钨及钨合金零部件等离子喷涂近净成形技术研究

论文摘要

钨及钨合金具有熔点高、密度高、强度高、热膨胀系数低等优异性能,随国防工业及国民经济的迅速发展,钨及钨合金薄壁或复杂形状零部件在各部门的应用日益广泛,对其性能及性价比要求也越来越高。然而,经济的高速增长也使得钨资源消耗日益严重,造成了资源的紧缺和价格的升高。此外,传统的成形方法如化学气相沉积、物理气相沉积、自蔓延高温合成、粉末冶金等在制备钨及钨合金薄壁或复杂形状零部件时存在明显的局限性。等离子喷涂成形技术因其具有高温、高速、高效、低成本、操作方便及成形件厚度易控制等技术特点,为钨及钨合金零部件的近净成形提供了一种理想的技术途径。本文采用等离子喷涂技术精密近净成形了钨喷管、钨坩埚、小型钨及钨铼合金发热体、钨药型罩、钨喉衬及95W-3.5Ni-1.5Fe薄壁回转体件,研究了高温烧结、热等静压及旋锻等后续处理对成形件显微形貌、晶粒度、相对密度、显微硬度、拉伸强度、压缩强度及屈服强度的影响规律,并深入分析了各类后处理技术的致密化机制。本文主要研究内容及结论如下：1.系统研究了等离子喷涂工艺参数对钨沉积层显微结构的影响,经优化后的等离子喷涂成形工艺参数为：喷涂功率40kW、喷涂距离150mm、氢气流量50L/h。经检测,等离子喷涂成形各类钨材质异形构件的开孔率、相对密度、显微硬度、拉伸强度及压缩强度分别约为7.5％.88.5％.341.7HV0.025、55.1MPa及581.3MPa。等离子喷涂成形过程中,为防止成形件因其壁厚增加而可能出现多种形式的开裂失效,可采取优化喷涂工艺、间歇式喷涂及气氛保护等有效措施严格加以控制。2.深入研究了等离子喷涂成形钨异形件的热等静压致密化行为及机制。研究发现,随热等静压压力升高及处理时间延长,沉积层中微观缝隙和孔隙逐渐愈合,成形件力学性能逐步提高,其中经二步热等静压处理后成形件致密度、显微硬度、拉伸强度及压缩强度分别增大至96.7%、547.8HV0.025、245.3MPa及1443.5MPa。本文提出了一个由加热、再结晶、层片重排、弹性接触、塑性流动、扩散蠕变等六个阶段组成的热等静压致密化机制。3.深入分析了等离子喷涂成形W/Re合金的“Re效应”。研究发现,微量Re元素的固溶强化作用即可有效抑制高温环境中W晶粒长大,还可改变材料在冷加工过程中的形变机构,不同于纯W构件的脆性断裂,W/Re合金室温压缩过程中出现了明显的屈服现象。此外,等离子喷涂成形W/Re合金的力学性能随烧结时间的延长而增大。经2300℃烧结6h后,W/Re合金显微硬度、拉伸强度、压缩强度及屈服强度分别达490.8HV0.025、384.5MPa、1922.5MPa、947.4MPa,明显高于相同烧结条件下的纯W构件的力学性能。4.采用高温烧结与旋锻加工的技术路线对喷涂成形件进行了致密化处理。结果表明,2300℃高温烧结可使沉积层由层片结构转化为颗粒结构,其相对密度、显微硬度及拉伸强度分别提高至97.9%、381.5HV0.025及228.5MPa。经2道次旋锻加工后钨/钼棒总压缩率达21%,沉积层致密度进一步提高至98.5%,显微硬度显著增大至620.4HV0.025。然而,经旋锻加工后沉积层由表层向内钨颗粒变形程度逐渐减弱,整个样品的变形表现出较大的不均匀性。此外,沉积层经高温烧结后为多面体钨晶粒与孔隙组成的复合体,晶粒内存在少量不可消除孔隙,旋锻加工后沉积层仍达不到全致密。5.等离子喷涂成形钨喉衬进行了地面点火试车实验。钨喉衬抗热震烧蚀性能良好,其线烧蚀率仅为0.08mm/20sec,各项指标均超过同尺寸传统石墨喉衬的使用性能。研究表明,钨喉衬各部位烧蚀形貌及烧蚀机理存在明显差异,收敛段以机械剥蚀为主,热化学烧蚀为辅；喉部则机械剥蚀、熔化烧蚀及热化学烧蚀等三种机理并存,其烧蚀最为严重；而扩散段则为热化学烧蚀,其烧蚀程度最低。6.采用高能球磨、喷雾干燥造粒及感应烧结的工艺路线制备了95W-3.5Ni-1.5Fe复合喷涂粉末,采用等离子喷涂近净成形技术制备了高密度合金薄壁回转体,研究了真空固相烧结及真空液相烧结对其显微结构和力学性能的影响。等离子喷涂成形高密度合金致密度为87.70%、显微硬度为388.0HVo.025、拉伸强度为102.6MPa、延伸率接近零。经1200、1300℃烧结后无液相形成,成形件仍保持原始的层片结构特征；1400℃烧结时仅产生少量液相,难以进行有效的颗粒重排,沉积层仍为层片结构,成形件断口以沿晶断裂为主；1465℃烧结时由于大量液相的产生,颗粒重排迅速发生,沉积层由原始的层片结构转变为类球形钨颗粒与网状Y相组成的两相合金组织,致密度、显微硬度、拉伸强度及延伸率分别提高至98.05%、493.5HVo.025、567.1MPa和5.7%,断口呈现以沿晶断裂为主、穿晶断裂为辅的断裂方式；当温度进一步升高至1485及1500℃时,钨颗粒显著长大,γ相蒸发加剧,成形件断口均以沿晶断裂为主,其显微硬度、拉伸强度及延伸率等性能反而有所降低。提出并验证了一个由早期固相烧结及再结晶阶段、液相生成与渗透阶段、溶解-析出Ⅰ阶段、颗粒重排阶段、溶解-析出Ⅱ、固相骨架形成和晶粒长大阶段等五个阶段组成的等离子喷涂成形高密度合金烧结致密化机制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 钨及钨合金传统制备技术简介
• 1.3 钨及钨合金制备技术的新发展—等离子喷涂近净成形技术
• 1.3.1 我国钨资源现状简介
• 1.3.2 热喷涂技术简介
• 1.3.3 等离子喷涂近净成形技术
• 1.4 本文选题意义、关键技术、主要研究内容及主要创新成果
• 1.4.1 选题意义
• 1.4.2 关键技术及主要研究内容
• 1.4.3 主要创新成果
• 第二章 试验材料、方法和设备
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 原始粉末材料
• 2.1.2 芯模材料
• 2.2 试验方法和技术路线
• 2.3 试验设备
• 2.3.1 等离子喷涂成形系统
• 2.3.2 钨基复合喷涂粉末制备系统
• 2.3.3 φ118mm固体火箭发动机
• 2.4 样品制备
• 2.4.1 95W-3.5Ni-1.5Fe复合喷涂粉末的制备
• 2.4.2 95W-5Re复合喷涂粉末的制备
• 2.4.3 钨及钨合金零部件的制备
• 2.4.4 钨喉衬地面试车实验参数
• 2.4.5 拉伸试样的制备
• 2.4.6 钨及钨合金金相试样的制备
• 2.4.7 W/Re合金透射电镜试样的制备
• 2.5 粉末及构件微观组织结构分析方法
• 2.5.1 扫描电镜和能谱分析
• 2.5.2 透射电镜分析
• 2.5.3 X射线衍射物相分析
• 2.5.4 金相分析
• 2.6 粉末及构件性能测试方法
• 2.6.1 粉末流动性及松装密度测试
• 2.6.2 粉末粒度及化学成分分析
• 2.6.3 差热分析
• 2.6.4 成形件体积密度和开孔率测试
• 2.6.5 成形件孔隙率测试
• 2.6.6 成形件硬度测试
• 2.6.7 成形件拉伸强度、压缩强度、屈服强度及延伸率测试
• 第三章 等离子喷涂近净成形钨异形构件
• 3.1 喷涂工艺参数对W沉积层组织结构的影响
• 3.1.1 喷涂距离的影响规律
• 3.1.2 喷涂功率的影响规律
• 2）的影响'>3.1.3 辅气（H₂）的影响
• 3.1.4 喷涂工艺对沉积层密度的影响
• 3.1.5 等离子喷涂成形工艺参数优化
• 3.2 等离子喷涂成形钨材质构件
• 3.2.1 喷涂成形件显微结构分析
• 3.2.2 喷涂成形件性能分析
• 3.3 等离子喷涂成形件的失效及控制
• 3.3.1 残余应力的分类
• 3.3.2 等离子喷涂成形构件裂纹的产生与失效分析
• 3.3.3 提高等离子喷涂成形件壁厚的技术措施
• 3.4 本章小结
• 第四章 喷涂成形件热等静压致密化技术及机理研究
• 4.1 热等静压对成形件显微结构的影响
• 4.1.1 成形件显微结构
• 4.1.2 成形件晶粒组织演变
• 4.2 成形件力学性能及断口分析
• 4.2.1 成形件物理力学性能
• 4.2.2 成形件拉伸断口及拉伸强度分析
• 4.2.3 成形件压缩性能分析
• 4.2.4 PSF、PM及PIM产品性能对比
• 4.3 热等静压致密化机制
• 4.3.1 粉末冶金生坯热等静压致密化机制
• 4.3.2 喷涂成形件热等静压致密化机制
• 4.4 钨坩埚使用性能
• 4.5 本章小结
• 第五章 等离子喷涂成形钨合金异形件的"铼效应"
• 5.1 W/Re复合粉末
• 5.2 微量Re对等离子喷涂成形W/Re合金显微形貌的影响
• 5.2.1 等离子喷涂成形W/Re合金截面形貌
• 5.2.2 等离子喷涂成形W/Re合金晶粒组织
• 5.2.3 等离子喷涂成形W/Re合金中Re元素的分布状态
• 5.3 微量Re对等离子喷涂成形W/Re合金力学性能及断口形貌影响
• 5.3.1 成形件物理力学性能
• 5.3.2 成形件拉伸断口分析
• 5.3.3 成形件压缩性能分析
• 5.3.4 等离子喷涂成形W/Re合金的"Re效应"
• 5.4 本章小结
• 第六章 等离子喷涂成形件旋锻技术及机理研究
• 6.1 旋锻技术简介
• 6.2 高温烧结对成形件显微结构及性能的影响
• 6.2.1 钨沉积层
• 6.2.2 钼基体
• 6.2.3 钨/钼界面
• 6.2.4 力学性能及断口分析
• 6.3 旋锻处理对样品显微结构及性能的影响
• 6.3.1 钨沉积层
• 6.3.2 钼基体
• 6.3.3 钨/钼界面
• 6.3.4 性能分析
• 6.4 沉积层旋锻变形致密化机理
• 6.5 本章小结
• 第七章 等离子喷涂成形钨喉衬的抗热震烧蚀性能及机理
• 7.1 固体火箭发动机工作原理
• 7.2 钨喉衬显微结构分析
• 7.2.1 喷涂成形件
• 7.2.2 二步热等静压处理
• 7.3 钨喉衬抗热震烧蚀性能
• 7.4 烧蚀组织的SEM形貌分析
• 7.5 烧蚀产物的XRD物相分析
• 7.6 烧蚀机理
• 7.7 本章小结
• 第八章 等离子喷涂近净成形95W-3.5Ni-1.5Fe薄壁构件及其烧结机制研究
• 8.1 高密度合金喷涂粉末的制备
• 8.1.1 复合喷涂粉末制备技术简介
• 8.1.2 机械合金化
• 8.1.3 喷雾干燥造粒
• 8.1.4 喷雾造粒团聚粉体形貌分析
• 8.1.5 喷雾干燥团聚体粉末性能分析
• 8.1.6 喷雾造粒粉体感应烧结处理
• 8.2 等离子喷涂成形高密度合金
• 8.2.1 （喷雾造粒团聚粉末+等离子喷涂成形）构件显微形貌
• 8.2.2 （1600℃感应烧结粉末+等离子喷涂成形）构件显微形貌
• 8.2.3 等离子喷涂成形高密度合金差热分析
• 8.3 真空烧结对成形件显微结构的影响
• 8.3.1 真空固相烧结
• 8.3.2 真空液相烧结
• 8.3.3 成形件钨含量、钨粒子粒度及γ相体积分数等因素分析
• 8.4 力学性能与断口分析
• 8.5 等离子喷涂成形高密度合金XRD物相分析
• 8.6 等离子喷涂成形高密度合金烧结机制分析
• 8.7 本章小结
• 第九章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要的研究成果