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摘要: 利用不同原料粉末制备钨坩埚样品，并于高温环境下进行应用模拟实验。结果表明，射流分级预处理有助于提升钨坩埚组织均匀性及整体性能；以费氏粒度3.0～3.5 μm的钨粉为原料，经射流分级、压制、烧结等工艺，可制得密度较高（18.770 g·cm−3）、维氏硬度较高（HV0.3 372.15）的钨制品；将该钨坩埚置于高温环境下进行模拟应用验证，其密度及微观形貌较为稳定，变化较小。Abstract: The tungsten crucible samples were prepared by using the different tungsten powders, and the application simulation experiment was carried out in high temperature environment. The results show that, the jet grading pretreatment technology is an efficient process to improve the qualities of the tungsten crucible. The tungsten products with high density (18.770 g·cm−3) and high Vickers hardness (HV0.3 372.15) are prepared by jet grading, pressing, and sintering, using the tungsten powders with the Feller size of 3.0~3.5 μm as the raw materials. Meanwhile, the simulation application of tungsten crucibles is verified in the high temperature environment, which shows that the density and microstructure are stable.
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高比重钨合金（tungsten heavy alloy，WHA）是一种以单质钨为基体、以韧性良好的过渡族金属为粘接相所构成的复合材料[1–3]。因具有高密度、优异的力学性能、抗烧灼性和对放射性辐射的屏蔽作用等特点，高比重钨合金被应用于兵器穿甲弹芯、破片材料、航天屏蔽部件等众多领域[4–6]。但是高比重钨合金的性能对合金内部杂质、制备过程中的气氛及冷却速度等非常敏感[7‒8]，例如：杂质P、S会偏析在晶界上，降低界面结合强度，恶化合金性能，通过添加微量元素Mn可以起到一定的净化晶界的作用[9‒10]；烧结过程中的H2气氛会导致部分氢溶解于高比重钨合金的粘结相中[11‒12]，导致材料产生氢脆现象，降低材料性能。要使高比重钨合金获得高的强度和韧性，首先就必须使高比重钨合金具有一个理想的微观组织[13]，而热处理是调整高比重钨合金组织的重要手段。常用的热处理手段包括淬火、快冷、气氛脱氢处理，其目的就是降低P、S杂质在界面的偏析，降低氢脆，提高合金性能或满足合金其他性能方面的要求。但是，在一些特殊环境下使用高比重钨合金材料需要具备一定的冲击韧性，才能够满足材料后续的大变形可行性，因此如何进一步提高材料的冲击韧性成为热处理环节研究的关键。
冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，反映了材料内部的细微缺陷和抗冲击性能，与主裂纹的萌生、扩展及断口有直接的联系，对材料失效分析具有重要的理论意义。本文通过对高比重钨合金进行循环热处理，分析了经过不同热处理次数后的材料冲击韧性以及冲击断口形貌。
1. 实验材料及方法
采用粉末冶金方法制备高比重钨合金，原料使用粒径为3 μm的钨粉、电解镍粉和羰基铁粉，经混料机混合，冷等静压成形及液相烧结后制备出成分（质量分数）为93W–5Ni–2Fe的圆棒坯料，最后将圆棒坯料在1200 ℃进行多次真空热处理+油淬快速冷却热处理。
按照图1所示将热处理后的圆棒加工成冲击韧性标准试样，冲击韧性试验按照GB/T 229-2007检测方法进行。通过GS M-6380LV扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察分析冲击断口微观组织。
2. 结果及分析
2.1 循环热处理对材料冲击韧性的影响
将在1200 ℃进行多次真空热处理+淬火热处理的93W–5Ni–2Fe合金材料和只进行过1次真空热处理+未进行淬火热处理的93W–5Ni–2Fe合金材料进行冲击韧性的对比实验，结果如表1所示。由表可知，未进行淬火热处理的93W–5Ni–2Fe合金材料冲击韧性为47 J·cm−2；经过1次循环热处理后，93W–5Ni–2Fe合金材料冲击韧性为50 J·cm−2，随着循环热处理次数的增加，材料的冲击韧性逐渐升高，第4次循环热处理后冲击韧性达到115 J·cm−2，当进一步增加循环热处理次数后，材料的冲击韧性不再有明显变化，和第4次循环热处理后的冲击韧性相当。
表 1 循环热处理后93W–5Ni–2Fe合金的冲击韧性Table 1. Impact toughness of the 93W–5Ni–2Fe alloys after the cyclic heat treatment循环热处理次数 0 1 2 3 4 5 6 7 冲击韧性 / (J·cm−2) 47 50 68 83 115 113 118 110 图2为93W–5Ni–2Fe合金冲击韧性随热处理次数的变化趋势。由图可知，在初始阶段，93W–5Ni–2Fe合金的冲击韧性随着循环热处理次数的增长明显提高，当循环热处理次数达到4次以上后，材料的冲击韧性不再获得提升，基本维持不变，表明冲击韧性对热处理敏感度下降。
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图 2 93W–5Ni–2Fe合金冲击韧性随循环热处理次数的变化趋势Figure 2. Variation tendency on the impact toughness of 93W–5Ni–2Fe alloys with the cycle number of heat treatment2.2 循环热处理后材料的冲击断口分析
断口形貌分析是揭示高比重钨合金在不同载荷和工作环境下断裂机理的重要手段。高比重钨合金的断口基本上由4种断裂形态组成[14]，即钨颗粒解理断裂、钨颗粒与钨颗粒界面分离、钨颗粒与粘接相界面脱开、粘接相断裂。高比重钨合金经过循环热处理后，冲击断口差异明显，这主要是因为4种断裂模式所占比例有所不同。
图3是93W–5Ni–2Fe高比重钨合金经过不同次数循环热处理后的冲击断口形貌，对比4种典型冲击断口形貌可以看到，循环热处理1次的冲击断口几乎完全呈现为钨晶粒穿晶解理断裂，呈脆性断口[15]；随着循环热处理次数的增加，合金冲击断口形貌出现一定变化，穿晶解理断裂逐渐减少；当对材料进行4次循环热处理后，冲击断口多为钨颗粒和钨颗粒的界面断裂，断口的钨颗粒较为完整，呈粘接相的韧性断裂。循环材料热处理1次的断口，钨颗粒断裂占比明显大于循环热处理4次时的断口；循环热处理4次的断口，粘结相与钨颗粒的剥离以及粘结相自身的断裂大于循环热处理1次的，即钨相和粘接相韧性撕裂比例上升，因此经多次循环热处理后的基体撕裂是一种韧性断裂方式，与冲击韧性的测试结果相吻合，这也是93W–5Ni–2Fe高比重钨合金的冲击韧性得到改善的主要原因。
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图 3 经过不同次数循环热处理后93W–5Ni–2Fe合金冲击断口形貌：（a）1次热处理；（b）2次热处理；（c）3次热处理；（d）4次热处理Figure 3. Fracture morphology of the 93W–5Ni–2Fe alloys after the different cycle number of heat treatments: (a) the first cycle heat treatment; (b) the twice cycle heat treatment; (c) the third cycle heat treatment; (d) the fourth cycle heat treatment对比1次循环热处理和4次循环热处理后93W–5Ni–2Fe合金的金相组织，如图4（a）和图4（b）所示，发现材料微观组织形貌无明显变化，说明冲击韧性的提升是因为容易偏析在晶界上的杂质元素P、S得到了净化。综上分析说明，虽然循环热处理无法改变材料的微观组织形貌，不能使材料在综合性能方面得到根本上的提升，但可以优化材料的抗冲击能力。
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图 4 经过不同次数热处理后93W–5Ni–2Fe合金的金相组织形貌：（a）1次循环热处理；（b）4次循环热处理Figure 4. Microstructure of the 93W–5Ni–2Fe alloys after the different cycle number of heat treatments: (a) the first cycle heat treatment; (b) the fourth cycle heat treatment2.3 分析讨论
烧结后进行热处理已经成为改善93W–5Ni–2Fe高比重钨合金韧性的一个重要途径。一般认为高比重钨合金烧结后的热处理主要是改变了合金中杂质元素的分布，降低了合金中的H含量。通过循环热处理研究可以看到，循环热处理可以有效的提高材料的冲击韧性，热处理循环次数越多，材料的冲击韧性越高，当循环次数大于4次之后，材料的冲击韧性达到最高值，继续进行热处理不再能提高材料的冲击韧性。
改善和提升高比重钨合金的冲击韧性关键在于优化钨基界面区，即减少钨–钨晶粒连接。随着反复的热处理，使得钨基界面钨颗粒一侧粘接相元素的含量有所增加，这是由于在高温热处理过程中，合金中不同的成分会发生扩散结合，即钨基界面上的钨与粘接相元素发生了相互扩散，扩散的结果造成了钨颗粒一侧的粘接相元素含量增加，相应的也造成粘接相一侧Fe、Ni元素含量减少。反复的热处理可以使粘结相进一步向钨晶界渗透，降低钨颗粒的连接度，减少粘接相中的应力集中，有利于增强高比重钨合金的界面结合力，使材料冲击韧性获得很大提高。因此，通过循环热处理使得钨基界面合金元素分布发生改变是合金冲击韧性提高的主要原因。
3. 结论
（1）经过第1次循环热处理后，93W–5Ni–2Fe高比重钨合金材料冲击韧性为50 J·cm−2，随着循环热处理次数的增加，材料的冲击韧性逐渐升高，第4次循环热处理后冲击韧性达到115 J·cm−2，当进一步增加循环热处理次数后，材料的冲击韧性不再有明显变化，和第4次循环热处理后的冲击韧性基本相当。
（2）经过1次循环热处理的93W–5Ni–2Fe高比重钨合金的冲击断口多为钨晶粒解理断裂，钨晶粒断裂占比明显大于热处理4次时的断口；经4次循环热处理的93W–5Ni–2Fe合金冲击断口多为钨颗粒和钨颗粒的界面断裂，即粘接相的韧性断裂，断口粘结相与钨颗粒的剥离以及粘结相自身的断裂大于1次循环热处理的合金断口；反复热处理可以使粘结相进一步向钨晶界渗透，减少粘接相中的应力集中，有利于增强高比重钨合金的界面结合力，这也是高比重钨合金的冲击韧性得到改善的主要原因。
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图 2 射流分级前后钨粉显微形貌：（a）分级前；（b）分级后
Figure 2. SEM images of the tungsten powders before and after the jet grading: (a) before jet grading; (b) after jet grading
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图 3 不同原料粉末制备的钨制品断口形貌：（a）样品1；（b）样品2；（c）样品3；（d）样品4
Figure 3. Fracture morphology of the tungsten products using the different raw powders: (a) sample 1; (b) sample 2; (c) sample 3; (d) sample 4
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图 4 高温模拟应用前后钨坩埚的显微组织形貌：（a）样品1高温模拟应用前；（b）样品1高温模拟应用后；（c）样品2高温模拟应用前；（d）样品2高温模拟应用后；（e）样品3高温模拟应用前；（f）样品3高温模拟应用后；（g）样品4高温模拟应用前；（h）样品4高温模拟应用后
Figure 4. Microstructure of the different tungsten crucibles before and after the high temperature simulation: (a) sample 1 before the high temperature simulation; (b) sample 1 after the high temperature simulation; (c) sample 2 before the high temperature simulation; (d) sample 2 after the high temperature simulation; (e) sample 3 before the high temperature simulation; (f) sample 3 after the high temperature simulation; (g) sample 4 before the high temperature simulation; (h) sample 4 after the high temperature simulation
表 1 不同粉末制得的钨制品物理性能
Table 1 Physical properties of tungsten products using different powders
原料粉末 密度 / (g·cm−3) 维氏硬度，HV0.3 样品1 18.247 309.09 样品2 18.145 315.92 样品3 18.770 372.15 样品4 18.637 347.18 
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表 2 不同样品高温模拟应用前后密度变化
Table 2 Density and dimensions of the different samples before and after the high temperature simulation
样品编号 密度 / (g·cm−3) 高温模拟应用前 高温模拟应用后 样品1 18.247 18.319 样品2 18.145 18.262 样品3 18.770 18.763 样品4 18.637 18.639
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