退火溫度對(duì)鉬鋯合金組織和力學(xué)性能的影響

鉬具有熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)低，高溫強(qiáng)度高、高溫蠕變速率低等特性，被廣泛應(yīng)用于冶金、核能、機(jī)械、化工、航天航空、國防、醫(yī)療電子等領(lǐng)域[1-7]。然而，鉬金屬的再結(jié)晶溫度低、高溫強(qiáng)度低且蠕變性能差，材料性能已經(jīng)很難滿足各行各業(yè)的需要。為了擴(kuò)大鉬制品的使用領(lǐng)域，大量研究采用在鉬中摻入其他元素的方法進(jìn)行碳化物強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化，以改善鉬的再結(jié)晶溫度、高溫強(qiáng)度、抗氧化性能和耐磨、耐腐蝕性能[8-19]。

ZrO₂是一種耐高溫、耐磨損、導(dǎo)電性好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)的無機(jī)非金屬材料[20]。新型氧化鋯增強(qiáng)鉬合金在高溫強(qiáng)度、高溫耐腐蝕等性能上比鉬合金基體均有很大的提升，其在玻璃行業(yè)、航天、軍工，特別是太陽能行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義[13，21-22]。本文采用粉末冶金法制備了鉬鋯合金，經(jīng)過熱軋、溫軋得到相應(yīng)的板材，研究了鉬鋯合金板材的微觀組織和再結(jié)晶行為，以期為鉬鋯合金的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1、試驗(yàn)材料與方法

以FMo-l鉬粉與ZrO₂試劑為原料，采用粉末冶金法制備鉬鋯合金，按比例混合均勻后模壓成型，然后中頻感應(yīng)燒結(jié)成厚度為12mm的鉬鋯合金板，合金板的斷口形貌與化學(xué)成分分別見圖1、表1。

鉬鋯合金燒結(jié)板坯被熱軋、溫軋成3mm的薄板。將軋制后的鉬鋯合金板在馬弗爐進(jìn)行退火，退火溫度分別為900、1000、1100、1200、1300和1400℃，保溫時(shí)間均為1h。退火后鉬鋯合金板的室溫拉伸性能測(cè)試在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T228-2010，取3次測(cè)量結(jié)果的平均值；采用金相顯微鏡觀察顯微組織；采用HR-150型洛式硬度計(jì)測(cè)試硬度。

2、結(jié)果與討論

2.1鉬鋯合金的組織及性能

圖2為鉬鋯合金棒材燒結(jié)態(tài)和軋制態(tài)縱向金相組織形貌。由圖2可以看出，燒結(jié)態(tài)晶粒呈細(xì)小等軸晶，大小均勻，晶界平直，平均晶粒尺寸為30μm左右。經(jīng)軋制加工后，細(xì)小的等軸晶被拉長(zhǎng)為纖維狀組織。表2為燒結(jié)態(tài)和軋制態(tài)鉬鋯合金板的密度和硬度。由表2可以看出，經(jīng)軋制加工后鉬鋯合金板的密度、硬度均顯著提升。

2.2退火溫度對(duì)鉬鋯合金組織的影響

圖3為鉬鋯合金在不同溫度退火1h后的組織形貌。由圖3可看出，900～1000℃時(shí)，鉬鋯合金板材組織主要為纖維組織，處于去應(yīng)力回復(fù)階段；1100℃退火后，纖維條逐漸縮短，纖維邊界存在細(xì)小的再結(jié)晶晶核（圖3(c)），這表明1100℃時(shí)合金開始再結(jié)晶；1200℃退火后鉬鋯合金纖維組織進(jìn)一步寬化，纖維變短向等軸晶轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)部分新的等軸晶粒，說明再結(jié)晶尚不充分；當(dāng)退火溫度達(dá)到1300℃時(shí)，合金顯微組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，再結(jié)晶過程基本完成（圖3(e)）；1400℃退火后晶粒尺寸明顯長(zhǎng)大（圖3(f)）。

2.3退火溫度對(duì)鉬鋯合金硬度的影響

圖4為鉬鋯合金硬度與退火溫度的關(guān)系。由圖4可以看出，隨著退火溫度升高，鉬鋯合金晶界殘余應(yīng)力得到部分去除；到1000℃時(shí)，鉬鋯合金硬度下降至58.02HRA；而在1300℃時(shí)，硬度顯著下降至50.84HRA；到1400℃時(shí)硬度為50.36HRA，硬度降低緩慢。這表明1300℃時(shí)鉬鋯合金再結(jié)晶完成。相比較于純鉬，鉬鋯合金再結(jié)晶溫度高，其主要原因?yàn)閆rO₂顆粒的釘扎作用增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，滑移減少使得位錯(cuò)密度較高，再結(jié)晶核心的形成延緩[12-16]。這與鉬鋯合金不同溫度退火后的組織變化一致。

2.4退火溫度對(duì)鉬鋯合金拉伸性能的影響

圖5為鉬鋯合金抗拉強(qiáng)度與退火溫度的關(guān)系。

由圖5可以看出，鉬鋯合金經(jīng)1000℃退火后抗拉強(qiáng)度稍有下降，為712MPa；1100℃退火后抗拉強(qiáng)度顯著下降到571MPa；1300℃退火后，抗拉強(qiáng)度下降到443MPa；1400℃退火后，抗拉強(qiáng)度緩慢下降到420MPa。這是由于在1100℃之前退火鉬鋯合金主要發(fā)生了去應(yīng)力回復(fù)過程，仍為纖維狀組織，抗拉強(qiáng)度下降不明顯；在1100～1300℃，隨著溫度的升高，鉬鋯合金發(fā)生了再結(jié)晶，晶粒由纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，抗拉強(qiáng)度顯著下降。1400℃退火，因?yàn)殂f鋯合金再結(jié)晶已經(jīng)完成，其抗拉強(qiáng)度下降緩慢。

3、結(jié)論

(1)在本試驗(yàn)條件下，鉬鋯合金的起始再結(jié)晶溫度和終了再結(jié)晶溫度分別為1100、1300℃。

(2)在900～1400℃范圍內(nèi)，隨著退火溫度的升高，鉬鋯合金的硬度逐漸降低，在1400℃時(shí)硬度下降到50.36HRA。隨著退火溫度的升高，鉬鋯合金的抗拉強(qiáng)度降低，1100℃時(shí)開始顯著降低，到1400℃時(shí)下降至420MPa。

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