退火工艺对钼钨合金微观组织和性能的影响研究

席 莎，朱 琦，王 娜，安 耿，武 洲，周 莎

(金堆城钼业股份有限公司技术中心，陕西 西安 710077)

0 引 言

钼和钨是同族元素，同属于体心立方，原子半径相近，晶格常数接近，能实现无限互溶[1]。钼钨合金兼具钼和钨的优点，比传统钼合金具有更高的高温强度、再结晶温度和高温抗蠕变性能等[2-3]，同时，与工业钨合金相比具有更高的强度、致密度和加工性能，作为结构材料，在火箭、导弹的高温构件及高温电器中的结构元件中有广泛的应用前景，成为近年来的研究热点。

目前已有学者针对钼钨合金的制备方法、静态/动态力学性能、氧化性能等多方面进行了广泛的研究。如朱琦等[2]研究了钼钨合金的微观组织和室温性能，发现Mo-50W合金具有比工业钨合金更高的致密度和更好的强度；杜强非等[4]研究了钼钨合金在不同温度(25～800 ℃)下的力学性能和断口形貌；席莎等[5]通过粉末冶金法成功制备了钼钨合金，研究了旋锻温度(1 450～1 530 ℃)对钼钨合金棒材结构和性能的影响；唐亮亮等[6]研究了钼含量对钼钨渗铜材料烧结工艺和力学性能的影响；页作亮等[7]采用Hopkinson杆技术研究了常温下钼钨合金的动态力学性能，分析了应变率对钼钨合金屈服应力和硬化模量的影响；杨益航等[8]在钼钨合金表面进行渗氮-渗硅处理，研究了钼钨高温抗氧化涂层的性能及其抗氧化机理。

粉末冶金钼钨合金棒材是钼钨合金的重要产品形式，其力学性能与微观组织直接相关，而退火温度又直接决定了钼钨合金的微观组织，因此粉末冶金钼钨合金棒材的退火处理至关重要。目前，针对于退火温度对钼钨合金微观组织和力学性能的影响还较少。本文采用粉末冶金法制备了直径为φ23.0 mm的钼钨棒坯，并采用旋锻方法制备了直径为φ6.0 mm的钼钨合金棒材，系统研究了退火温度对钼钨合金棒材的微观组织和力学性能的影响规律。

1 试验过程

本研究所采用的实验原料为元素钼粉和元素钨粉，其理化指标见表1。首先，分别称取50%化学计量比的原料钼粉和钨粉，采用两步混料法制备出钼钨混合粉。随后，将钼钨混合粉末装入胶套中，密封后再整体装入冷等静压设备进行冷等静压处理，冷等静压压制工艺为：压力180～200 MPa，保压时间4～6 min。再将钼钨冷压坯放入中频烧结炉中进行烧结，烧结工艺为：2 200～2 250 ℃、保温5 h，最终制备出直径为φ23.0 mm、相对密度约为97.5%的钼钨合金棒。随后，将φ23.0 mm钼钨合金棒材在1 450～1 530 ℃进行旋锻加工，总压缩量约为93%左右，制成尺寸为φ6.0 mm的成品钼钨合金细棒材。最后，将钼钨合金棒材进行退火处理，退火温度分别为1 250 ℃、1 300 ℃、1 350 ℃、1 400 ℃、1 450 ℃和1 500 ℃，保温时间均为2 h。

对经过不同温度退火后的钼钨合金样品进行微观组织和性能分析。其中微观组织分析在TP-BX2000金相显微镜上进行，力学性能分析在MTS810材料试验机上进行。

2 结果与讨论

2.1 退火温度对钼钨合金微观组织的影响

图1为烧结态和旋锻加工态的钼钨合金金相图。从图1中可以看出，烧结态的钼钨合金棒材具有等轴且均匀细小的微观组织 (如图1a所示)，同时还存在少量的残余孔隙(<3%)。旋锻可有效地消除合金的残余孔隙，实现钼钨合金的全致密化，同时，沿着垂直于旋锻的方向上，合金的微观组织被拉长变形呈纤维状(如图1b所示)。图2为钼钨合金旋锻棒材经过不同温度退火后得到的微观组织。从图2中可以看出，经1 250 ℃退火后，晶粒基本保持纤维状，表明在此温度下合金尚处于回复阶段(如图2a所示)。随着退火温度的升高，晶粒逐渐发生多边形化和等轴化(如图2b-d所示)，当退火温度升高至1 450 ℃时，合金基本完成再结晶(如图2e所示)。进一步提高退火温度至1 500 ℃时，晶粒进一步长大[5](如图2f所示)。从上述结果可知，随着退火温度的升高，钼钨合金旋锻棒材中的加工应力逐渐消除，发生回复和再结晶，显微组织由加工纤维状组织逐渐转变为等轴晶粒，并于1 450 ℃左右基本完成再结晶。此后，继续升高温度后，再结晶的晶粒会产生合并并长大，形成粗大的晶粒组织[9]。

图1 烧结态及旋锻加工态Mo-50W合金棒材的金相组织

图2 Mo-50W合金棒材经不同退火温度后的金相组织

2.2 退火温度对钼钨合金棒材力学性能的影响

图3为钼钨合金棒材经过不同的退火温度退火后的硬度变化图，其具体数值列于表2。从图3和表2可以看出，随着退火温度的提高，合金的硬度逐渐下降。同时发现合金硬度在1 450 ℃附近出现明显转折，温度低于1 450 ℃时，合金硬度随着退火温度升高而下降较快，而在退火温度高于1 450 ℃时，硬度随退火温度升高而下降的速度减缓。合金的硬度变化与微观组织演化直接相关，加工态的钼钨合金由于加工硬化的原因，其硬度较高[10-11]。经退火后，变形储能逐步得到释放，流线型组织发生再结晶，合金的硬度迅速下降[12]。当温度升高至1 450 ℃时，合金的变形织构基本消失，微观组织转变为均匀细小的等轴状晶粒组织，再结晶基本完成，进一步提高退火温度，再结晶晶粒发生长大，合金硬度下降的趋势放缓。

表2 Mo-50W合金棒材不同退火温度下的硬度

图3 Mo-50W合金棒材的硬度随退火温度变化的关系图

图4和表3为经过不同温度退火后的钼钨合金棒材的1 200 ℃高温力学性能测试结果。从图4中可以看出，退火温度对钼钨合金棒材的高温力学性能有明显影响。随退火温度的升高，抗拉强度σb下降,延伸率δ出现先升高再下降的趋势。当退火温度从1 250 ℃升高到1 450 ℃时，抗拉强度σb由301 MPa降低到258 MPa，延伸率由15.6%升高到18.5%。继续提高退火温度至1 500 ℃时，σb进一步下降至251 MPa，但δ下降至17.9%。合金高温力学性能的变化和微观组织有明显关系[13-15]，当退火温度在1 250 ℃～1 450 ℃之间时，合金发生了回复与再结晶，由纤维状组织向等轴状组织转变，纤维状组织比例逐渐减少，等轴状组织的比例提高，变形储能逐渐释放，使得合金强度逐渐降低，而塑性逐渐提高[16-17]。当退火温度达到1 450 ℃时，合金再结晶基本完成，加工硬化消失，延伸率δ达到最大值18.5%。当退火温度继续升高到1 500 ℃时，再结晶晶粒开始长大，晶界数量逐步减少，使得强度σb进一步降低，但由于晶粒尺寸粗化的原因，合金的塑性也开始下降，从峰值的18.5%下降至17.9%。

图4 退火温度对Mo-50W合金棒材在1 200 ℃下高温力学性能影响图

表3 经不同退火温度退火后的Mo-50W合金棒材在1 200 ℃下高温力学性能

3 结 论

(1)粉末冶金烧结的钼钨合金具有均匀的微观组织，但含有少量的残余孔隙。旋锻成形可有效消除烧结合金的残余孔隙，同时获得变形纤维状组织。退火可使变形合金发生明显的再结晶，并获得等轴的细小均匀的微观组织。

(2)退火温度对粉末冶金+旋锻成形钼钨合金棒材的力学性能有明显影响。当退火温度从1 250 ℃升高到1 450 ℃时，合金的抗拉强度从301 MPa降低到258 Mpa，延伸率由15.6%升高到18.5%；当温度超过1 450 ℃时，合金棒强度进一步降低至251 Mpa，而延伸率也进一步下降至17.9%。

(3)在1 450 ℃出现拐点的原因是合金在该温度退火后基本实现了完全再结晶，当退火温度低于该温度时，随温度提高，加工硬化迅速消失，强度与硬度迅速下降，塑性提高；当退火温度高于该温度时，发生再结晶晶粒长大，强度和硬度缓慢下降，同时塑性也下降。