93WNiCu合金的高温性能及断裂机理研究

王 玲，秦颖楠，单东栋，熊 宁

（1.安泰科技股份有限公司，北京 100081；2.安泰天龙（北京）钨钼科技有限公司，北京 100094）

以钨为基体，镍、铁或铜的固溶体为粘结相，采用粉末冶金工艺制备而成的高密度钨合金材料，具有强度高、硬度高、延性好、机加工性能好、热膨胀系数小、导热系数大、抗氧化和抗腐蚀性能好等一系列优点，被广泛应用于航空航天、电子信息、武器装备等领域[1-6]。其中钨镍铜合金因具有高的密度、高的强度、更好的抗腐蚀性以及无磁性等特点，已广泛应用于飞机、导弹、运载火箭、舰艇的惯性导航陀螺仪上，是惯性制导系统和导航陀螺仪中关键的工程材料[7-11]。近几年，对钨镍铜材料的研究主要集中在材料常温综合性能的提升以及制备工艺方面，比如通过添加Y2O3提高材料抗弯强度和显微硬度[12]；利用选择性激光熔化增材制造技术制备高性能钨镍铜合金[13]。但随着现代科学技术的飞速发展，对特殊部件灵敏度和精度的要求也越来越苛刻，特别是在航空航天领域的极端环境下，航天领域用钨合金最高使用温度在1 200 ℃左右，极限温度可达1 300 ℃，通过查找资料发现对钨镍铜材料的高温性能的研究报道相对较少。因此，本文研究了93WNiCu合金从700 ℃到1 300 ℃使用环境下的力学行为、断口特征以及室温到 1 300 ℃的线膨胀系数对合金的影响，分析了钨镍铜合金材料在高温使用环境下的拉伸强度、断裂机制和线膨胀系数随不同温度的演变规律，以期为93WNiCu合金在高温极端环境下的应用提供测试数据和理论参考。

1 试验方法

1.1 材料制备方法

试验采用93WNiCu合金为研究对象，采用3 μm细颗粒钨粉、羰基镍粉和电解铜粉为原料，按照93W-4.6Ni-2.4Cu的成分配比进行三维混料，采用冷等静压工艺制备毛坯棒料，采用氢气烧结炉对毛坯棒料进行液相烧结，并对烧结合格的材料进行材料热处理，最终制备出室温抗拉强度为944 MPa，延伸率为12.5 %的93WNiCu材料。

1.2 高温拉伸试验及线膨胀系数测试

将制备的93WNiCu材料按照图1所示参数对试样进行高温拉伸：采用GB/T228.2—2015的方法在XCSS44050型号电子拉伸试验机（中机试验机厂，长春）上在真空环境下进行高温拉伸试验，拉伸速率为2 mm/min，试验温度从700 ℃到1 300 ℃，每隔100 ℃测试一组数据。采用JSM-6380LV型号扫描电镜（日本电子，日本）对试样断口进行分析，观察断裂方式随温度升高的演变规律。

图1 高温拉伸试样示意图Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen at high temperature

平均线膨胀系数试验采用 NETZSCH DIL 402ES/S膨胀仪（耐驰，德国），按照GB/T 4339—2008检测方法进行测试。测试样品规格为Ø6 mm×20 mm，测试温度范围为室温至1 300 ℃。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能和线膨胀系数测试试验结果

表1是93WNiCu合金材料在不同高温环境下测得的力学性能数据。从表1可知，在室温条件下，93WNiCu合金材料的抗拉强度为944 MPa，延伸率为12.5 %，在700 ～1 300 ℃的高温区间，材料力学性能与室温存在很大的变化。在高温环境下可以看到材料的抗拉强度大幅度下降，材料延伸率完全消失，材料表现为明显的脆性断裂。

表1 93WNi Cu合金材料在高温环境下的力学性能Tab.1 Mechanical properties of 93WNiCu alloy at high temperature

热膨胀系数是衡量金属材料在受温度影响状态下，尺寸稳定性的一个重要指标。通常情况下，线膨胀系数越小，材料在该温度下越稳定。表2是93WNiCu合金在不同温度下平均线膨胀系数的测试结果。从测试结果可以看出，93WNiCu合金的线膨胀系数随温度的升高呈现上升趋势，这说明材料的尺寸稳定性随温度的升高越来越敏感，平均线膨胀系数从 5.51×10‒6/℃上升到了 6.98×10‒6/℃。

表2 93WNiCu 合金材料在不同温度下的线膨胀系数Tab.2 The linear expansion coefficient of 93WNiCu alloy at different temperatures

2.2 高温拉伸断口分析

钨合金的冲击断口与拉伸断口非常相似，由四种断裂形态组成，分别是钨颗粒的穿晶解理断裂、粘结相撕裂、钨颗粒与粘结相界面剥离和钨颗粒与钨颗粒的界面分离[14-15]。由于WNiCu合金中铜与钨互不固溶，镍、铜相互固溶后可以通过镍固溶进粘结相中少量的钨，因此和WNiFe材料相比，粘结相与钨颗粒结合强度较低，因此在常温状态下材料就表现出一定的脆性，常温断口见图2，也可以看出，材料的断裂主要由钨颗粒与钨颗粒间的界面分离，伴有少量钨颗粒穿晶断裂和部分粘结相撕裂，这一现象也对应了材料宏观抗拉强度944 MPa和延伸率12.9 %的数据。

图2 93WNiCu常温拉伸断口形貌Fig.2 Tensile fracture morphology of 93WNiCu at room temperature

图3为93WNiCu在不同高温环境下和室温的拉伸断口形貌对比。对比常温拉伸断口可以明显地看到 93WNiCu在高温环境下断口形貌发生了明显的变化，700℃之后的拉伸断口已经完全看不到室温状态下的钨颗粒穿晶断裂形貌，断口中几乎全部为钨钨界面分离，粘结相撕裂也几乎消失，这与宏观抗拉强度低、脆性断裂完全吻合。

图3 93WNiCu室温和高温拉伸断口形貌对比Fig.3 Comparison of tensile fracture morphology of 93WNiCu at room temperature and high temperature

2.3 93WNiCu高温力学性能随温度演变规律分析

将表1数据转化为图4，可以更直观地看到材料在高温环境下抗拉强度随温度的变化规律。700 ℃时材料抗拉强度从室温的 944 MPa降低到329 MPa，随着温度的提高，材料抗拉强度急剧下降，当温度达到1 300 ℃时，材料抗拉强度完全消失。

图4 93WNiCu高温抗拉强度随温度变化曲线Fig.4 Curve of tensile strength of 93WNiCu at high temperature with temperature

钨合金的抗拉强度在微观上主要取决于断裂方式，随着温度的升高，以低熔点镍、铜为主的粘结相在高温环境下强度基本消失，导致材料在受拉伸力的条件下全部表现为钨、钨分离，宏观表现为材料极低的强度、无延伸率，这也限制了 93WNiCu合金在高温环境下的应用。

2.4 线膨胀系数随温度演变规律分析

图5为93WNiCu线膨胀系数随温度升高的变化规律。由图5可知，93WNiCu合金的平均线膨胀系数是随温度升高而升高的。合金膨胀系数表征了原子间结合力的大小，膨胀系数小说明原子间结合力大，反之说明结合力小。如果合金为完全固溶的单相固溶体，往往具有更小的膨胀系数。93WNiCu是典型的两相合金，两相结合力来自钨和Ni-Cu-W组成的粘结相。由于铜、钨不固溶导致WNiCu合金两相结合力弱，力学性能不如WNiFe合金，而从断口分析看，随着温度的升高WNiCu合金两相结合力弱的情况在加剧，宏观表现为力学性能的降低。同时，界面结合力的降低也影响了材料的线膨胀系数，表现为线膨胀系数随温度的升高而升高。

图5 93WNiCu高温线膨胀系数随温度变化曲线Fig.5 Curve of linear expansion coefficient of 93WNiCu with temperature at high temperature

4 结论与讨论

（1）93WNiCu合金在室温环境下，抗拉强度较高达到900 MPa以上，延伸率10 %以上，表现出较好的强韧性，在700 ℃到1 300 ℃的高温环境下材料的抗拉强度急剧下降，从 329 MPa降低到86 MPa，延伸率消失，材料高温强度极低。

（2）93WNiCu合金常温断裂模式包括钨粘结相剥离、钨穿晶断裂、粘结相撕裂和少量钨、钨界面分离，在高温环境下，以镍铜为主的粘结相失去强度，材料断口中仅剩极低强度的钨、钨界面分离，宏观表现为极低的强度。

（3）93WNiCu合金材料的两相结合力随温度的升高而减弱，线膨胀系数随温度的升高而增加。

总体来说，93WNiCu材料的力学性能在高温环境下不如室温。在以后研究工作中，可以尝试从材料成分设计和热处理工艺的角度来提升钨镍铜合金的综合力学性能：比如在合金中添加适量Mn可以有效净化晶界，提高界面强度[16]。添加 Sn可以降低合金烧结温度，加速致密化进程[17]。SiC对合金起到弥散强化的效果，可以提高材料硬度[18]。Co可以改善粘结相对钨颗粒的浸润性，从而增强材料韧性[19]。真空热处理和循环热处理可以除氢[20]、改善粘结相的分布[21]，也是提高钨镍铜材料综合性能的有效手段。