中南《Mater Des》：钨合金液相烧结的溶解-析出新机制及强化效果

2022-07-14 15:21:26 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

W含量较低的W-Ni-Fe合金是一种很有前途的钨合金。然而，由于钨溶解后，低W浓度下的长距离迁移是困难的，因此，现有的研究结果有限，其溶解-沉淀行为的成因机制尚不清楚。

在此，来自中南大学的Ming-ChunZhao等研究者，采用液相烧结法制备了低钨含量的钨合金。相关论文以题为“A novel dissolution-precipitation mechanism during liquid phase sintering and its strengthening effects in W-Ni-Fe alloys with low W contents”发表在Materials & Design上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522004634

W-Ni-Fe合金是一种典型的钨合金，它是由弥散在含Fe和Ni的低熔点韧性基体中的近圆角钨晶粒组成的两相复合材料。这些合金广泛应用于辐射屏蔽、电接触、陀螺仪转子、振动阻尼装置和动能穿甲弹。钨含量的增加，导致密度的增加和穿透深度的增加。因此，大多数工作集中在高W含量的合金，超过85 wt%。W-Ni-Fe合金，通常采用粉末冶金液相烧结的方法制备。由于W在粘结相中的溶解度，致密化机制是溶解-沉淀机制。溶解度取决于颗粒大小，因此小颗粒优先溶解在液相中。在W含量较高(大于85% wt%)的合金中，溶解的钨原子通过近距离扩散在大颗粒表面迁移和沉淀，导致颗粒粗化和长大。这本质上是异位成核和沉淀。

然而，W含量低的W- Ni-Fe合金是重要的。高W含量会导致材料的力学性能，尤其是延展性和韧性不佳。此外，一些情况下需要更低的权重。例如，降低动能密度可以增加穿甲弹的射程。对于W含量较低的合金(50 wt% < W < 85 wt%)，由于钨颗粒浓度较低，钨溶解后的长程迁移较困难。因此，低W含量的钨合金必须具有不同于高W含量的钨合金的溶解-沉淀行为。然而，到目前为止已有的结果有限，低W含量钨合金的溶解-沉淀行为尚不清楚。

在这里，研究者制备了含50 wt% W、25 wt% Ni和25 wt% Fe的钨合金(50 W- 25ni - 25fe合金)，并研究了其液相烧结溶出析出过程，试图阐明低W含量钨合金的溶出析出行为。研究者发现了一种不同于高W含量钨合金的原位溶解-沉淀新工艺，可用于制备低W含量钨合金。低W含量钨合金中，超细析出W晶粒与γ(FeNi3, W)相的界面为半共格界面。在沉淀过程中，γ相晶格中的Ni原子和Fe原子被W原子连续取代。W原子继续向界面传质，富集充分时形成W晶粒。所得50W-25Ni-25Fe钨合金，具有较好的抗拉强度和延伸率组合。超细W晶粒的析出增强了合金的强度。

图１ W超细粉体的SEM图像。

图2 50 W-25Ni-25Fe的烧结规程。

图3 (a)后向散射电子SEM图，(b) spot1、spot2、spot3的EDS结果，(c) XRD图;W晶粒尺寸分别为2 μm、500 nm和200 nm时的(d-f) TEM图。

图4 (a)典型析出W晶粒的亮场图像，(b) HAADF图像和(c)电子衍射图;(d-f) W、Ni、Fe图。

图5 (a)界面附近γ(Fe-Ni, W)相的HR-TEM图像和(b)电子衍射图;(c)(00)面、(d)面和(e)面处于FeNi3相的条纹。

图6 三相液相烧结得到不同钨含量的钨合金。

图7 (a)沉淀W粒子与γ(Fe-Ni, W)相界面的HR-TEM图像;沉淀W粒子和γ(FeNi3, W)相的傅里叶变换图(b1) (c1)和条纹(b2) (c2)。

图8 超细钨晶粒的析出过程中存在三相区。

图9在1400℃烧结的50 W-25Ni-25Fe合金的真应力-应变曲线。

图10 不同放大倍率下，超细W晶粒附近的位错(亮场图像)。

研究者通过液相烧结成功制备了低W含量的50W-25Ni-25Fe钨合金。发现了一种不同于高W含量钨合金的溶解-沉淀行为的新机制。超细析出W晶粒与γ(FeNi3, W)相的界面为半相干界面。整个析出表面可划分为3个相区：γ (Fe-Ni, W)固溶相区、过渡相区和超细析出W晶粒相区。在沉淀传质过程中，W原子连续取代了γ相晶格中的Ni和Fe原子。当W原子连续质量转移到界面区域时，W原子富集并最终形成W晶粒。50W-25Ni-25Fe钨合金具有较好的抗拉强度和延伸率组合。合金通过超细W晶粒析出强化。

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