一种均匀细晶钨棒材及其制备方法与流程

本发明涉及粉末冶金领域，具体的说是一种细晶稳定、高温性能优越的均匀细晶钨棒材及其制备方法。

背景技术：

均匀细晶钨棒材是指具备组织均匀、晶粒细小、再结晶温度高、高温蠕变性能优越等特点的钨合金材料，主要应用于半导体制备、超高温装备、特种光源、军工等领域。钨棒材是制作包括蓝宝石长晶炉发热体在内的高温热场的核心材料，此类高温热场温度在1800～2500℃之间，且需要长时间保温，这就要求钨发热体具备优越的抗高温蠕变性能和长时间的稳定性。

但是，采用传统的钨棒材作为高温热场发热体使用过程中，由于热场温度高于钨棒材的再结晶温度(约2000℃)，钨晶粒长大速度快，导致钨材料的脆性增加，热场的使用寿命受到极大限制。如何制备钨晶粒组织均匀细化、再结晶温度高、抗高温蠕变性能好的钨棒材成为生产高端热场的关键。

中国专利ZL201210319024.4公开了一种钨铼合金的垂熔烧结方法，如其说明书中公布，钨坯在预烧结后进行直接通电烧结，该方法需要将每一根物料夹持在两端电极上，生产效率低；而另一方面研究表明，采用中频烧结钨合金的方式，物料在热场中通过感应加热烧结，通过分阶段温控，使钨棒材晶粒更为均匀，高温性能更好。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种均匀细晶钨棒材，以解决常规钨棒材晶粒组织不均匀、再结晶温度低、抗高温蠕变性能差的问题，同时提供了该均匀细晶钨棒材的制备方法。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的均匀细晶钨棒材，由下列组分组成：铼0.01～0.35wt％，钾0.0040～0.0080wt％，其余为钨。

优选的，所述的均匀细晶钨棒材，直径为1～50mm、晶粒尺寸小于10um、心部和边部密度均超过19.2g/cm³。

本发明所述的均匀细晶钨棒材的制备方法，

步骤依次包括：掺杂蓝钨的制备、掺杂钨粉的制备、制坯、烧结、热轧。

优选的，所述掺杂蓝钨的制备的具体步骤为：

采用仲钨酸铵在H₂、400-600℃下还原获得蓝钨粉WO_2.9，然后将蓝钨粉与铼酸铵、硅酸钾、氢氧化钾、硝酸铝水溶液进行固液掺杂，干燥8小时，制备掺杂蓝钨。

优选的，所述铼酸铵、硅酸钾、氢氧化钾、硝酸铝水溶液的浓度范围分别为20～50g/L、100～200g/L、50～100g/L、10～30g/L。

其中，蓝钨粉与铼酸铵、硅酸钾、氢氧化钾、硝酸铝的用量可根据组分组成要求和铼酸铵、硅酸钾、氢氧化钾、硝酸铝水溶液浓度进行计算得出。

优选的，所述掺杂钨粉的制备的具体步骤为：

将所述掺杂蓝钨四段控温还原，四段温度分别为670℃、720℃、770℃和820℃，每段保温时间均为60-80min，装舟量300g，还原气氛为氢气，氢气流量为15～30m³/h，得掺杂钨粉。

优选的，所述掺杂钨粉粒度为1.3-1.8um。

优选的，所述制坯的具体步骤为：

将所述掺杂钨粉经酸洗、烘干处理，采用冷等静压方法将掺杂钨粉进行压制，单位压力150-200MPa，制成压坯，单重1.5～15kg。

优选的，所述烧结的具体步骤为：

将所述压坯在1200～1300℃氢气预烧炉中预烧结20分钟，使其初步具备一定的强度，然后在中频感应炉中进行高温烧结，氢气流量0.5～200m³/h，获得烧结坯，烧结坯直径16～65mm，密度为17.0-18.5g/cm³，烧结温度为1900～2500℃。

优选的，所述热轧的具体步骤为：

将所述烧结坯加热到1200～1500℃后旋锻至17mm，然后经10道次连续轧制，得到直径为1～50mm的均匀细晶钨棒材，轧制温度为1500～2000℃，轧制速度为1～2.5m/s。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)成分含有微量元素钾，并添加少量的铼元素，制备的均匀细晶钨棒材具有优越的高温性能，适用于高端热场发热体的需求；

2)采用中频烧结工艺和热轧工艺提升钨棒材的组织均匀性和高温抗蠕变性能。

附图说明

附图1为本发明中直径为40mm的棒材心部金相图。

附图2为本发明中直径为40mm的棒材边部金相图。

附图3为本发明中直径为40mm的棒材边缘金相图。

附图4为本发明中直径为10mm的棒材边部金相图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

本发明所述的钨合金棒材的制备方法，步骤依次为：

(1)掺杂蓝钨的制备

采用仲钨酸铵在H₂、400℃下还原获得蓝钨粉WO_2.9，然后将蓝钨粉与铼酸铵、硅酸钾、氢氧化钾、硝酸铝水溶液进行固液掺杂，铼酸铵、硅酸钾、氢氧化钾、硝酸铝水溶液中铼酸铵的浓度为20g/L、硅酸钾的浓度为100g/L、氢氧化钾的浓度为50g/L、硝酸铝的浓度为10g/L，干燥8小时，制备掺杂蓝钨，根据组分组成和溶液浓度的要求可以计算铼酸铵、硅酸钾、氢氧化钾的用量。

(2)掺杂钨粉的制备

将步骤(1)制得的掺杂蓝钨采用四段控温的工艺进行还原，四段温度分别为670℃、720℃、770℃和820℃，每段保温时间均为60min，装舟量300g，还原气氛为氢气，氢气流量为15m³/h，制得掺杂钨粉，经检测所述掺杂钨粉粒度为1.3～1.8um。

(3)制坯

将步骤(2)制得的掺杂钨粉经酸洗、烘干处理，采用冷等静压方法将掺杂钨粉进行压制，单位压力150MPa，制成压坯，单重1.5kg。

(4)烧结

将步骤(3)制得的压坯在1200℃氢气预烧炉中预烧结20分钟，使其初步具备一定的强度，然后在中频感应炉中进行高温烧结，氢气流量0.5m³/h，获得烧结坯，烧结坯直径16mm，密度为17.0-18.5g/cm³，烧结温度为1900℃。

(5)热轧

将将步骤(3)制得的烧结坯加热到1200℃后旋锻至17mm，然后经10道次连续轧制，得到均匀细晶钨棒材，轧制温度为1500℃，轧制速度为1m/s。

实施例2

本发明所述的钨合金棒材的制备方法，步骤依次为：

(1)掺杂蓝钨的制备

采用仲钨酸铵在H₂、600℃下还原获得蓝钨粉WO_2.9，然后将蓝钨粉与铼酸铵、硅酸钾、氢氧化钾、硝酸铝水溶液进行固液掺杂，铼酸铵、硅酸钾、氢氧化钾、硝酸铝水溶液中铼酸铵的浓度为50g/L、硅酸钾的浓度为200g/L、氢氧化钾的浓度为100g/L、硝酸铝的浓度为30g/L，干燥8小时，制备掺杂蓝钨，根据组分组成和溶液浓度的要求可以计算铼酸铵、硅酸钾、氢氧化钾的用量。

(2)掺杂钨粉的制备

将步骤(1)制得的掺杂蓝钨采用四段控温的工艺进行还原，四段温度分别为670℃、720℃、770℃和820℃，每段保温时间均为80min，装舟量300g，还原气氛为氢气，氢气流量为30m³/h，制得掺杂钨粉，经检测所述掺杂钨粉粒度为1.3～1.8um。

(3)制坯

将步骤(2)制得的掺杂钨粉经酸洗、烘干处理，采用冷等静压方法将掺杂钨粉进行压制，单位压力200MPa，制成压坯，钨坯单重在15kg。

(4)烧结

将步骤(3)制得的压坯在1300℃氢气预烧炉中预烧结20分钟，使其初步具备一定的强度，然后在中频感应炉中进行高温烧结，氢气流量200m³/h，获得烧结坯，烧结坯直径65mm，密度为17.0-18.5g/cm³，烧结温度为2500℃。

(5)热轧

将将步骤(4)制得的烧结坯加热到1500℃后旋锻至17mm，然后经10道次连续轧制，得到均匀细晶钨棒材，轧制温度为1500℃，轧制速度为2.5m/s。

通过实施例1和实施例2的方法制备的钨棒材如图1～4，组分组成为：铼0.01～0.35wt％，钾，0.0040～0.0080wt％，其余为钨，直径为1～50mm、晶粒尺寸小于10um、心部和边部密度均超过19.2g/cm³。