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中南《Mater Des》：鎢合金液相燒結的溶解-析出新機制及強化效果

2022-07-14 15:21:26 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

W含量較低的W-Ni-Fe合金是一種很有前途的鎢合金。然而，由于鎢溶解后，低W濃度下的長距離遷移是困難的，因此，現有的研究結果有限，其溶解-沉淀行為的成因機制尚不清楚。

在此，來自中南大學的Ming-ChunZhao等研究者，采用液相燒結法制備了低鎢含量的鎢合金。相關論文以題為“A novel dissolution-precipitation mechanism during liquid phase sintering and its strengthening effects in W-Ni-Fe alloys with low W contents”發表在Materials & Design上。

論文鏈接：

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

W-Ni-Fe合金是一種典型的鎢合金，它是由彌散在含Fe和Ni的低熔點韌性基體中的近圓角鎢晶粒組成的兩相復合材料。這些合金廣泛應用于輻射屏蔽、電接觸、陀螺儀轉子、振動阻尼裝置和動能穿甲彈。鎢含量的增加，導致密度的增加和穿透深度的增加。因此，大多數工作集中在高W含量的合金，超過85 wt%。W-Ni-Fe合金，通常采用粉末冶金液相燒結的方法制備。由于W在粘結相中的溶解度，致密化機制是溶解-沉淀機制。溶解度取決于顆粒大小，因此小顆粒優先溶解在液相中。在W含量較高(大于85% wt%)的合金中，溶解的鎢原子通過近距離擴散在大顆粒表面遷移和沉淀，導致顆粒粗化和長大。這本質上是異位成核和沉淀。

然而，W含量低的W- Ni-Fe合金是重要的。高W含量會導致材料的力學性能，尤其是延展性和韌性不佳。此外，一些情況下需要更低的權重。例如，降低動能密度可以增加穿甲彈的射程。對于W含量較低的合金(50 wt% < W < 85 wt%)，由于鎢顆粒濃度較低，鎢溶解后的長程遷移較困難。因此，低W含量的鎢合金必須具有不同于高W含量的鎢合金的溶解-沉淀行為。然而，到目前為止已有的結果有限，低W含量鎢合金的溶解-沉淀行為尚不清楚。

在這里，研究者制備了含50 wt% W、25 wt% Ni和25 wt% Fe的鎢合金(50 W- 25ni - 25fe合金)，并研究了其液相燒結溶出析出過程，試圖闡明低W含量鎢合金的溶出析出行為。研究者發現了一種不同于高W含量鎢合金的原位溶解-沉淀新工藝，可用于制備低W含量鎢合金。低W含量鎢合金中，超細析出W晶粒與γ(FeNi3, W)相的界面為半共格界面。在沉淀過程中，γ相晶格中的Ni原子和Fe原子被W原子連續取代。W原子繼續向界面傳質，富集充分時形成W晶粒。所得50W-25Ni-25Fe鎢合金，具有較好的抗拉強度和延伸率組合。超細W晶粒的析出增強了合金的強度。

圖１ W超細粉體的SEM圖像。

圖2 50 W-25Ni-25Fe的燒結規程。

圖3 (a)后向散射電子SEM圖，(b) spot1、spot2、spot3的EDS結果，(c) XRD圖;W晶粒尺寸分別為2 μm、500 nm和200 nm時的(d-f) TEM圖。

圖4 (a)典型析出W晶粒的亮場圖像，(b) HAADF圖像和(c)電子衍射圖;(d-f) W、Ni、Fe圖。

圖5 (a)界面附近γ(Fe-Ni, W)相的HR-TEM圖像和(b)電子衍射圖;(c)(00)面、(d)面和(e)面處于FeNi3相的條紋。

圖6 三相液相燒結得到不同鎢含量的鎢合金。

圖7 (a)沉淀W粒子與γ(Fe-Ni, W)相界面的HR-TEM圖像;沉淀W粒子和γ(FeNi3, W)相的傅里葉變換圖(b1) (c1)和條紋(b2) (c2)。

圖8 超細鎢晶粒的析出過程中存在三相區。

圖9在1400℃燒結的50 W-25Ni-25Fe合金的真應力-應變曲線。

圖10 不同放大倍率下，超細W晶粒附近的位錯(亮場圖像)。

研究者通過液相燒結成功制備了低W含量的50W-25Ni-25Fe鎢合金。發現了一種不同于高W含量鎢合金的溶解-沉淀行為的新機制。超細析出W晶粒與γ(FeNi3, W)相的界面為半相干界面。整個析出表面可劃分為3個相區：γ (Fe-Ni, W)固溶相區、過渡相區和超細析出W晶粒相區。在沉淀傳質過程中，W原子連續取代了γ相晶格中的Ni和Fe原子。當W原子連續質量轉移到界面區域時，W原子富集并最終形成W晶粒。50W-25Ni-25Fe鎢合金具有較好的抗拉強度和延伸率組合。合金通過超細W晶粒析出強化。

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