蔡立輝，王廣達，熊 寧，王鳳權(quán)

(1.安泰科技股份有限公司，北京 100094)(2.安泰天龍鎢鉬科技有限公司，天津 301800)

0 前 言

鉬與鎢都是應(yīng)用非常廣泛的難熔金屬材料，均為BCC晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)與原子半徑很接近，可以形成連續(xù)固溶體[1]，目前常見的成分主要是Mo-30W和Mo-50W(質(zhì)量分數(shù))，Mo-30W具有較好的耐鋅腐蝕性能，可以用于煉鋅行業(yè)中的管道、熱偶保護套、攪拌器等部件[2]。Mo-50W合金具有比純鉬更高的再結(jié)晶溫度和高溫強度，比鎢更好的塑性和加工性能，在高溫裝備、熔煉行業(yè)、濺射靶材、航空航天領(lǐng)域等應(yīng)用前景越來越廣泛[3～5]。

鉬鎢合金相比于傳統(tǒng)的布線材料純Mo，具有更低的電阻率，更高的耐腐蝕性能、熱穩(wěn)定性以及阻擋擴散的效果更好，同時具有更優(yōu)異的錐形加工和耐刻蝕性能。因此鉬鎢合金具有可代替純鉬在液晶顯示器中使用的巨大潛力。圖1為W含量對鉬鎢合金電阻率和濺射速率的影響，W含量質(zhì)量比在38%～61%(原子比25%～45%)范圍內(nèi)的鎢鉬合金其綜合濺射鍍膜性能更優(yōu)。

為了拓展和提高鉬鎢合金板材的應(yīng)用，需要我們深入開展Mo-W合金板材的制備與性能研究，因此本文將從粉末配比、燒結(jié)制度、軋制工藝和退火熱處理等方面進行Mo-50W板坯制備研究。

1 試驗材料與方法

試驗使用市售的純度≥99.95%的鉬粉和鎢粉，鎢粉的費氏粒度為2.5 μm，鉬粉的費氏粒度分別為2.0、3.0、4.0 μm。粉末按1∶1質(zhì)量比例，使用三維混料機混合12 h，粉末裝入模具中使用冷等靜壓設(shè)備壓制成板坯，壓制壓力200 MPa。壓坯在中頻感應(yīng)燒結(jié)爐氫氣氣氛下進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度分別為2 100、2 200、2 300 ℃，保溫時間均為5 h。燒坯進行熱軋，軋制方式為單向軋制和換向交叉軋制，總變形量為95%，將軋板進行不同溫度的退火熱處理，退火溫度分別為1 200、1 300、1 400、1 500、1 600 ℃，保溫時間1 h。

圖1 鎢含量對鉬鎢合金電阻率和濺射速率的影響

使用阿基米德排水法檢測合金密度；使用HVS-50數(shù)顯維氏硬度計測試合金硬度，試驗力為30 kg(HV30)，加載時間10 s；使用Olympus GX51 金相顯微鏡觀察分析金相顯微組織；使用CSS-44050型電子萬能試驗機金相合金的高溫拉伸試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉末粒度配比對致密性的影響

為了得到較高的致密度的合金材料，研究了鉬粉與鎢粉的粒度配比。由于粗顆粒鎢粉在同樣的燒結(jié)制度下比細鎢粉致密度差，需要更高的燒結(jié)溫度，因此本文中鎢粉粒度選定為費氏粒度2.5 μm。通過選用不同粒度的鉬粉，和鎢粉進行粒度配比，分析混合后合金粉末的形貌(見圖2)和顆粒性能(見表1)，合金粉末壓制試棒后進行2 200 ℃×5 h的燒結(jié)，分析粒度配比對于燒結(jié)致密性能的影響。

表1 鉬粉與鎢粉粒度配比性能數(shù)據(jù)

從表1看出:隨著Mo粉粒度的增大，鉬鎢合金粉末的費氏粒度也在增大，壓坯強度則相反，細顆粒鉬粉與鎢粉摻混后的壓坯強度最大，反映出這個粒度配比的壓坯成形性最好，較粗顆粒的鉬粉與鎢粉摻混后，顆粒粒度增加而壓坯強度降低，燒結(jié)密度隨之下降，而較低的燒結(jié)密度會導致后續(xù)的軋制開裂等問題。

圖2 鉬粉與鎢粉粒度配比形貌

2.2 燒結(jié)制度對致密度的影響

使用2.5 μm的鎢粉與2.0 μm的鉬粉進行混合后壓制試棒，為了研究燒結(jié)溫度對于鉬鎢合金的致密度的影響，對試棒坯料進行了3種溫度的高溫燒結(jié)，保溫時間均為5 h。表2為不同燒結(jié)溫度下鉬鎢合金坯料致密性能的變化。

隨著燒結(jié)溫度的上升，鉬鎢合金的燒結(jié)密度隨之增加，致密度增強。但是從圖3的金相顯微組織來看，晶粒尺寸也在變大，2 200 ℃燒結(jié)坯料的晶粒尺寸稍大于2 100 ℃燒坯的晶粒尺寸，但是2 300 ℃燒結(jié)溫度下晶粒出現(xiàn)長大現(xiàn)象，部分區(qū)域晶粒長大明顯，這反映出溫度的提高增大了晶粒的長大速度，同時致密度的提升，孔隙減小，抑制晶粒長大的作用也減小[6-8]。

表2 不同燒結(jié)溫度的Mo-50W合金的致密性能

圖3 不同燒結(jié)溫度的鉬鎢合金顯微組織

2.3 軋制方式對板坯性能的影響

選用2.5 μm的鎢粉與2.0 μm的鉬粉，冷等靜壓壓制成板坯，在2 200 ℃×5 h的燒結(jié)制度下高溫燒結(jié)，燒結(jié)板坯(厚度40 mm)進行熱軋變形，軋坯厚度2 mm，總變形率95%。進行了單向軋制和換向前后變形率相等(77.5%)的交叉軋制，用于分析軋制方式對于晶粒顯微組織和性能的影響。熱軋開坯溫度1 500 ℃，保溫時間1 h。交叉軋制換向前，厚度由40 mm軋至9 mm，變形率77.5%，換向后厚度軋至2 mm，變形率77.8%。

相較于單向軋制，交叉軋制可以使鉬鎢合金板坯的各向性能更加均勻，在垂直兩方向上，強度和延伸率基本一致，而單向軋制的板坯在軋制方向上的強度與延伸率與垂直方向差異明顯，這說明經(jīng)過交叉軋制，可以得到具有良好各向同性的板坯。從圖4可以看出,經(jīng)過交叉軋制后，板坯的晶粒形貌與尺寸基本一致，這對于后續(xù)板坯進行退火熱處理以獲得晶粒尺寸均勻的板材具有重要的作用。

表3 Mo-50W合金軋制工藝

表4 Mo-50W合金軋制板坯力學性能

圖4 Mo-50W合金軋制板坯顯微組織

2.4 退火處理對于合金顯微組織與性能的影響

文獻[9～11]對Mo-50W合金的變形率76%的板材和旋鍛φ6棒料進行了退火再結(jié)晶溫度的研究，但是對于變形率95%的板材的結(jié)晶行為并未有研究公開。本文利用上述交叉軋制的總變形率95%的Mo-50W板坯開展1 200～1 600 ℃的高溫退火試驗，退火時間均為1 h，觀察分析其組織和性能的變化(見圖5和圖6)。

圖5 不同退火溫度下Mo-50W的硬度

由圖5和圖6可見：在1 400 ℃以下退火，鉬鎢合金材料的力學性能變化很小，1 400 ℃以上溫度退火時，材料抗拉強度逐步下降，延伸率下降則和劇烈，在1 500 ℃時，延伸率只有2%，在1 600 ℃時，沒有延伸率。結(jié)合圖7的顯微組織可以看出：在1 400 ℃退火后，材料已完成回復(fù)，開始了再結(jié)晶，出現(xiàn)了少量的細晶，隨著退火溫度的增加，再結(jié)晶過程很快進行，在1 600 ℃退火后材料完全再結(jié)晶，并出現(xiàn)了晶粒長大現(xiàn)象。這與文獻[9]的研究成果基本一致，主要差異在于本文中板坯料的變形量較大，材料內(nèi)部存在大量的畸變能，造成材料的再結(jié)晶溫度降低，約為1 450 ℃，這個結(jié)晶溫度與文獻[11]一致，兩者均具有較大的變形率，但由于兩者的變形方式不一樣，微觀組織不同，因而在高溫退火后，延伸率的下降趨勢存在明顯差異，具體原因有待開展深入研究。

圖6 不同退火溫度下Mo-50W的力學性能

圖7 不同退火溫度下鉬鎢合金板坯的顯微組織

3 結(jié) 論

通過對Mo-50W合金的鎢粉與鉬粉的粒度配比、燒結(jié)溫度、軋制方式和退火熱處理的研究，可以得出如下結(jié)論：

(1)2.0 μm的鉬粉與2.5 μm的鎢粉配比，可以得到較細的合金粉末，壓坯強度大，致密度高。

(2)燒結(jié)溫度的提高可以提高鉬鎢合金的致密度，但是2 300 ℃的高溫燒結(jié)反而會造成晶粒長大。

(3)交叉軋制比單向軋制可以得到各向同性的板材，晶粒形貌和尺寸也基本一致。

(4)退火溫度增加，可降低抗拉強度，在1 400～1 500 ℃，材料完全再結(jié)晶，延伸率則急劇下降至零。