鎢及鎢合金零部件等離子噴涂近凈成形技術(shù)研究.pdf

1、鎢及鎢合金具有熔點高、密度高、強度高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)異性能，隨國防工業(yè)及國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，鎢及鎢合金薄壁或復(fù)雜形狀零部件在各部門的應(yīng)用日益廣泛，對其性能及性價比要求也越來越高。然而，經(jīng)濟的高速增長也使得鎢資源消耗日益嚴重，造成了資源的緊缺和價格的升高。此外，傳統(tǒng)的成形方法如化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、自蔓延高溫合成、粉末冶金等在制備鎢及鎢合金薄壁或復(fù)雜形狀零部件時存在明顯的局限性。等離子噴涂成形技術(shù)因其具有高溫、高速、高效、低成本、

2、操作方便及成形件厚度易控制等技術(shù)特點，為鎢及鎢合金零部件的近凈成形提供了一種理想的技術(shù)途徑。本文采用等離子噴涂技術(shù)精密近凈成形了鎢噴管、鎢坩堝、小型鎢及鎢錸合金發(fā)熱體、鎢藥型罩、鎢喉襯及95W-3.5Ni-1.5Fe薄壁回轉(zhuǎn)體件，研究了高溫燒結(jié)、熱等靜壓及旋鍛等后續(xù)處理對成形件顯微形貌、晶粒度、相對密度、顯微硬度、拉伸強度、壓縮強度及屈服強度的影響規(guī)律，并深入分析了各類后處理技術(shù)的致密化機制。本文主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　

3、1.系統(tǒng)研究了等離子噴涂工藝參數(shù)對鎢沉積層顯微結(jié)構(gòu)的影響，經(jīng)優(yōu)化后的等離子噴涂成形工藝參數(shù)為：噴涂功率40kW、噴涂距離150mm、氫氣流量50L/h。經(jīng)檢測，等離子噴涂成形各類鎢材質(zhì)異形構(gòu)件的開孔率、相對密度、顯微硬度、拉伸強度及壓縮強度分別約為7.5％、88.5％、341.7HV0.025、55.1MPa及581.3MPa。等離子噴涂成形過程中，為防止成形件因其壁厚增加而可能出現(xiàn)多種形式的開裂失效，可采取優(yōu)化噴涂工藝、間歇式噴涂及氣

4、氛保護等有效措施嚴格加以控制。
　　 2.深入研究了等離子噴涂成形鎢異形件的熱等靜壓致密化行為及機制。研究發(fā)現(xiàn)，隨熱等靜壓壓力升高及處理時間延長，沉積層中微觀縫隙和孔隙逐漸愈合，成形件力學(xué)性能逐步提高，其中經(jīng)二步熱等靜壓處理后成形件致密度、顯微硬度、拉伸強度及壓縮強度分別增大至96.7％、547.8HV0.025、245.3MPa及1443.5MPa。本文提出了一個由加熱、再結(jié)晶、層片重排、彈性接觸、塑性流動、擴散蠕變等六個階段

5、組成的熱等靜壓致密化機制。
　　 3.深入分析了等離子噴涂成形W/Re合金的“Re效應(yīng)”。研究發(fā)現(xiàn)，微量Re元素的固溶強化作用即可有效抑制高溫環(huán)境中W晶粒長大，還可改變材料在冷加工過程中的形變機構(gòu)，不同于純W構(gòu)件的脆性斷裂，W/Re合金室溫壓縮過程中出現(xiàn)了明顯的屈服現(xiàn)象。此外，等離子噴涂成形W/Re合金的力學(xué)性能隨燒結(jié)時間的延長而增大。經(jīng)2300℃燒結(jié)6h后，W/Re合金顯微硬度、拉伸強度、壓縮強度及屈服強度分別達490.8HV

6、0.025、384.5MPa、1922.5MPa、947.4MPa，明顯高于相同燒結(jié)條件下的純W構(gòu)件的力學(xué)性能。
　　 4.采用高溫燒結(jié)與旋鍛加工的技術(shù)路線對噴涂成形件進行了致密化處理。結(jié)果表明，2300℃高溫燒結(jié)可使沉積層由層片結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為顆粒結(jié)構(gòu)，其相對密度、顯微硬度及拉伸強度分別提高至97.9％、381.5HV0.025及228.5MPa。經(jīng)2道次旋鍛加工后鎢/鉬棒總壓縮率達21％，沉積層致密度進一步提高至98.5％，顯微硬

7、度顯著增大至620.4HV0.025。然而，經(jīng)旋鍛加工后沉積層由表層向內(nèi)鎢顆粒變形程度逐漸減弱，整個樣品的變形表現(xiàn)出較大的不均勻性。此外，沉積層經(jīng)高溫燒結(jié)后為多面體鎢晶粒與孔隙組成的復(fù)合體，晶粒內(nèi)存在少量不可消除孔隙，旋鍛加工后沉積層仍達不到全致密。
　　 5.等離子噴涂成形鎢喉襯進行了地面點火試車實驗。鎢喉襯抗熱震燒蝕性能良好，其線燒蝕率僅為0.08mm/20sec，各項指標均超過同尺寸傳統(tǒng)石墨喉襯的使用性能。研究表明，鎢喉襯

8、各部位燒蝕形貌及燒蝕機理存在明顯差異，收斂段以機械剝蝕為主，熱化學(xué)燒蝕為輔；喉部則機械剝蝕、熔化燒蝕及熱化學(xué)燒蝕等三種機理并存，其燒蝕最為嚴重；而擴散段則為熱化學(xué)燒蝕，其燒蝕程度最低。
　　 6.采用高能球磨、噴霧干燥造粒及感應(yīng)燒結(jié)的工藝路線制備了95W-3.5Ni-1.5Fe復(fù)合噴涂粉末，采用等離子噴涂近凈成形技術(shù)制備了高密度合金薄壁回轉(zhuǎn)體，研究了真空固相燒結(jié)及真空液相燒結(jié)對其顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。
　　 等離子噴

9、涂成形高密度合金致密度為87.70％、顯微硬度為388.0HV0.025、拉伸強度為102.6MPa、延伸率接近零。經(jīng)1200、1300℃燒結(jié)后無液相形成，成形件仍保持原始的層片結(jié)構(gòu)特征；1400℃燒結(jié)時僅產(chǎn)生少量液相，難以進行有效的顆粒重排，沉積層仍為層片結(jié)構(gòu)，成形件斷口以沿晶斷裂為主；1465℃燒結(jié)時由于大量液相的產(chǎn)生，顆粒重排迅速發(fā)生，沉積層由原始的層片結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轭惽蛐捂u顆粒與網(wǎng)狀丫相組成的兩相合金組織，致密度、顯微硬度、拉伸強度

10、及延伸率分別提高至98.05％、493.5HV0.025、567.1MPa和5.7％，斷口呈現(xiàn)以沿晶斷裂為主、穿晶斷裂為輔的斷裂方式；當溫度進一步升高至1485及1500℃時，鎢顆粒顯著長大，γ相蒸發(fā)加劇，成形件斷口均以沿晶斷裂為主，其顯微硬度、拉伸強度及延伸率等性能反而有所降低。
　　 提出并驗證了一個由早期固相燒結(jié)及再結(jié)晶階段、液相生成與滲透階段、溶解-析出Ⅰ階段、顆粒重排階段、溶解-析出Ⅱ、固相骨架形成和晶粒長大階段等五個