难熔金属材料的研究

难熔金属材料的研究

摘要:本文首先介绍了难熔金属材料钨、钼、钽、铌及其合金的应用和研究现状,难熔金属材料及其合金的熔点决定了其使用温度的高低顺序。针对难熔金属材料的质量控制,本文从材料成分的优化、制造工艺的改善、生产设备的改进、新产品的开发等方面进行了分析和说明。

关键词:难熔金属研究应用现状质量控制

难熔金属包括钨、钼、钽、铌、铼和钒六种,这六种金属均为熔点在2000 ℃以上的材料。难熔金属材料及其和合金具有熔点高,在高温环境下强度高,对液态金属腐蚀抗性强、具有加工可塑性等共同点。难熔金属及其合金材料的的使用温度比高温合金要的多,一般在1100 ℃～3320 ℃之间。

1 难熔金属材料应用现状

1.1 铌合金

铌合金在1100 ℃～1650 ℃下的强度较高,它的焊接特性良好,具有很好的室温可塑性,同时作为难熔金属中密度最小的一种,能够加工制作成形状复杂的产品。按照合金强度不同可以将铌合金分为低强度、中强度和高强度三类,按照合金密度不同可以分为低密度、高密度两类。美国和俄罗斯对铌合金的研发各自不同,研究种类多达二十

几种。美国以W、Hf、Mo作为铌的强化添加元素,俄罗斯则以Zr、W、Mo为主,第二相强化则主要是以C为主。

1.2 钼合金

钼合金的熔点相比于钽和钨较低,它的优点是弹性模值最高,且其密度、膨胀系数都较小,高温蠕变性能非常优秀。钼合金的焊接性能很好,焊缝的强度和可塑性都能达到一定的条件,其工艺性能在钨之上。但是它在低温环境下会脆化,高温环境下氧化问题严重。

钼合金的开发当以俄罗斯为代表,按照合金元素的不同可以将钼合金划分为14类,其中的添加元素主要是Ti、C、Re、Zr,同时也添加一些Ni、Nb、B等元素来改变材料的一些特性。

在所有的钼添加元素中,只有铼对其低温环境下的可塑性有利;Re 元素在提升钼的低温环境可塑性的同时,还可以提升其强度和焊接性能,明显降低其再结晶之后的脆裂趋势,显著提高其高温稳定性,对抗热震性尤其明显。

1.3 钽合金

钽合金的熔点高,膨胀系数小,其抗热震性能和塑造韧性都很优秀,它的缺点是在500 ℃以上的环境中工作时,抗氧化性能很差,一般都要在表面进行抗氧化涂层处理。美国和俄罗斯先后研制出了在高温环境中蠕变性能和强度都符合要求的钽合金材料。

钽合金使用与铌合金相似的涂层材料,铌合金是钽铌涂层的主要研究对象。在静态空气环境中,钽合金的多元难熔金属化合物表现出的抗氧化性能良好。

1.4 钨合金

钨合金涂层中最具有发展潜力的是具有高强度和高热稳定性能的硼化物和难溶氧化物保护层,钨合金涂层的研究方向是将具有自愈能力的硅化物覆盖在保护表面,难熔氧化物和硅化物的混合物则覆盖在有阻挡衬底的硅化物上,这样便可以使制品长时间工作在特定的使用环境中。

2 难熔金属材料的质量控制

随着技术的进步和市场的需求的复杂化,对难熔金属材料的质量要求越来越高,只有不断提高难熔金属材料的质量档次,才能获得更大的经济和社会效益。

2.1 材料成分的优化

材料成分的优化主要是通过合金化和掺杂来实现的。这种方法可以很好的提高难熔金属材料的质量和性能。

将钨和铼制作成为钨铼合金可以很好的提高材料的性能,使其兼具两种材料的优点,这种合金的熔点很高,强度和再结晶的温度比钨要高,而延性和脆性的转变温度则比钨低。还具有很好的焊接性能,抗腐

蚀性能,电阻率高,电子逸出功率低,在电子等领域得到了广泛的应用。这种合金在退火后延性提高显著,这点与钨恰好相反。

利用掺杂微量元素改变材料的再结晶性能,这样便能克服材料的再结晶脆性。譬如掺杂钼材料正在取代纯钼材料出现在特种的引出线和灯泡支架中。

2.2 制造工艺的改善

提高难熔金属材料质量水平的有效方法之一就是制造工艺的改善。

TZM是目前使用范围广,使用量大的一种钼很近,其使用环境主要是1000 ℃以上的高温场合。但是TZM是一种脆性材料,很难对其进行热变形加工,若采用直接锻造,成品的产出率很低,因此改善制造工艺成为一个有效的途径。通过热挤压开坯之后锻造,同时控制好挤压和锻造之间的形变量和加热工艺便可以大大提高TZM合金棒的成品率。

采用钼作为电极的玻璃熔炉来代替煤、油、汽等燃料加热方式是近几十年来快速发展的一种工艺。但是玻璃可能因为钼棒电极的杂质含量高而产生气泡或者着色,为了保障质量水平可以改善钼的烧结工艺,从而得到低氧、低碳的质量优秀的钼。

2.3 生产设备的改进

提高难熔金属材料质量的重要方法之一就是生产设备的改进。

为了提高钨钼丝的生产质量,大量的新设备被研制成功如:四模、六模、八模的多模细拉丝设备等,这些设备的推广使用可以很好的提升钨钼丝的产品质量。

钨钼丝质量的进一步提升需要加强钨钼粉末冶制工艺中一些关键设备的研制,国外难熔金属的生产很大曾度上依靠生产设备的改善来实现。

2.4 新产品的开发

随着技术的进步和市场需求的变化,对难熔金属材料的多样性和高性能也提出了更高更新的要求。

集成电路正朝着大规模的方向发展,这对溅射靶材在成分、特性和规格上提出了不同的要求,在冷压和真空环境中采用粉末冶金方法烧结的硅化钨具有很低的电阻率,同时期纯度高、密度大适合在MOS 集成电路中使用。

核电工业在世界范围内快速发展,用于燃料组件的控制棒导向管需要使用变截面的锆合金管,这种市场需求可以促进新产品的研发。

3 结论

难熔金属材料已经在许多领域得到大量的使用,不同的金属材料

使用范围不同。同时技术的进步和市场需求的复杂化对难熔金属性能提出了更高的要求。本文介绍了难熔金属难熔金属材料钨、钼、钽、铌及其合金的应用和研究现状,分析了几种材料的优缺点,然后从材料成分的优化、制造工艺的改善、生产设备的改进、新产品的开发等方面对难熔金属材料质量的提高方法进行了分析和说明,为研制生产质量可靠,性能优越的难熔金属材料提供一些建议和途径。

参考文献

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