内容简介
《高性能难熔金属材料设计与制备技术》为“材料先进成型与加工技术丛书”之一。作者以纳米/微纳复合技术为基础，结合三十多年的研究经验和技术成果，介绍高性能难熔金属材料的新方法与新技术，从纳米/微纳复合理论计算、纳米钨基合金材料制备、氧化物/碳化物陶瓷增强难熔钨钼金属基复合材料制备、大变形强化烧结制备技术等方面，开展高性能难熔金属的新原理、新技术、新材料的研究，为难熔金属在航空航天、发动机、兵器、核聚变、新能源等高端设备领域的应用设计提供了重要依据。
精彩书摘
第1章
概述
1.1研究背景
难熔金属具有良好的综合热物理性能，是国防**和国民经济不可或缺的重要战略物质，难熔金属因固有的高熔点、低膨胀、高导热、高耐热，以及高原子序数导致的高抗辐射特性，在航空航天、国防**、发动机、原子能、新能源、微电子信息、核工业、石油化工、医疗装备等领域均有着广泛的应用，研究高性能难熔金属材料的设计与制备技术，具有重要的意义和前景[1，2]。
特性：难熔金属一般指熔点高于1650℃并有一定储量的金属。这类金属具有高熔点、高强度、高硬度、良好的高温稳定性、低热膨胀系数、较高的密度等特性，但也存在高温抗氧化性能差、部分金属塑性-脆性转变温度较高等缺点。
种类：常见的难熔金属包括钨（熔点3410℃）、钼（熔点2623℃）、钽、铌、铪、铬、钒、锆和钛等。这些金属在航空航天、国防**、核工业、电子等领域具有广泛的应用[1，2]。
1.1.1钨及钨合金
1.钨及钨合金的种类
钨具有高熔点、高密度、高强度、高耐磨性、低热膨胀系数、良好的抗蚀性和抗氧化性能等优点，纯钨及超高密度钨材料在国防军事工业、航空航天、原子能及核工业、电子信息等行业具有广泛而重要的应用。例如，高密度钨合金被用作枪弹中的集束箭弹、霰弹、子母弹、屏幕弹和穿甲弹等，具有很大的杀伤威力；在导弹中，钨及钨合金材料用作导航仪的陀螺转子，配重螺钉调整片；在核潜艇和核动力航空母舰中，用来保护其核心动力部分，同时起到良好的射线屏蔽作用；在电热加工中，用作电极材料和电接触材料等，同时在现代微电子信息领域中用作电子封装材料[3-6]。
1）W-Ni合金
Ni的熔点较低，与W的互溶性较好，使其成为二元系钨合金中常用的合金元素[7]。机械合金化法制备W-10Ni在合金化过程中钨镍粉末发生碰撞断裂和冷焊，形成钨镍固溶体；掺杂纳米氧化钇后，合金组织均匀细化，晶粒尺寸分布变窄。但在粉末冶金条件下，由于Ni与W的原子互扩散与固溶难以控制，易形成Ni4W脆性化合物，因此Ni常与其他合金元素共同应用，可有效控制烧结过程[8-10]。
2）W-Cu合金
Cu的低熔点及优良的导电导热性使其成为电热类钨合金材料的关键合金元素[10-12]。发现高Cu含量合金的W-10wt%～40wt%Cu（wt%表示质量分数）合金用热压烧结方法，在1250℃保温1h可实现坯体相对密度＞98%，而低Cu含量合金在1450℃保温2h也难达到高致密，可通过添加少量WO3分散纳米粉末加以改善[13]。
3）W-Ag合金
银粒子弥散分布在钨相周围，在高温环境中，材料中的银熔化并被钨骨架的毛细管力所吸引，瞬间气化而吸热，零件能够产生自冷却作用。W-Ag复合材料自1935年成功制备后，在很长一段时间内主要用作电触头材料[14]。Aslanoglu等[15]制备了不同机械合金化时间的W-35wt%Ag复合粉末，经压制、烧结并复压得到了触头材料。结果表明：随着机械合金化时间的增加，W-35wt%Ag材料的密度和硬度同时提高。
4）W-V、W-Ta、W-Re、W-Ti合金
V、Ta、Re元素可固溶到W晶格中，W-2V和W-2V-0.5Y2O3合金发现两种合金均具有双尺度晶粒结构（亚微米和粗晶），在低于1700℃下，Y2O3抑制晶粒长大，W-2V和W-2V-0.5Y2O3合金的亚微米晶粒长大热焓值分别为1.9eV和2.49eV，W-2V-0.5Y2O3合金晶粒长大速率是W-2V合金的30倍，Y2O3起弥散强化作用[16]。采用真空电弧熔炼技术制备的W-Ta和W-Re合金，用射线辐照合金表面，表明W-Ta合金的辐照缺陷密度低于W-Re合金的，Ta阻碍辐照缺陷的增加，因此W-Ta合金的辐照硬化较弱[17]。采用机械合金化得到W-Ti合金粉末，压制烧结法制得W-Ti合金，并用*大熵值计算及微观组织测试发现颗粒直径以60～70？为主，其次是100～300？[18]。
5）W-Ni-Fe系多元合金
因W原子的5d层电子离原子核较远，有逸出倾向，而过渡族Fe、Co、Ni原子的3d电子层未填满，有获得电子倾向，是钨合金的关键黏结剂材料[19]。通过大量研究发现W-Ni-Fe三元合金性能优越，应用广泛[20]。Churn等[21]用液相烧结法制备W-Ni-Fe合金，发现*优镍铁比为7∶3，在1485℃烧结温度下合金达到完全致密；裂纹开始于钨相界面，沿W/黏结相界面扩展到钨相晶界。Povarova等[22]采用化学合成及还原法制得纳米W-Ni-Fe-Co合金粉末，在1300～1450℃进行固相烧结，发现合金密度由16.7g/cm3增大到17.4g/cm3，钨相平均晶粒尺寸由2.4μm增大到4.6μm，当烧结温度增加到1480℃时出现液相。Ding等[23]采用Mo、Co为强化相，通过放电等离子烧结技术制备W-Ni-Fe-Mo-Co五元合金，结果表明，添加Mo、Co元素可降低合金烧结温度，当烧结温度为1250℃时合金接近全致密，钨相呈球形；1250℃合金的力学性能*优，断口形貌主要为延性撕裂。
6）W-Ni-Cu系多元合金
与W-Ni-Fe相比，W-Ni-Cu系多元合金的塑性较差，但其无磁性且烧制温度更低，使其具有强大竞争力[24]。Shen等[25]通过
目录
目录
总序
前言
第1章 概述 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 钨及钨合金 1
1.1.2 钼及钼合金 7
1.1.3 铌及铌合金 10
1.1.4 钽及钽合金 12
1.2 研究思路和研究内容 16
1.2.1 难熔金属的新原理、新技术、新材料 16
1.2.2 研究内容 18
参考文献 18
第2章 纳米/微纳复合的理论计算 21
2.1 钨铜界面的结合性能与梯度设计 21
2.1.1 引言 21
2.1.2 钨铜界面的原子结构、功函数和结合性能 22
2.1.3 钨铜梯度界面性能 28
2.1.4 钨铜体系原子间相互作用模型的构建 34
2.1.5 钨铜体系辐照下的缺陷演化和力学性能 40
2.2 钨铁体系的原子作用模型与力学性能 46
2.2.1 引言 46
2.2.2 钨铁体系的热学、力学和磁学性能 47
2.2.3 钨铁体系嵌入原子相互势的建立 61
2.2.4 钨铁界面的原子结构、力学性能与位错演化 70
2.3 钨-碳化钛界面的原子结构与结合性能 79
2.3.1 引言 79
2.3.2 TiC体材料的热学和力学性能 80
2.3.3 W-TiC界面结合性能 91
2.4 钨-氧化镧体系的表面与界面性能 98
2.4.1 引言 98
2.4.2 W和La2O3的表面性能 98
2.4.3 W/La2O3的界面性能 104
参考文献 111
第3章 纳米钨基合金材料 125
3.1 引言 125
3.2 超细/纳米钨基复合粉末制备技术 127
3.2.1 机械合金化 127
3.2.2 冷冻干燥法 130
3.2.3 有机软化学法 134
3.2.4 溶胶-凝胶法 137
3.2.5 高温自蔓延合成法 142
3.2.6 水热法和溶剂热法 143
3.2.7 熔盐法 146
3.2.8 化学气相沉积法 148
3.2.9 喷雾干燥法 148
3.3 超细/纳米钨基复合粉末的烧结技术研究 150
3.3.1 晶粒抑制烧结技术 151
3.3.2 特殊强化烧结技术 153
3.3.3 超细/纳米钨基复合粉末的烧结 154
参考文献 169
第4章 氧化物、碳化物陶瓷增强难熔钨钼金属基复合材料 174
4.1 引言 174
4.2 TiC增强难熔金属钨基复合材料制备及组织性能与强化机制 176
4.2.1 纳米复合TiC增强钨基复合粉末的制备与性能调控 176
4.2.2 高强细晶W-TiC复合材料烧结行为与组织性能及其
强化机理研究 192
4.2.3 纳米ZrC增强细晶钨材料的致密化及其强韧化机理研究 206
4.3 细晶W-Y2O3复合材料制备与服役性能研究 251
4.3.1 引言 251
4.3.2 自组装-共沉淀纳米W-Y2O3核壳结构粉末合成与制备机理 253
4.3.3 烧结态细晶W-Y2O3复合材料性能与微结构特性 259
4.3.4 细晶W-Y2O3复合材料的服役性能与损伤行为研究 263
4.3.5 小结 269
参考文献 270
第5章 大变形强化烧结制备技术 274
5.1 引言 274
5.2 形变强化方式 274
5.3 问题与展望 280
参考文献 280
关键词索引 282
试读
第1章
概述
1.1研究背景
难熔金属具有良好的综合热物理性能，是国防**和国民经济不可或缺的重要战略物质，难熔金属因固有的高熔点、低膨胀、高导热、高耐热，以及高原子序数导致的高抗辐射特性，在航空航天、国防**、发动机、原子能、新能源、微电子信息、核工业、石油化工、医疗装备等领域均有着广泛的应用，研究高性能难熔金属材料的设计与制备技术，具有重要的意义和前景[1，2]。
特性：难熔金属一般指熔点高于1650℃并有一定储量的金属。这类金属具有高熔点、高强度、高硬度、良好的高温稳定性、低热膨胀系数、较高的密度等特性，但也存在高温抗氧化性能差、部分金属塑性-脆性转变温度较高等缺点。
种类：常见的难熔金属包括钨（熔点3410℃）、钼（熔点2623℃）、钽、铌、铪、铬、钒、锆和钛等。这些金属在航空航天、国防**、核工业、电子等领域具有广泛的应用[1，2]。
1.1.1钨及钨合金
1.钨及钨合金的种类
钨具有高熔点、高密度、高强度、高耐磨性、低热膨胀系数、良好的抗蚀性和抗氧化性能等优点，纯钨及超高密度钨材料在国防军事工业、航空航天、原子能及核工业、电子信息等行业具有广泛而重要的应用。例如，高密度钨合金被用作枪弹中的集束箭弹、霰弹、子母弹、屏幕弹和穿甲弹等，具有很大的杀伤威力；在导弹中，钨及钨合金材料用作导航仪的陀螺转子，配重螺钉调整片；在核潜艇和核动力航空母舰中，用来保护其核心动力部分，同时起到良好的射线屏蔽作用；在电热加工中，用作电极材料和电接触材料等，同时在现代微电子信息领域中用作电子封装材料[3-6]。
1）W-Ni合金
Ni的熔点较低，与W的互溶性较好，使其成为二元系钨合金中常用的合金元素[7]。机械合金化法制备W-10Ni在合金化过程中钨镍粉末发生碰撞断裂和冷焊，形成钨镍固溶体；掺杂纳米氧化钇后，合金组织均匀细化，晶粒尺寸分布变窄。但在粉末冶金条件下，由于Ni与W的原子互扩散与固溶难以控制，易形成Ni4W脆性化合物，因此Ni常与其他合金元素共同应用，可有效控制烧结过程[8-10]。
2）W-Cu合金
Cu的低熔点及优良的导电导热性使其成为电热类钨合金材料的关键合金元素[10-12]。发现高Cu含量合金的W-10wt%～40wt%Cu（wt%表示质量分数）合金用热压烧结方法，在1250℃保温1h可实现坯体相对密度＞98%，而低Cu含量合金在1450℃保温2h也难达到高致密，可通过添加少量WO3分散纳米粉末加以改善[13]。
3）W-Ag合金
银粒子弥散分布在钨相周围，在高温环境中，材料中的银熔化并被钨骨架的毛细管力所吸引，瞬间气化而吸热，零件能够产生自冷却作用。W-Ag复合材料自1935年成功制备后，在很长一段时间内主要用作电触头材料[14]。Aslanoglu等[15]制备了不同机械合金化时间的W-35wt%Ag复合粉末，经压制、烧结并复压得到了触头材料。结果表明：随着机械合金化时间的增加，W-35wt%Ag材料的密度和硬度同时提高。
4）W-V、W-Ta、W-Re、W-Ti合金
V、Ta、Re元素可固溶到W晶格中，W-2V和W-2V-0.5Y2O3合金发现两种合金均具有双尺度晶粒结构（亚微米和粗晶），在低于1700℃下，Y2O3抑制晶粒长大，W-2V和W-2V-0.5Y2O3合金的亚微米晶粒长大热焓值分别为1.9eV和2.49eV，W-2V-0.5Y2O3合金晶粒长大速率是W-2V合金的30倍，Y2O3起弥散强化作用[16]。采用真空电弧熔炼技术制备的W-Ta和W-Re合金，用射线辐照合金表面，表明W-Ta合金的辐照缺陷密度低于W-Re合金的，Ta阻碍辐照缺陷的增加，因此W-Ta合金的辐照硬化较弱[17]。采用机械合金化得到W-Ti合金粉末，压制烧结法制得W-Ti合金，并用*大熵值计算及微观组织测试发现颗粒直径以60～70？为主，其次是100～300？[18]。
5）W-Ni-Fe系多元合金
因W原子的5d层电子离原子核较远，有逸出倾向，而过渡族Fe、Co、Ni原子的3d电子层未填满，有获得电子倾向，是钨合金的关键黏结剂材料[19]。通过大量研究发现W-Ni-Fe三元合金性能优越，应用广泛[20]。Churn等[21]用液相烧结法制备W-Ni-Fe合金，发现*优镍铁比为7∶3，在1485℃烧结温度下合金达到完全致密；裂纹开始于钨相界面，沿W/黏结相界面扩展到钨相晶界。Povarova等[22]采用化学合成及还原法制得纳米W-Ni-Fe-Co合金粉末，在1300～1450℃进行固相烧结，发现合金密度由16.7g/cm3增大到17.4g/cm3，钨相平均晶粒尺寸由2.4μm增大到4.6μm，当烧结温度增加到1480℃时出现液相。Ding等[23]采用Mo、Co为强化相，通过放电等离子烧结技术制备W-Ni-Fe-Mo-Co五元合金，结果表明，添加Mo、Co元素可降低合金烧结温度，当烧结温度为1250℃时合金接近全致密，钨相呈球形；1250℃合金的力学性能*优，断口形貌主要为延性撕裂。
6）W-Ni-Cu系多元合金
与W-Ni-Fe相比，W-Ni-Cu系多元合金的塑性较差，但其无磁性且烧制温度更低，使其具有强大竞争力[24]。Shen等[25]通过
