鎢的三相合金通過引入第三相提升性能，主要包括五種類型。彌散強化型添加納米陶瓷顆粒釘紮位錯，提高高溫強度和抗輻照能力；粘結(jié)相強化型調(diào)整鎳鐵粘結(jié)相，引入硬質(zhì)相增強耐磨性，用於切削工具；功能複合型引入銅/銀等功能相，形成導電/導熱網(wǎng)路，用於電觸頭和熱沉；晶界工程型添加活性元素淨化並強化晶界，改善韌性和抗氧化性；原位自生型通過內(nèi)部反應(yīng)生成細小增強相，介面潔淨，適用於火箭發(fā)動機等極端高溫部件。這些合金拓展了鎢在高溫、耐磨及功能集成領(lǐng)域的應(yīng)用。
一、鎢的彌散強化型三相合金
鎢的彌散強化型三相合金，是在傳統(tǒng)兩相鎢合金的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類材料。它通過在原有的合金體系中引入高穩(wěn)定性的納米級或亞微米級陶瓷顆粒作為第三相，借助彌散強化的機制來改善材料的高溫力學性能以及抗輻照能力。
目前研究中常採用的第三相顆粒包括氧化釔、氧化鑭、碳化鋯等，這些顆粒在材料中起到釘紮位錯和晶界的作用，能有效延緩或抑制高溫環(huán)境下的組織演變，由此帶來的性能改善包括再結(jié)晶溫度的提高、高溫強度的增強、抗蠕變能力的提升以及抗輻照性能的優(yōu)化。這類合金的典型應(yīng)用包括作為聚變堆面向等離子體部件的候選材料，以及火箭發(fā)動機中需要承受高溫的部件。
二、鎢的高性能粘結(jié)相強化型三相合金
鎢的高性能粘結(jié)相強化型三相合金，是在傳統(tǒng)鎢合金的基礎(chǔ)上，通過對鎳鐵或鎳銅粘結(jié)相進行成分調(diào)整或替換而形成的一類材料。其設(shè)計思路是在粘結(jié)相中引入高體積分數(shù)的金屬間化合物或陶瓷硬質(zhì)相作為增強組元，從而提升材料的整體強度和耐磨性能。需要注意的是，由於大量硬質(zhì)相的加入會導致燒結(jié)時粘結(jié)相的流動性下降，這類材料通常需借助熱壓或熱等靜壓等特殊工藝來實現(xiàn)緻密化。
當前研究中採用的強化相主要包含兩種類型。一類是金屬間化合物粘結(jié)相，例如鋁化鎳或鈦化鎳，這類化合物憑藉其長程有序的晶體結(jié)構(gòu)，能夠提供比傳統(tǒng)粘結(jié)相更高的強度與硬度，同時具備較好的高溫穩(wěn)定性。另一類是陶瓷硬質(zhì)相，如碳化鈦、碳化鉭或碳化鎢，這些相通常彌散分佈在粘結(jié)相中，或與粘結(jié)相形成複合結(jié)構(gòu)，利用其高硬度和高彈性模量來增強材料抵抗磨損的能力。
這些強化相在材料中起到的主要作用是在磨損過程中承擔外部載荷，阻礙磨粒的壓入和基體的塑性變形。與此同時，硬質(zhì)相的存在也能夠釘紮位錯，進一步提高材料的硬度和耐磨性，這使得合金具備了較高的硬度和良好的耐磨能力，但另一方面，由於強化相的引入，材料的韌性通常會有所下降。在實際應(yīng)用中，鎢的高性能粘結(jié)相強化型三相合金主要被用於對耐磨性要求較高的場景，例如高性能切削工具、礦山用鑽頭以及其他需要長期承受磨損的部件。
三、鎢的功能特性複合型三相合金
鎢的功能特性複合型三相合金的設(shè)計出發(fā)點，是在保持原有結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，進一步賦予材料某些特定的功能特性。這類材料通過向鎢基體中引入具有特定功能的第三組元，形成了具備特殊物理性能的複合體系。
第三組元的選擇主要取決於所需要的功能方向。其中一種常見做法是加入導電或?qū)嵝阅茌^好的金屬，例如銅或銀，這些金屬在燒結(jié)完成後會在鎢骨架的間隙中形成連續(xù)的網(wǎng)路相，構(gòu)成獨立且連續(xù)的第三相，為電子和熱量的傳輸提供低阻通道。另一種常見的改性思路是添加能夠固溶進鎢晶格的元素，例如鉭或錸，這類合金化元素的主要作用是降低鎢的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，在此基礎(chǔ)上進一步複合導電相，如銅/銀，則可構(gòu)建出兼具固溶強化效果與特殊物理性能的複雜三相體系。
從組織結(jié)構(gòu)來看，鎢的功能特性複合型三相合金呈現(xiàn)出鎢作為連續(xù)骨架、功能相填充其中的互穿網(wǎng)路形態(tài)，這種結(jié)構(gòu)多見於液相燒結(jié)的鎢銅/銀合金。鎢骨架主要承擔載荷並維持耐高溫特性，而導電相則負責電信號或熱流的有效傳導，同時，固溶於鎢晶格中的元素通過引起晶格畸變，實現(xiàn)對基體的強化和韌化，緩解鎢本身的脆性問題。
由此帶來的性能變化主要表現(xiàn)在以下幾個方面，在保留鎢高熔點和高強度特點的同時，材料獲得了較高的導電和導熱能力，電接觸性能較好，能夠適應(yīng)頻繁開合的使用條件，低溫韌性也比常規(guī)鎢合金有所改善。
鎢的功能特性複合型三相合金目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括需要同時具備良好導電性和抗電弧燒蝕性能的場合，例如大功率電氣觸頭，在核反應(yīng)爐中也用作熱沉材料，依靠其較高的熱導率實現(xiàn)熱量的快速匯出。
四、鎢的晶界工程型三相合金
鎢的晶界工程型三相合金主要是通過微量添加表面活性元素來優(yōu)化晶界狀態(tài)，從而從材料內(nèi)部改善鎢合金的脆性問題。儘管添加量極少，但這些活性元素，如釔、鑭，在燒結(jié)過程中傾向於在晶界偏聚，並與雜質(zhì)反應(yīng)原位生成納米級的高熔點化合物顆粒，如氧化釔、氧化鑭，這些納米顆粒構(gòu)成了彌散分佈的第三相，同時起到了淨化晶界與釘紮晶界的雙重作用。
通過這樣的晶界淨化和強化，合金的性能得到多方面的改善。其低溫韌性有所提高，抗氧化能力得到增強，抗蠕變性能也有一定提升。
在實際應(yīng)用中，鎢的晶界工程型三相合金主要應(yīng)用於對高溫強度、抗氧化性和一定韌性有綜合要求的場合，例如高溫結(jié)構(gòu)部件、抗氧化塗層的基體材料，以及一些對低溫性能或長期穩(wěn)定性要求較高的精密儀器零件。
五、鎢的原位自生增強型三相合金
鎢的原位自生增強型三相合金，其主要特點是增強相不是從外部直接加入的，而是通過材料製備過程中合金內(nèi)部發(fā)生的化學反應(yīng)，在鎢基體中原位生成。這種方式與傳統(tǒng)直接添加增強顆粒的方法存在明顯區(qū)別。
這類合金中常見的第三相是在鎢基體中原位形成的碳化物或硼化物，例如碳化鈦、碳化鉿等。這些增強相通過化學反應(yīng)直接在基體內(nèi)部形核並長大，所以與鎢基體之間的介面比較潔淨，結(jié)合強度較高，也基本避免了外加增強相時容易出現(xiàn)的介面污染或相容性問題。同時，這種原位生成的方式使增強相的尺寸通常更細小，在基體中的分佈也更加均勻。
從性能上看，原位生成的增強相有助於材料達到較高的緻密度，同時帶來較好的高溫強度和抗燒蝕性能。這類合金目前主要考慮用於對高溫性能和抗熱衝擊要求較高的場合，例如火箭發(fā)動機噴管、航空航太發(fā)動機熱端部件，以及一些在高溫條件下工作的模具。
鎢的三相合金的分類對比
