高比重W-Ni-Fe难熔合金的振荡压力烧结机理及工艺优化研究

The unique properties of refractory tungsten alloys make them very promising for widespread applications, including aerospace, defense, as well as commercial systems. However, due to their high melting points and low diffusion rate, the materials usually required to be sintered at high temperatures and long time, which led to abnormal grain growth and uncompleted densification. Recently, we prepare refractory alloys using the recently developed oscillatory pressure sintering (OPS) technology. Our preliminary results showed that OPS can significantly improve the density, decrease sintering temperature, suppress grain growth, and improve the property. In this project, we will systemically study the effect of processing parameters on the density, microstructure (i.e. grain size, grain boundary structure and dislocations), and properties of resultant materials (90W-7Ni-3Fe) by combining experimental and modeling methods. With these studies, we will be able to obtain the better understandings of the mechanisms and kinetics of the densification and grain growth and to establish processing-structure-property relationships. Then the controlling mechanism of oscillating pressure sintering process will be clarified.The relationships will provide scientific foundation and technical guidelines for optimizing processing to obtain high-performance refractory alloys.

难熔钨合金因其特有的优良性能被广泛用于航空航天和国防的关键领域，而熔点高和扩散慢使得这类材料的制备通常需要在高温下长时间烧结，从而产生晶粒异常长大和难以完全致密化等问题，限制了其性能提升。我们最近的研究结果显示采用新型振荡压力烧结技术可以显著提高难熔合金的密度、降低烧结温度、抑制晶粒生长和提升材料性能。基于此，本项目将对振荡压力烧结制备W-Ni-Fe难熔合金(90W-7Ni-3Fe)的科学问题展开研究，通过实验与模拟相结合的方法，系统研究振荡压力烧结工艺对材料密度、微观结构（晶粒尺寸、晶界结构、位错）和性能的影响，深入理解振荡压力烧结机理和晶粒生长动力学，建立烧结工艺与微观结构及性能间的关系，明确振荡压力烧结工艺控制机理，为优化烧结工艺、获得高性能难熔材料提供技术支持和理论依据。

难熔钨合金在军事、航空等领域具有不可替代的作用，因此，制备高致密度、细晶难熔钨合金具有现实和战略意义。本项目针对W-Ni-Fe难熔合金制备工艺中存在的困难，如烧结温度高、难以致密化、晶粒异常长大等问题，采用一定振幅与频率可控的动态压力设计的新型振荡压力烧结技术实现了90W-7Ni-3Fe难熔合金的低温致密化，抑制了高温下晶粒的快速生长，提升了材料性能，研究了振荡压力烧结机理，获得以下的结论： .（1）振荡压力烧结能够显著提高钨合金的致密化程度：振荡压力烧结为粉体的致密化提供了较高的驱动力，振荡压力烧结制备的样品的晶粒生长激活能比热压烧结的激活能低了6倍，通过颗粒重排、晶界迁移以及固溶扩散等机制提高了合金材料的致密度。同时，振荡压力烧结有助于抑制晶粒的长大和排出晶粒内部的气孔，使合金颗粒之间的排列更加的紧密，微观组织更加的均匀。.（2）温度和保温时间对振荡压力烧结的影响：同热压烧结相比，振荡压力烧结能够降低烧结温度，大约降低了100℃左右。同时，振荡压力烧结随着保温时间的延长，其对晶粒尺寸的长大抑制效果也较为明显，同时对Ni-Fe粘接相的协调变形能力由较好的促进作用。.（3）晶粒尺寸、致密度和硬度之间有了密切的联系：当晶粒尺寸增大时，会影响样品的致密度，致密度的降低又会影响到W-Ni-Fe难熔合金的硬度性能。.（4）烧结机理的不同：振荡压力烧结机制与热压烧结机制有很大的不同，虽然都涉及到了液相烧结和粉末的动力学烧结过程，但两者的作用因素都有很大的区别，尤其是振荡压力烧结中温度、保温时间以及循环压力等在烧结过程中扮演着极为重要的角色，都对W-Ni-Fe难熔合金的性能有极大的影响，这也为难熔合金后续的科学研究和产业化提供了极大的思路。.（5）本研究将最新的振荡压力烧结技术应用到W-Ni-Fe难熔合金的制备中，针对难熔合金烧结的难点，通过振荡压力烧结工艺设计，提供动力学驱动力，人为诱导控制晶体生长，在较低烧结温度和烧结时间下解决材料难于致密化和晶粒长大的问题，全面细致研究W-Ni-Fe难熔合金的振荡压力烧结机理，并以此为依据探索烧结工艺-微观结构-性能之间的关系，揭示W-Ni-Fe难熔合金的控制机理，为优化烧结工艺，获得高性能难熔材料奠定了科学基础。