氧化锆对钼金属组织和性能的影响

张 晓，卜春阳，武 州，庄 飞

(金堆城钼业股份有限公司技术中心，陕西 西安 710077)

氧化锆对钼金属组织和性能的影响

张 晓，卜春阳，武 州，庄 飞

(金堆城钼业股份有限公司技术中心，陕西 西安 710077)

通过对MZO合金与纯钼断口形貌和力学性能的测试分析，研究了添加ZrO2对钼金属的组织和性能的影响。结果表明：添加ZrO2使钼的烧结进程延迟；ZrO2颗粒明显抑制了钼颗粒长大，最终获得晶粒组织细小，第二相均匀分布的钼合金，这使得MZO合金比纯钼具有更高的室温强度与延伸率。

氧化锆；纯钼；断口形貌；力学性能

0 引 言

钼具有高熔点、良好的导热性和导电性、低的热膨胀系数、优异的耐磨性和抗腐蚀性，被广泛应用于电子、航空航天、能源、核反应堆等高新技术领域。但纯钼的脆性行为[1]使其应用受到了很大的限制，因此提高钼的韧性成为钼领域的核心问题。

随着高新技术产业的发展，钼金属制品有着更广阔的应用前景和更大的市场需求。一般情况下提高金属韧性时会显著降低合金的硬度和耐磨性[2]。“陶瓷钢”以来，围绕着ZrO2的相变特性展开的相变陶瓷增韧研究受到极大的关注。氧化锆可通过基体晶粒的细化增韧、相变增韧、微裂纹增韧、裂纹的转向与分叉增韧[3-6]。由于ZrO2相变的自身特点[7]，氧化锆增韧陶瓷被证明具有较好的增韧效果。目前，基于相变增韧的ZTA已可用作许多零部件的结构材料[8]。利用其特点增强增韧金属基复合材料也已开展了研究[9]，且证实了ZrO2相变机理在金属基复合材料中仍然起作用。陶瓷相-金属基复合材料可以充分发挥两者的优点，大幅度提高金属基复合材料的综合性能[10]。ZrO2作为第二相粒子成为复合材料提高韧性和力学性能的有效方法。本文利用氧化锆增韧的特点进行了提高钼金属性能的试验研究。

1 试 验

采用FMo-l高纯钼粉与试剂ZrO2为原料，用固-固掺杂方法将0.5%(质量分数)ZrO2粉末掺入钼粉末制得MZO合金粉。为对比起见，将纯钼粉与MZO合金粉在相同工艺条件下，经冷等静压压制成型、中频感应高温烧结，获得φ17 mm烧结棒坯；φ17 mm烧结棒经203旋锻开坯、拉拔，得到φ5 mm钼杆。

材料的室温拉伸性能在万能试验机上进行，检测标准为GB/T 228-2002，取3次测量结果平均值；在HITACHI S-3400型扫描电镜上观察合金组织以及拉伸断口形貌。

2 结果与讨论

2.1 MZO合金与纯钼组织形貌

图1为MZO合金与纯钼烧结坯断口形貌，ZrO2的加入显著降低了合金的晶粒尺寸，其中灰色相为Mo晶粒，亮白色相为ZrO2颗粒，ZrO2颗粒没有明显的聚集长大，较为弥散地分布在Mo晶粒的晶界与三叉晶界上且晶粒细小均匀，与Mo基体结合良好。相比较纯钼，MZO合金中孔隙较多，可采用更高的烧结温度。

添加ZrO2后，钼晶粒细化且分布趋于均匀化，其原因是在压制混合钼粉末时，细小的ZrO2颗粒弥散分布在生坯中，减少了钼颗粒之间的接触几率和接触面积，在随后的烧结过程中，阻碍钼原子的迁移，降低晶界迁移和物质迁移速率，从而抑制钼颗粒间烧结颈的进一步长大和颗粒的聚集长大，有利于获得ZrO2颗粒均匀分布且钼晶粒得到细化的显微组织。

图1 MZO合金与纯钼烧结坯断口形貌 (a)纯钼PM ；(b) MZO合金

2.2 MZO合金与纯钼力学性能

表1为MZO合金与纯钼室温力学性能。从表1可以看出，MZO合金的室温抗拉强度、屈服强度与延伸率均明显高于纯钼。这说明ZrO2的加入显著提高了钼金属的室温力学性能。

表1 MZO合金与纯钼室温力学性能

图2为MZO合金与纯钼室温拉伸断口形貌。纯钼的室温拉伸断口表面呈现常见的解理断口形貌，如图2(a)。与纯钼断口相比，MZO合金断口明显的更为细致，微观特征是韧窝状断口形貌，如图2(b)。在MZO合金韧窝状拉伸断口中可观察到弥散分布的微米级第二相颗粒与第二相颗粒从基体上脱落留下的孔洞。可见MZO合金拉伸断口是第二相颗粒断裂或第二相颗粒从基体上脱落形成微孔而萌生，最终形成韧窝状拉伸断口，表现出良好的延展性。这与室温拉伸试验的数据(见表1)结果相吻合。

图2 MZO合金与纯钼室温拉伸断口形貌 (a)MZO合金； (b) 纯钼PM

ZrO2对钼的强化作用是由于在塑性变形过程中，弥散分布的ZrO2粒子对位错具有钉扎作用，使晶界或滑移带附近位错密度降低，这有利于延缓沿晶微裂纹的形成，使合金塑性得到提高[1]。裂纹扩展过程中ZrO2粒子与基体结合区域的应力集中诱发的微裂纹，有效分散主裂纹尖端能量，在微裂纹存在的情况下，主裂纹尖端的应力重新分布，主裂纹钝化，断裂能提高，合金室温强度提高。另一方面，ZrO2的加入显著降低了合金的晶粒尺寸，晶界相对面积增大，分布在晶界上的杂质元素浓度降低，晶界强度提高[1]；且在塑性变形过程中晶粒尺寸越细小，不同晶粒内部的滑移系运动到晶界上时，产生交滑移的协调性也越好。因此ZrO2的加入使得钼金属韧性得到显著改善和提高。

3 结 论

(1)在相同的烧结工艺条件下，添加ZrO2使钼的烧结进程延迟，ZrO2明显抑制了钼颗粒长大，最终获得晶粒组织细小，第二相均匀分布的钼合金。

(2)MZO合金比纯钼具有更高的室温强度与延伸率，MZO合金的韧性优于纯钼。

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EFFECT OF ZrO2ADDITION ON MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF MOLYBDENUM

ZHANG Xiao,BU Chun-yang, WU Zhou, ZHUANG Fei

(Technical Center， Jinduicheng Molybdenum Co., Ltd., Xi′an 710077,Shaanxi,China)

The effect of ZrO2addition on microstructure and properties of molybdenum was studied by test analysis of fracture morphology and mechanical properties.The results show that with the ZrO2addition，the sintering process is delayed.Meanwhile, the ZrO2addition significantly restrain the molybdenum particles growth, get molybdenum alloy with fine grains and uniform distribution of second phase.That makes the Mo-ZrO2alloy have more higher strength and elongation at room temperature than pure molybdenum.

ZrO2; pure molybdenum; fracture morphology; mechanical properties

2017-03-27；

2017-05-04

张 晓(1984—)，女，硕士，工程师，现从事钼金属材料研究。E-mail:zhangxiaoxa029@163.com

10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2017.04.009

TF146.4+12

A

1006-2602(2017)04-0046-03