienceand Engineering A，2008，477（1/2）：162-167.

[27]KURISHITA H，MATSUO S，ARAKAWA H，et al. High temperature tensile properties and their application to toughness enhancement in ultra-fine grained W-（0-1.5）wt% TiC[J]. Journal of Nuclear Materials，2009，（386/388）：579-582.

[28]KURISHITA H，KOBAYASHI S，NAKAI K，et al. Development of ultra -fine grained W -（0.25 -0.8）wt% TiC and its superior resistance to neutron and 3 MeV He-ion irradiations[J]. Journal of Nuclear Materials，2008，（377）：34-40.

[29]于福文，吳玉程，陳勇，等.W-10%TiC復合材料的制備與力學性能研究[J].稀有金屬，2008，32（2）：151-155.

YU Fu -wen，WU Yu -cheng，CHEN Yong，et al. Study on preparation and mechanical properties of W-10%TiC composities[J]. Chinese Journal of Rare Metals，2008，32（2）：151-155.

[30]種法力，于福文，陳俊凌. W-TiC合金面對等離子體材料及其電子束熱負荷試驗研究[J].稀有金屬材料與工程，2010，39（4）：750-753.

ZHONG Li-fa，YU Fu-wen，CHEN Jun-lin.W-TiC alloy plasma facing materials and heat flux performance test under electron beam facility[J]. Rare Metal Materials and Engineering，2010，39（4）：750-753.

[31]KIM J H，PARK C，LIM J，et al. Microstructures and properties of ultrafine grained W -ZrC composites[J]. Alloys compd，2015，（623）：282-289.

[32]KIM J H，SEO M，KANG S. Effect of carbide particle size on the properties of W -ZrC composites[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2010，（527）：4021-4027.

[33]ROOSTA M，BAHARVANDI H. The change occurred in W/ZrC composite properties by using nano reactants[J]. International JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials，2013，（37）：29-32.

[34]ROOSTA M，BAHARVANDI H. The comparison of W/Cu and W/ ZrC composites fabricated through hot -press[J]. International JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials，2010，（28）：587-592.

[35]SONG G M，WANG Y J，ZHOU Y.The mechanical and thermophysical properties of ZrC/W composites at elevated temperature[J]. Materials Science and Engineering A，2002，（334）：223-232.

[36]ZHANG T Q，WANG Y J，ZHOU Y，et al. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of ZrC particles reinforced tungsten-matrix composites[J]. Materials Science and Engineering A，2009，（512）：19-25.

[37]ZHANG T Q，WANG Y J，ZHOU Y，et al. Effect of ZrC particle size on microstructure and room temperature mechanical properties of ZrCp/W composites[J]. Mater Sci Eng A，2010，（527）：4021-4027.

[38]FAN J L，HAN Y，LI P F，et al. Micro/nano composited tungsten material and its high thermal loading behavior[J]. Journal of Nuclear Materials，2014，（455）：717-723.

Advances in Fine Grained Tungsten and Tungsten Alloys with High Performance

FAN Jing-lian, LI Peng-fei, LIU Tao, HAN Yong, LV Yong-qi
(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China)

Abstract:High performance tungsten and tungsten alloy is one of the key materials in the field of national defense industry and advanced technology.The new preparation technology of tungsten materials has been significantly improved in the density, microstructure, mechanical properties and physical properties.The present paper reviews the domestic and abroad research progress in which preparation technology of fine grained W-Ni-Fe alloy, fine grain W-Cu material and high density fine grain tungsten materials by using nano composite, as well as the preparation of rare earth oxides and carbide reinforced fine grain tungsten by the method of micro nano composite technology, analyzes the existing problems in the process of preparation, and further looks forward to the development trend of high performance tungsten and tungsten alloy material and its application prospect.

Key words:tungsten alloy with high performance; grain-refining; structure uniformity; nano-composite technology；micronanocompositetechnology

DOI：10.3969/j.issn.1009－0622.2015.02.009

作者簡介：范景蓮（1967-），女，湖南澧縣人，教授，博士生導師，本刊編委，主要從事高性能難熔材料方面的研究。

收稿日期：2015-03-13

文獻標識碼：A

中圖分類號：TF841