王 玲，秦穎楠，單東棟，熊 寧

（1.安泰科技股份有限公司，北京 100081；2.安泰天龍（北京）鎢鉬科技有限公司，北京 100094）

以鎢為基體，鎳、鐵或銅的固溶體為粘結(jié)相，采用粉末冶金工藝制備而成的高密度鎢合金材料，具有強(qiáng)度高、硬度高、延性好、機(jī)加工性能好、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)大、抗氧化和抗腐蝕性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子信息、武器裝備等領(lǐng)域[1-6]。其中鎢鎳銅合金因具有高的密度、高的強(qiáng)度、更好的抗腐蝕性以及無磁性等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、艦艇的慣性導(dǎo)航陀螺儀上，是慣性制導(dǎo)系統(tǒng)和導(dǎo)航陀螺儀中關(guān)鍵的工程材料[7-11]。近幾年，對(duì)鎢鎳銅材料的研究主要集中在材料常溫綜合性能的提升以及制備工藝方面，比如通過添加Y2O3提高材料抗彎強(qiáng)度和顯微硬度[12]；利用選擇性激光熔化增材制造技術(shù)制備高性能鎢鎳銅合金[13]。但隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)特殊部件靈敏度和精度的要求也越來越苛刻，特別是在航空航天領(lǐng)域的極端環(huán)境下，航天領(lǐng)域用鎢合金最高使用溫度在1 200 ℃左右，極限溫度可達(dá)1 300 ℃，通過查找資料發(fā)現(xiàn)對(duì)鎢鎳銅材料的高溫性能的研究報(bào)道相對(duì)較少。因此，本文研究了93WNiCu合金從700 ℃到1 300 ℃使用環(huán)境下的力學(xué)行為、斷口特征以及室溫到 1 300 ℃的線膨脹系數(shù)對(duì)合金的影響，分析了鎢鎳銅合金材料在高溫使用環(huán)境下的拉伸強(qiáng)度、斷裂機(jī)制和線膨脹系數(shù)隨不同溫度的演變規(guī)律，以期為93WNiCu合金在高溫極端環(huán)境下的應(yīng)用提供測(cè)試數(shù)據(jù)和理論參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 材料制備方法

試驗(yàn)采用93WNiCu合金為研究對(duì)象，采用3 μm細(xì)顆粒鎢粉、羰基鎳粉和電解銅粉為原料，按照93W-4.6Ni-2.4Cu的成分配比進(jìn)行三維混料，采用冷等靜壓工藝制備毛坯棒料，采用氫氣燒結(jié)爐對(duì)毛坯棒料進(jìn)行液相燒結(jié)，并對(duì)燒結(jié)合格的材料進(jìn)行材料熱處理，最終制備出室溫抗拉強(qiáng)度為944 MPa，延伸率為12.5 %的93WNiCu材料。

1.2 高溫拉伸試驗(yàn)及線膨脹系數(shù)測(cè)試

將制備的93WNiCu材料按照?qǐng)D1所示參數(shù)對(duì)試樣進(jìn)行高溫拉伸：采用GB/T228.2—2015的方法在XCSS44050型號(hào)電子拉伸試驗(yàn)機(jī)（中機(jī)試驗(yàn)機(jī)廠，長(zhǎng)春）上在真空環(huán)境下進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2 mm/min，試驗(yàn)溫度從700 ℃到1 300 ℃，每隔100 ℃測(cè)試一組數(shù)據(jù)。采用JSM-6380LV型號(hào)掃描電鏡（日本電子，日本）對(duì)試樣斷口進(jìn)行分析，觀察斷裂方式隨溫度升高的演變規(guī)律。

圖1 高溫拉伸試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen at high temperature

平均線膨脹系數(shù)試驗(yàn)采用 NETZSCH DIL 402ES/S膨脹儀（耐馳，德國(guó)），按照GB/T 4339—2008檢測(cè)方法進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試樣品規(guī)格為?6 mm×20 mm，測(cè)試溫度范圍為室溫至1 300 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能和線膨脹系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

表1是93WNiCu合金材料在不同高溫環(huán)境下測(cè)得的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。從表1可知，在室溫條件下，93WNiCu合金材料的抗拉強(qiáng)度為944 MPa，延伸率為12.5 %，在700 ～1 300 ℃的高溫區(qū)間，材料力學(xué)性能與室溫存在很大的變化。在高溫環(huán)境下可以看到材料的抗拉強(qiáng)度大幅度下降，材料延伸率完全消失，材料表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂。

表1 93WNi Cu合金材料在高溫環(huán)境下的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of 93WNiCu alloy at high temperature

熱膨脹系數(shù)是衡量金屬材料在受溫度影響狀態(tài)下，尺寸穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。通常情況下，線膨脹系數(shù)越小，材料在該溫度下越穩(wěn)定。表2是93WNiCu合金在不同溫度下平均線膨脹系數(shù)的測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出，93WNiCu合金的線膨脹系數(shù)隨溫度的升高呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這說明材料的尺寸穩(wěn)定性隨溫度的升高越來越敏感，平均線膨脹系數(shù)從 5.51×10?6/℃上升到了 6.98×10?6/℃。

表2 93WNiCu 合金材料在不同溫度下的線膨脹系數(shù)Tab.2 The linear expansion coefficient of 93WNiCu alloy at different temperatures

2.2 高溫拉伸斷口分析

鎢合金的沖擊斷口與拉伸斷口非常相似，由四種斷裂形態(tài)組成，分別是鎢顆粒的穿晶解理斷裂、粘結(jié)相撕裂、鎢顆粒與粘結(jié)相界面剝離和鎢顆粒與鎢顆粒的界面分離[14-15]。由于WNiCu合金中銅與鎢互不固溶，鎳、銅相互固溶后可以通過鎳固溶進(jìn)粘結(jié)相中少量的鎢，因此和WNiFe材料相比，粘結(jié)相與鎢顆粒結(jié)合強(qiáng)度較低，因此在常溫狀態(tài)下材料就表現(xiàn)出一定的脆性，常溫?cái)嗫谝妶D2，也可以看出，材料的斷裂主要由鎢顆粒與鎢顆粒間的界面分離，伴有少量鎢顆粒穿晶斷裂和部分粘結(jié)相撕裂，這一現(xiàn)象也對(duì)應(yīng)了材料宏觀抗拉強(qiáng)度944 MPa和延伸率12.9 %的數(shù)據(jù)。

圖2 93WNiCu常溫拉伸斷口形貌Fig.2 Tensile fracture morphology of 93WNiCu at room temperature

圖3為93WNiCu在不同高溫環(huán)境下和室溫的拉伸斷口形貌對(duì)比。對(duì)比常溫拉伸斷口可以明顯地看到 93WNiCu在高溫環(huán)境下斷口形貌發(fā)生了明顯的變化，700℃之后的拉伸斷口已經(jīng)完全看不到室溫狀態(tài)下的鎢顆粒穿晶斷裂形貌，斷口中幾乎全部為鎢鎢界面分離，粘結(jié)相撕裂也幾乎消失，這與宏觀抗拉強(qiáng)度低、脆性斷裂完全吻合。

圖3 93WNiCu室溫和高溫拉伸斷口形貌對(duì)比Fig.3 Comparison of tensile fracture morphology of 93WNiCu at room temperature and high temperature

2.3 93WNiCu高溫力學(xué)性能隨溫度演變規(guī)律分析

將表1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖4，可以更直觀地看到材料在高溫環(huán)境下抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律。700 ℃時(shí)材料抗拉強(qiáng)度從室溫的 944 MPa降低到329 MPa，隨著溫度的提高，材料抗拉強(qiáng)度急劇下降，當(dāng)溫度達(dá)到1 300 ℃時(shí)，材料抗拉強(qiáng)度完全消失。

圖4 93WNiCu高溫抗拉強(qiáng)度隨溫度變化曲線Fig.4 Curve of tensile strength of 93WNiCu at high temperature with temperature

鎢合金的抗拉強(qiáng)度在微觀上主要取決于斷裂方式，隨著溫度的升高，以低熔點(diǎn)鎳、銅為主的粘結(jié)相在高溫環(huán)境下強(qiáng)度基本消失，導(dǎo)致材料在受拉伸力的條件下全部表現(xiàn)為鎢、鎢分離，宏觀表現(xiàn)為材料極低的強(qiáng)度、無延伸率，這也限制了 93WNiCu合金在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。

2.4 線膨脹系數(shù)隨溫度演變規(guī)律分析

圖5為93WNiCu線膨脹系數(shù)隨溫度升高的變化規(guī)律。由圖5可知，93WNiCu合金的平均線膨脹系數(shù)是隨溫度升高而升高的。合金膨脹系數(shù)表征了原子間結(jié)合力的大小，膨脹系數(shù)小說明原子間結(jié)合力大，反之說明結(jié)合力小。如果合金為完全固溶的單相固溶體，往往具有更小的膨脹系數(shù)。93WNiCu是典型的兩相合金，兩相結(jié)合力來自鎢和Ni-Cu-W組成的粘結(jié)相。由于銅、鎢不固溶導(dǎo)致WNiCu合金兩相結(jié)合力弱，力學(xué)性能不如WNiFe合金，而從斷口分析看，隨著溫度的升高WNiCu合金兩相結(jié)合力弱的情況在加劇，宏觀表現(xiàn)為力學(xué)性能的降低。同時(shí)，界面結(jié)合力的降低也影響了材料的線膨脹系數(shù)，表現(xiàn)為線膨脹系數(shù)隨溫度的升高而升高。

圖5 93WNiCu高溫線膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線Fig.5 Curve of linear expansion coefficient of 93WNiCu with temperature at high temperature

4 結(jié)論與討論

（1）93WNiCu合金在室溫環(huán)境下，抗拉強(qiáng)度較高達(dá)到900 MPa以上，延伸率10 %以上，表現(xiàn)出較好的強(qiáng)韌性，在700 ℃到1 300 ℃的高溫環(huán)境下材料的抗拉強(qiáng)度急劇下降，從 329 MPa降低到86 MPa，延伸率消失，材料高溫強(qiáng)度極低。

（2）93WNiCu合金常溫?cái)嗔涯Ｊ桨ㄦu粘結(jié)相剝離、鎢穿晶斷裂、粘結(jié)相撕裂和少量鎢、鎢界面分離，在高溫環(huán)境下，以鎳銅為主的粘結(jié)相失去強(qiáng)度，材料斷口中僅剩極低強(qiáng)度的鎢、鎢界面分離，宏觀表現(xiàn)為極低的強(qiáng)度。

（3）93WNiCu合金材料的兩相結(jié)合力隨溫度的升高而減弱，線膨脹系數(shù)隨溫度的升高而增加。

總體來說，93WNiCu材料的力學(xué)性能在高溫環(huán)境下不如室溫。在以后研究工作中，可以嘗試從材料成分設(shè)計(jì)和熱處理工藝的角度來提升鎢鎳銅合金的綜合力學(xué)性能：比如在合金中添加適量Mn可以有效凈化晶界，提高界面強(qiáng)度[16]。添加 Sn可以降低合金燒結(jié)溫度，加速致密化進(jìn)程[17]。SiC對(duì)合金起到彌散強(qiáng)化的效果，可以提高材料硬度[18]。Co可以改善粘結(jié)相對(duì)鎢顆粒的浸潤(rùn)性，從而增強(qiáng)材料韌性[19]。真空熱處理和循環(huán)熱處理可以除氫[20]、改善粘結(jié)相的分布[21]，也是提高鎢鎳銅材料綜合性能的有效手段。