鎢基複合材料包含多個(gè)代表體系。鎢鎳鐵體系作為高密度重合金，具有高強(qiáng)度和輻射遮罩能力。鎢銅鉻體系屬於電接觸材料，兼具導(dǎo)電與耐電弧燒蝕性。鎢-錸-碳化鉿體系適用於超高溫環(huán)境，通過固溶與彌散實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。碳化鎢-碳化鈦-碳化鉭-鈷體系是一種切削工具用合金，具備高硬度與耐磨性。鎢-鉬-碳化鋯體系面向核聚變應(yīng)用，表現(xiàn)出抗輻照的能力。鎢-氧化釔-氧化鑭體系通過氧化物彌散強(qiáng)化，提升高溫穩(wěn)定性和抗輻照性能。鎢-碳化釩-氧化鑭體系利用自我調(diào)整磨損機(jī)制，在礦用工具中保持長效切削能力。
1.鎢基複合材料的鎢鎳鐵代表體系
鎢鎳鐵合金是鎢基複合材料裡最具代表性的一個(gè)體系，通常被稱為高密度重合金。這種材料主要通過液相燒結(jié)工藝製備，鎢的品質(zhì)分?jǐn)?shù)一般在90%~98%之間，鎳和鐵的比例常採用7：3。由於鎢含量較高，該合金具有顯著的密度優(yōu)勢和良好的強(qiáng)度表現(xiàn)，同時(shí)具備優(yōu)異的輻射遮罩能力。
從微觀組織來看，鎢鎳鐵合金的結(jié)構(gòu)主要是球狀的鎢晶粒鑲嵌在面心立方結(jié)構(gòu)的γ-(Ni,Fe)粘結(jié)相中，鎢晶粒的尺寸通常在20~50μm。近年來的一些研究表明，採用微波燒結(jié)或冷凍乾燥法製備超細(xì)粉末，可以把晶粒做得更細(xì)，從而改善材料的綜合性能。不過，燒結(jié)過程中如果工藝控制不當(dāng)，容易析出Fe?W?這樣的脆性μ相，這會(huì)顯著降低合金的韌性，所以在製備時(shí)需儘量避免該相的形成。
性能優(yōu)化主要圍繞晶粒細(xì)化和微合金化展開。比如在合金中摻入少量鉬，或者採用冷凍乾燥前驅(qū)體粉末製備出納米級的鎢晶粒，都能使強(qiáng)度和硬度得到提升。此外，熱等靜壓處理也是一種常用的手段，通過在100~200MPa的等向壓力下對燒結(jié)後的材料進(jìn)行緻密化處理，可以有效消除內(nèi)部殘留的孔隙，提高組織均勻性及材料的抗疲勞性能。
2.鎢基複合材料的鎢銅鉻代表體系
鎢基複合材料中的鎢銅鉻體系是一類較為典型的電接觸複合材料，本質(zhì)上屬於假合金。它利用了鎢高熔點(diǎn)、高耐電弧燒蝕的特性，同時(shí)引入銅以提升材料的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力，從而實(shí)現(xiàn)功能上的互補(bǔ)。
製備方面通常採用熔滲法或放電等離子燒結(jié)技術(shù)來完成緻密化。從結(jié)構(gòu)上看，儘管常被稱為三相合金，其組織實(shí)際上主要由體心立方結(jié)構(gòu)的鎢骨架、面心立方結(jié)構(gòu)的銅網(wǎng)路以及彌散分佈的富鉻相，或納米級鉻析出相構(gòu)成。鉻在銅中的固溶度有限，主要以細(xì)小的富鉻顆粒形式分佈於銅相或相介面處，既起到固溶強(qiáng)化的作用，又具備彌散強(qiáng)化效果，從而構(gòu)成具有實(shí)際意義的三相體系。
該材料的最終性能在很大程度上取決於鎢骨架的連續(xù)性與緻密化程度。在導(dǎo)電性方面，其導(dǎo)電率通?？杀３衷?0%IACS以上，同時(shí)兼具良好的耐電弧燒蝕能力，所以適用於對通斷性能和抗燒蝕要求較高的場合，如高壓SF?斷路器觸頭、電阻焊電極等電接觸部件。
3.鎢基複合材料的鎢-錸-碳化鉿代表體系
鎢錸碳化鉿體系主要面向超高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。其強(qiáng)化機(jī)制主要基於兩方面考慮，一是通過錸在鎢基體中的高固溶度實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化，二是借助碳化鉿顆粒的彌散分佈進(jìn)行第二相強(qiáng)化。
從性能表現(xiàn)來看，錸在鎢中具有較高的固溶度，加入後能夠在一定程度上改善材料的韌性，同時(shí)使再結(jié)晶溫度提升至1800℃以上。隨著錸含量的增加，再結(jié)晶溫度還會(huì)繼續(xù)上升，這對材料在高溫下的組織穩(wěn)定性較為有利。碳化鉿的熔點(diǎn)接近3900℃，以細(xì)小的顆粒形式分佈於基體當(dāng)中，能夠起到釘紮晶界、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，從而提升合金的高溫強(qiáng)度和抗蠕變能力。
在製備工藝方面，該材料通常採用粉末冶金結(jié)合熱等靜壓的工藝路線，在超過2000℃的高溫條件下完成緻密化。值得注意的是，製備過程中對碳含量的控制要求較為嚴(yán)格，若控制不當(dāng)容易生成脆性的(W,Re)?C相，進(jìn)而對材料的綜合力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。
4.鎢基複合材料的碳化鎢-碳化鈦-碳化鉭-鈷代表體系
碳化鎢-碳化鈦-碳化鉭-鈷合金是硬質(zhì)合金刀具中具有代表性的一個(gè)材料體系，該合金中包含三種主要組成相，各自承擔(dān)不同的功能。碳化鎢作為主要硬質(zhì)相，以其六方晶體結(jié)構(gòu)保證材料的硬度和耐磨性，碳化鈦-碳化鉭-碳化鎢形成的立方固溶體相在燒結(jié)過程中對碳化鎢晶粒的長大起到抑制作用，同時(shí)能夠改善刀具抵抗月牙窪磨損的能力，鈷相在高溫?zé)Y(jié)時(shí)變?yōu)橐合?，凝固後起到粘結(jié)作用，為合金整體提供韌性。
該合金的性能調(diào)整主要通過控制碳化鎢的晶粒尺寸、調(diào)整鈷的含量以及碳化鈦與碳化鉭的比例來實(shí)現(xiàn)。此外，在生產(chǎn)中有時(shí)會(huì)引入少量碳化釩等添加劑，用以進(jìn)一步細(xì)化晶粒，從而在保持韌性的前提下獲得更高的硬度。
5.鎢基複合材料的鎢-鉬-碳化鋯代表體系
鎢基複合材料中，鎢-鉬-碳化鋯體系是核聚變面向材料的一個(gè)重要候選，主要針對聚變堆偏濾器和第一壁的應(yīng)用。
該合金以鎢鉬固溶體作為基體。鉬的加入有助於形成固溶強(qiáng)化效應(yīng)，可在一定程度上提高基體的強(qiáng)度，同時(shí)能夠降低材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，對改善鎢在低溫條件下的本征脆性具有積極作用。彌散分佈的納米級碳化鋯顆粒有助於提升材料的強(qiáng)度、熱導(dǎo)率以及抗輻照損傷能力。
製備方面，這類材料通常採用放電等離子燒結(jié)工藝，在1700~1800℃溫度範(fàn)圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速緻密化。製備過程中的碳含量控制較為關(guān)鍵，若控制不當(dāng)容易在晶界處形成連續(xù)的鎢鉬碳化物脆性相，從而對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。
6.鎢基複合材料的鎢-氧化釔-氧化鑭代表體系
在鎢基複合材料體系中，鎢-氧化釔-氧化鑭是一類典型的氧化物彌散強(qiáng)化鎢合金。其強(qiáng)化效果主要來源於均勻分佈在鎢基體中的納米級氧化釔和氧化鑭顆粒。這些氧化物顆粒在基體中起到釘紮位錯(cuò)和晶界的作用，從而有效提升材料的高溫力學(xué)性能，尤其是高溫強(qiáng)度與抗蠕變能力，納米氧化物顆粒還能作為輻照缺陷的捕獲中心，有效抑制輻照引發(fā)的腫脹，提高合金在輻射環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在以往的研究中，氧化釷曾廣泛用作彌散相，但因具有天然放射性，在現(xiàn)代材料尤其是核相關(guān)應(yīng)用中已基本被淘汰。相比之下，氧化釔和氧化鑭因具有良好的熱穩(wěn)定性和環(huán)境安全性，已成為當(dāng)前增強(qiáng)相研究的主要方向。
7.鎢基複合材料的鎢-碳化釩-氧化鑭代表體系
鎢-碳化釩-氧化鑭體系是鎢基複合材料中針對極端磨損工況設(shè)計(jì)的一類代表性材料，其性能提升主要依賴多相之間的協(xié)同作用。其中，碳化釩作為高硬度相，主要承擔(dān)耐磨功能，並起到抑制材料黏著的作用，彌散分佈的氧化鑭相能夠淨(jìng)化介面，增強(qiáng)塗層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)細(xì)化晶粒組織，鎢或碳化鎢基體則為材料提供必要的支撐。
該體系具備自我調(diào)整耐磨特性，這是其在礦用工具等場景下具備優(yōu)勢的重要原因。當(dāng)材料受到摩擦作用時(shí)，相對較軟的金屬粘結(jié)相或鎢基體會(huì)優(yōu)先發(fā)生選擇性磨損，使硬度較高的碳化釩顆粒逐漸凸出於磨損表面，這種微觀結(jié)構(gòu)的變化能夠使材料在使用過程中持續(xù)保持有效的切削刃，從而增強(qiáng)其在礦用工具等嚴(yán)苛工況下的適應(yīng)能力和使用壽命。
鎢基複合材料代表體系
