[发明专利]一种难熔金属零部件的近净成形方法

说明书

技术领域

本发明属于快速成形技术与粉末烧结复合成形领域，具体为一种近净成形难熔金属零件的方法。 

背景技术

难熔材料是以钨、钼等难熔金属或添加一定的其他元素而构成的一种纯金属或合金材料。与传统合金材料相比，难熔材料的典型特点是熔点高，通常在3000℃左右，因此难于进行铸造加工且冶炼困难，多采用粉末冶金的方法加工成形。近年来，难熔材料零件由于其优异的性能已经得到了非常广泛的应用；以钨基合金为例，具有以下优良性能，如密度高、抗拉强度好、延性好、具有良好的吸收射线的能力、良好的导电性能、导热性及较低的热膨胀系数，良好的耐腐蚀性与抗氧化性，良好的可焊接性和良好的机加工特性等。可用作防辐射屏蔽材料和γ射线刀、导航仪的陀螺转子，配重螺钉、调整片以及电铆中的铆钉材料，电火花加工用电极材料，点焊中的点焊材料，高压开关的电接触材料等等。 

粉末冶金（Powder Metallurgy, PM）是一种常见的难熔金属零件的成形方法。其具体过程是将高熔点金属粉末与添加元素进行均匀混合，置于模具内进行压制，再进行烧结工艺处理，在烧结过程中低熔点粉末颗粒熔化粘结难熔金属粉末，并在烧结过程中形成低熔点二元以及三元相从而形成以难熔金属粉末为骨架以低熔点金属粉末为粘结相的难熔烧结体。该成形方法可以生产W、Mo或其他合金难熔体。因此利用该技术可以制造出难熔金属零件。为进一步提高合金物理化学性能，还可加入特殊元素进行改性。 

但是利用粉末冶金液相烧结法成形各种难熔材料零部件时，存在以下问题： 

（1）粉末冶金液相烧结法难以直接成形出任意复杂形状的零件。难熔材料的应用中如需要某种复杂形状，粉末冶金液相烧结法则因工艺受限无法直接成形。实际生产中往往需要机械加工以及后续处理，这种方法不仅工艺繁琐，生产效率低，而且还造成了材料的浪费。

（2）粉末冶金液相烧结法需要使用模具进行成形，加工完成后需要将零件从模具中脱除，因此模具的设计与烧结工艺控制等环节至关重要，工艺控制困难，稍有偏差就会影响零件的尺寸精度。 

钨合金，特别是其中的W-Ni-Fe合金具有诸如高密度、高强度、高延性、高导热性和低膨胀率、良好电性等一系列优良物理和力学性能，因而广泛地被应用于航空航天、军事工业、电器仪表工业、压力铸造工业等领域[1-2]。由于钨的熔点高达3410℃，因此该合金无法采用铸造方法成形。二十世纪九十年代以前，该体系合金材料的成形基本靠传统粉末冶金（PowderMetallurgy, PM）方法来实现，即零件制造需要经过以下必要的步骤：混粉、压制、预烧、液相烧结、热处理、毛坯机械加工、冷加工（旋锻）、时效、机械加工。通过传统PM方法成形的W-Ni-Fe合金往往形状简单，仍需要进行必要的机械加工才能成为最终使用的零件，势必造成工艺的繁琐和较大的浪费。传统PM工艺中的液相烧结是靠混合粉末中的低熔点成分（Ni和Fe）在相对钨熔点较低温度下形成液相而实现致密化。而且据研究表明，当液相量在30~35Vol/%时，完全致密化才有可能。液相烧结过程中液体量（由Ni、Fe粘结相产生）直接影响合金的孔隙率，从而最终影响合金的综合性能。因此，采用传统PM方法成形W-Ni-Fe合金零件时，烧结液相量、零件致密化和零件综合性能三者之间产生了相互制约和相互矛盾的关系，而且烧结零件容易产生坍塌和变形，局限了其进一步发展。 

二十世纪九十年代中期出现了粉末注射成形（Powder Injection Molding，PIM） 技术，可以制备具有复杂三维结构的W-Ni-Fe合金精细零部件，由此拓宽了钨合金在民用工业和军工行业中的应用领域。但PIM依然没有脱离传统PM的液相烧结致密化原理，且存在着如下缺欠：（1）脱脂烧结前，零件毛坯的致密度低；（2）毛坯脱脂过程中易出现鼓泡、弯曲、开裂、坍塌等缺陷，目前只适合制备小零件；（3）整个过程需要模具支持，因此无法制造结构极其复杂的零件，如曲面叶轮、三维网格结构零件等，而且所需模具价格昂贵。 

近年来出现利用SLM快速成形系统和激光器扫描的办法实现合金材料零部件的近净加工，极大方便了合金材料零部件的成型，但现有的加工方法的加工机理在于与传统PM工艺中的液相烧结相同，即激光器扫描切片时，混合粉末中的低熔点成分（Ni和Fe）在相对钨熔点较低温度下形成液相而实现致密化。在瞬时熔化的条件下，低熔点成分造成的液相量几乎达不到30~35Vol/%的技术指标，因而而SLM快速成形系统和激光器扫描的办法最终影响合金的综合性能。 

发明内容