鎢基高溫合金的主要製備工藝是粉末冶金，其核心流程包括粉末製備、成型、燒結(jié)及後續(xù)緻密化，燒結(jié)環(huán)節(jié)存在固相、液相及活化燒結(jié)等多種關(guān)鍵技術(shù)路徑。為獲得全緻密與高性能組織，還常結(jié)合熱等靜壓、熱機(jī)械處理等增強(qiáng)技術(shù)。此外，化學(xué)氣相沉積與鐳射或電子束3D列印等特種前沿工藝，也為製備複雜構(gòu)件提供了重要補(bǔ)充。
一、鎢基高溫合金的核心製備路線：粉末冶金及其增強(qiáng)技術(shù)
鎢基高溫合金的核心製備路線是粉末冶金。這項(xiàng)技術(shù)主要包含粉末製備、成型、燒結(jié)以及後續(xù)緻密化四個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
先是粉末原料的準(zhǔn)備和預(yù)處理?；w材料是高純度且形狀呈球形或近似球形的鎢粉。為了提高合金性能，需要按比例加入鉭、錸、鉿這類固溶強(qiáng)化元素粉末，以及碳這類能形成碳化物顆粒的元素。粉末的細(xì)微性、形狀和分佈情況直接影響後面的燒結(jié)效果和最終材料的組織狀態(tài)。對(duì)於一些元素眾多、用普通方法難以混合均勻的合金體系，通常會(huì)採用高能球磨進(jìn)行機(jī)械合金化，在高強(qiáng)度球磨過程中，粉末顆粒經(jīng)歷劇烈的塑性變形和反復(fù)冷焊，迫使不同元素在原子級(jí)別上混合均勻，有時(shí)甚至能形成過飽和固溶體或者非晶、納米晶結(jié)構(gòu)，這為之後通過熱處理獲得理想組織打下了基礎(chǔ)。
接下來是成型階段。對(duì)於形狀比較簡單的坯料，一般採用模壓成型，這種方式速度快、成本低，但壓出來的坯體密度往往不夠均勻，內(nèi)部存在一定梯度。如果是性能要求高、形狀又比較複雜的零件，冷等靜壓是更好的選擇，它通過液體或氣體介質(zhì)把壓力均勻傳遞到包在彈性模具裡的粉末上，各方向受力一致，得到的生坯密度均勻而且已經(jīng)有一定強(qiáng)度，所以成為製造高性能鎢基高溫合金部件時(shí)最常用的成型方法。
下一步是最關(guān)鍵的燒結(jié)緻密化環(huán)節(jié)。燒結(jié)使粉末顆粒結(jié)合在一起，形成具有基本性能的材料。針對(duì)鎢基高溫合金，主要有三種燒結(jié)方式。
固相燒結(jié)完全在鎢熔點(diǎn)以下進(jìn)行，靠原子通過晶格擴(kuò)散或晶界擴(kuò)散緩慢實(shí)現(xiàn)，速度很慢，想要得到高密度通常需要極高的溫度和很長的保溫時(shí)間。
液相燒結(jié)通過加入鎳鐵、鎳銅這類低熔點(diǎn)金屬作為粘結(jié)相，在燒結(jié)溫度下形成液態(tài)相，液相依靠毛細(xì)作用快速重排鎢顆粒，同時(shí)大大加快物質(zhì)傳輸，是目前實(shí)現(xiàn)高效緻密化的主要手段，不過，粘結(jié)相的存在會(huì)在一定程度上損害材料在極高溫度環(huán)境下的性能。
第三種是活化燒結(jié)，它在粉末中添加微量的鈀或鎳這類過渡族元素，通過在鎢顆粒表面形成一層活化層，從而極大地提升擴(kuò)散係數(shù)，這樣就能在較低溫度或較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高度緻密化?；罨療Y(jié)的實(shí)際效果則取決於所添加元素的化學(xué)性質(zhì)以及燒結(jié)時(shí)所採用的氣氛。
最後是後續(xù)加工環(huán)節(jié)。經(jīng)過燒結(jié)的坯體通常還存在一些殘餘孔隙和粗大的晶粒組織，需要通過後續(xù)工藝來進(jìn)一步提升其綜合性能。
熱機(jī)械處理是一種常見方法，它在高於材料再結(jié)晶溫度的條件下，對(duì)燒結(jié)坯進(jìn)行熱軋、熱鍛或熱擠壓。這種劇烈的塑性變形能夠有效破碎初始的燒結(jié)組織、焊合內(nèi)部孔隙並細(xì)化晶粒，從而顯著提升材料的強(qiáng)度、韌性以及整體緻密度。
熱等靜壓則是實(shí)現(xiàn)全緻密化的關(guān)鍵手段。它將封裝在金屬或玻璃材質(zhì)這類密閉包套內(nèi)的坯料，置於熱等靜壓機(jī)中，同時(shí)施加高溫與高壓的惰性氣體。這個(gè)工藝能無差別地消除材料內(nèi)部任何方向上的殘餘孔洞，是實(shí)現(xiàn)製品接近百分之百理論密度的方法，尤其適合用於像火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯這樣對(duì)可靠性要求極高的關(guān)鍵部件。
此外，放電等離子燒結(jié)是一種場輔助快速燒結(jié)技術(shù)。它通過讓脈衝直流電直接通過模具和粉末本身，產(chǎn)生等離子體，利用其瞬間釋放的焦耳熱與場致效應(yīng)，在短短數(shù)分鐘到數(shù)十分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速緻密化，這項(xiàng)技術(shù)能限制晶粒在高溫下的長大，是製備細(xì)晶甚至納米晶鎢基材料的有效途徑。
鎢基高溫合金的三種主要燒結(jié)方式
二、鎢基高溫合金的特種與前沿製備工藝
鎢基高溫合金除了常規(guī)的粉末冶金路線外，還包括一些特種與前沿的製備工藝。
首先是化學(xué)氣相沉積工藝。這種方法主要用於製備高純度的鎢塗層或薄壁構(gòu)件。它的基本原理是讓鎢的揮發(fā)性鹵化物，如六氟化鎢，在高溫基體表面發(fā)生還原反應(yīng)或熱分解反應(yīng)，從而逐層沉積出緻密的鎢層。通過化學(xué)氣相沉積得到的鎢材料純度很高，密度大，並且能夠減少晶界所帶來的一些不利影響，因此表現(xiàn)出非常出色的抗熱震性能，以及較高的再結(jié)晶溫度。這項(xiàng)工藝已被廣泛應(yīng)用於核聚變裝置中的面向等離子體材料。
其次是增材製造，也就是常說的3D列印技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)主要是為了解決鎢傳統(tǒng)加工性能差、難以製造複雜構(gòu)件的難題而發(fā)展起來的。
其中，選區(qū)鐳射熔化技術(shù)使用雷射光束逐層選擇性熔化鎢粉，直接成型複雜的三維結(jié)構(gòu)。但由於鎢本身熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱率高且本質(zhì)較脆，列印過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，非常容易導(dǎo)致開裂和孔隙的產(chǎn)生，這是目前該技術(shù)領(lǐng)域攻關(guān)的主要焦點(diǎn)。
另一種是電子束熔化技術(shù)。它在高真空環(huán)境中以電子束作為能量源。與選區(qū)鐳射熔化相比，電子束的能量密度更高，並且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)加工艙內(nèi)材料的整體預(yù)熱，這可以更有效地緩解熱應(yīng)力的積累，使得它成為製造難熔金屬構(gòu)件時(shí)更具潛力的一個(gè)技術(shù)方向。
