本发明涉及高密度合金制备技术领域，特别涉及一种胞结构梯度钨合金材料的制备方法。
背景技术
强度和韧性的矛盾问题是制约钨合金材料的关键问题之一。通常采取的粉末超细化、改变韧性相组分、塑性加工等方法对于提高钨合金强韧化方面的效果有限。因此，发展一种新方法，用于提高钨合金的强韧性至关重要。
通过关键微结构设计、调控成形工艺，充分发挥钨组分强度与黏结组分韧性的双重优势，是解决钨合金强韧矛盾问题的关键手段。
技术实现要素：
本发明是针对常见手段难以解决钨合金强韧矛盾问题的研发领域现状，提供一种胞结构梯度钨合金材料的制备方法。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种胞结构梯度钨合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)按高钨与低钨两种配比称取钨粉、镍粉和锰粉，分别置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到高钨、低钨预合金粉；
2)将高钨预合金粉进行雾化干燥制粒，制得高钨基球形粉末，并将高钨基球形粉末与低钨基预合金粉末置于惰性气氛的慢速搅拌机中搅拌均匀，得到混合粉；
3)在混合粉中加入成形剂后装入冷压模具在冷等静压机中压制成型得到坯体；
4)将坯体送入双温区高温真空管式炉进行二步烧结，最终得到胞结构梯度钨合金材料。
步骤1)中，高钨中各成分配比的质量百分比为98.3～99.0％w、0.6～1.3％ni及0.4～0.9％mn；低钨中各成分配比的质量百分比为88.4～90.1％w、6.0～7.7％ni、3.9～5.6％mn。
步骤1)中，预合金化处理的球磨机转速520～710转/分，球料比为(3.6～5.2)：1，球磨时间25～40小时，球磨罐与磨球材料均为硬质合金。
步骤2)中，高钨基球形粉末与低钨基预合金粉末质量比(7.1～7.4)：1。
步骤2)中，雾化干燥制粒机的雾化器转速21000～23000转/分，进/出风口温度分别为190℃和60℃，干燥粉末粒径为60～90μm；慢速搅拌机转子转速20转/分，搅拌时间50分钟。
步骤3)中，成形剂为sbs，，加入量为混合粉质量的2％。
步骤3)中，冷压成型压力320～380mpa，保压3分钟。
步骤4)中，二步烧结温度分别为1350～1410℃和1450～1520℃，保温时间分别为0.5小时和3分钟，升/降温速率4℃/分，氩气保护。
与现有技术相比，本发明具有以下特点和优势：
本发明先预合金化处理得到高钨和低钨基预合金粉，将高钨粉末雾化制粒并与低钨粉混合均匀后，在冷等静压机中压制成型，最后在高温真空管式炉中二步烧结；其中高钨基预合金粉作为强度组分，低钨基预合金粉作为韧性组分，高钨组分制粒保证两种组分的纯净性，慢速搅拌混合可实现两种组分均匀分散。二步烧结技术一方面防止烧结变形，另一方面抑制晶粒长大，特别是第二步采取瞬时液相烧结工艺，进一步提高了合金性能。本发明制备的胞结构梯度钨合金的抗弯强度大于1762mpa，冲击韧性大于15.6j·cm2，性能良好，满足钨合金强韧化方面要求。
进一步，在制备胞结构梯度钨合金材料过程中，本发明为解决已有粉末超细化、改变韧性相组分、塑性加工等方法难以有效破解强韧矛盾问题，而是采用一种双组分、胞状结构优化方法，研究钨、镍和锰的质量比、雾化干燥制粒工艺参数、冷等静压成型、二步烧结工艺参数和钨合金强韧性的关系，即：对于胞结构梯度钨合金，保持较高强度和韧性性能的最佳钨、镍和锰的质量比、雾化干燥制粒工艺参数、冷等静压成型、二步烧结工艺参数。此方法具有成分控制精度高，工艺稳定性和重复性较强，可实现钨合金的强韧化。
具体实施方式
本发明一种胞结构梯度钨合金材料的制备方法，包括下述步骤：
(1)按高钨中各成分配比的质量百分比为98.3～99.0％w、0.6～1.3％ni及0.4～0.9％mn；低钨中各成分配比的质量百分比为88.4～90.1％w、6.0～7.7％ni、3.9～5.6％mn，称取钨粉、镍粉和锰粉，分别置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到两种预合金粉，球磨机转速520～710转/分，球料比(3.6～5.2)：1，球磨时间25～40小时，球磨罐与磨球材料均为硬质合金。
(2)将高钨预合金粉进行雾化干燥制粒，雾化干燥制粒机的雾化器转速21000～23000转/分，进/出风口温度分别为190℃和60℃，干燥粉末粒径为60～90μm；制得的高钨基球形粉末与低钨基预合金粉末按质量比(7.1～7.4)：1置于惰性气氛慢速搅拌机中搅拌均匀，慢速搅拌机转子转速20转/分，搅拌时间50分钟。
(3)在混合粉中加入质量分数2％的sbs成形剂，装入冷压模具在冷等静压机中压制成型，冷压成型压力320～380mpa，保压3分钟。
(4)将坯体送入双温区高温真空管式炉进行二步烧结，二步烧结温度分别为1350～1410℃和1450～1520℃，保温时间分别为0.5小时和3分钟，升/降温速率4℃/分，氩气保护，最终得到胞结构梯度钨合金材料。
以下实施例制备的胞结构梯度钨合金的强度和韧性如表1所示。
实施例1
(1)按高钨成分质量配比w：ni：mn＝98.3％：0.9％：0.8％；低钨成分质量配比w：ni：mn＝88.4％：7.6％：4.0％称取钨粉、镍粉和锰粉，分别置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到两种预合金粉，球磨机转速590转/分，球料比4.1：1，球磨时间25小时，球磨罐与磨球材料均为硬质合金。
(2)将高钨预合金粉进行雾化干燥制粒，雾化干燥制粒机的雾化器转速21000转/分，进/出风口温度分别为190℃和60℃，干燥粉末粒径为70μm；制得的高钨基球形粉末与低钨基预合金粉末按质量比7.2：1置于惰性气氛慢速搅拌机中搅拌均匀，慢速搅拌机转子转速20转/分，搅拌时间50分钟。
(3)在混合粉中加入质量分数2％的sbs成形剂，装入冷压模具在冷等静压机中压制成型，冷压成型压力320mpa，保压3分钟。
(4)将坯体送入双温区高温真空管式炉进行二步烧结，二步烧结温度分别为1350℃和1450℃，保温时间分别为0.5小时和3分钟，升/降温速率4℃/分，氩气保护，最终得到胞结构梯度钨合金材料。
实施例2
(1)按高钨成分质量配比w：ni：mn＝98.5％：1.0％：0.5％；低钨成分质量配比w：ni：mn＝88.6％：7.2％：4.2％称取钨粉、镍粉和锰粉，分别置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到两种预合金粉，球磨机转速610转/分，球料比3.6：1，球磨时间35小时，球磨罐与磨球材料均为硬质合金。
(2)将高钨预合金粉进行雾化干燥制粒，雾化干燥制粒机的雾化器转速23000转/分，进/出风口温度分别为190℃和60℃，干燥粉末粒径为72μm；制得的高钨基球形粉末与低钨基预合金粉末按质量比7.4：1置于惰性气氛慢速搅拌机中搅拌均匀，慢速搅拌机转子转速20转/分，搅拌时间50分钟。
(3)在混合粉中加入质量分数2％的sbs成形剂，装入冷压模具在冷等静压机中压制成型，冷压成型压力360mpa，保压3分钟。
(4)将坯体送入双温区高温真空管式炉进行二步烧结，二步烧结温度分别为1380℃和1480℃，保温时间分别为0.5小时和3分钟，升/降温速率4℃/分，氩气保护，最终得到胞结构梯度钨合金材料。
实施例3
(1)按高钨成分质量配比w：ni：mn＝98.8％：0.6％：0.6％；低钨成分质量配比w：ni：mn＝89.2％：6.2％：4.6％称取钨粉、镍粉和锰粉，分别置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到两种预合金粉，球磨机转速590转/分，球料比3.9：1，球磨时间31小时，球磨罐与磨球材料均为硬质合金。
(2)将高钨预合金粉进行雾化干燥制粒，雾化干燥制粒机的雾化器转速22000转/分，进/出风口温度分别为190℃和60℃，干燥粉末粒径为82μm；制得的高钨基球形粉末与低钨基预合金粉末按质量比7.0：1置于惰性气氛慢速搅拌机中搅拌均匀，慢速搅拌机转子转速20转/分，搅拌时间50分钟。
(3)在混合粉中加入质量分数2％的sbs成形剂，装入冷压模具在冷等静压机中压制成型，冷压成型压力370mpa，保压3分钟。
(4)将坯体送入双温区高温真空管式炉进行二步烧结，二步烧结温度分别为1360℃和1460℃，保温时间分别为0.5小时和3分钟，升/降温速率4℃/分，氩气保护，最终得到胞结构梯度钨合金材料。
实施例4
(1)按高钨成分质量配比w：ni：mn＝98.9％：0.6％：0.5％；低钨成分质量配比w：ni：mn＝88.4：7.2：4.4称取钨粉、镍粉和锰粉，分别置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到两种预合金粉，球磨机转速710转/分，球料比5.2：1，球磨时间27小时，球磨罐与磨球材料均为硬质合金。
(2)将高钨预合金粉进行雾化干燥制粒，雾化干燥制粒机的雾化器转速21000转/分，进/出风口温度分别为190℃和60℃，干燥粉末粒径为60～90μm；制得的高钨基球形粉末与低钨基预合金粉末按质量比7.2：1置于惰性气氛慢速搅拌机中搅拌均匀，慢速搅拌机转子转速20转/分，搅拌时间50分钟。
(3)在混合粉中加入质量分数2％的sbs成形剂，装入冷压模具在冷等静压机中压制成型，冷压成型压力340mpa，保压3分钟。
(4)将坯体送入双温区高温真空管式炉进行二步烧结，二步烧结温度分别为1380℃和1490℃，保温时间分别为0.5小时和3分钟，升/降温速率4℃/分，氩气保护，最终得到胞结构梯度钨合金材料。
实施例1～4制备胞结构梯度钨合金材料的性能参数见表1所示：
表1
从上表可以得出，本发明制备的胞结构梯度钨合金的抗弯强度大于1762mpa，冲击韧性大于15.6j·cm2。
实施例5
(1)按高钨成分质量配比w：ni：mn＝98.4％：0.7％：0.9％；低钨成分质量配比w：ni：mn＝88.5：7.3：4.2称取钨粉、镍粉和锰粉，分别置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到两种预合金粉，球磨机转速620转/分，球料比3.6：1，球磨时间39小时，球磨罐与磨球材料均为硬质合金。
(2)将高钨预合金粉进行雾化干燥制粒，雾化干燥制粒机的雾化器转速23000转/分，进/出风口温度分别为190℃和60℃，干燥粉末粒径为80μm；制得的高钨基球形粉末与低钨基预合金粉末按质量比7.3：1置于惰性气氛慢速搅拌机中搅拌均匀，慢速搅拌机转子转速20转/分，搅拌时间50分钟。
(3)在混合粉中加入质量分数2％的sbs成形剂，装入冷压模具在冷等静压机中压制成型，冷压成型压力370mpa，保压3分钟。
(4)将坯体送入双温区高温真空管式炉进行二步烧结，二步烧结温度分别为1390℃和1520℃，保温时间分别为0.5小时和3分钟，升/降温速率4℃/分，氩气保护，最终得到胞结构梯度钨合金材料。
实施例6
(1)按高钨成分质量配比w：ni：mn＝98.5％：0.8％：0.7％；低钨成分质量配比w：ni：mn＝88.6：7.5：3.9称取钨粉、镍粉和锰粉，分别置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到两种预合金粉，球磨机转速710转/分，球料比5.2：1，球磨时间27小时，球磨罐与磨球材料均为硬质合金。
(2)将高钨预合金粉进行雾化干燥制粒，雾化干燥制粒机的雾化器转速21000转/分，进/出风口温度分别为190℃和60℃，干燥粉末粒径为65μm；制得的高钨基球形粉末与低钨基预合金粉末按质量比7.4：1置于惰性气氛慢速搅拌机中搅拌均匀，慢速搅拌机转子转速20转/分，搅拌时间50分钟。
(3)在混合粉中加入质量分数2％的sbs成形剂，装入冷压模具在冷等静压机中压制成型，冷压成型压力340mpa，保压3分钟。
(4)将坯体送入双温区高温真空管式炉进行二步烧结，二步烧结温度分别为1410℃和1520℃，保温时间分别为0.5小时和3分钟，升/降温速率4℃/分，氩气保护，最终得到胞结构梯度钨合金材料。
实施例7
(1)按高钨成分质量配比w：ni：mn＝99.0％：0.6％：0.4％；低钨成分质量配比w：ni：mn＝90.1％：6.0％：3.9％称取钨粉、镍粉和锰粉，分别置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到两种预合金粉，球磨机转速640转/分，球料比4.5：1，球磨时间35小时，球磨罐与磨球材料均为硬质合金。
(2)将高钨预合金粉进行雾化干燥制粒，雾化干燥制粒机的雾化器转速21000转/分，进/出风口温度分别为190℃和60℃，干燥粉末粒径为80μm；制得的高钨基球形粉末与低钨基预合金粉末按质量比7.2：1置于惰性气氛慢速搅拌机中搅拌均匀，慢速搅拌机转子转速20转/分，搅拌时间50分钟。
(3)在混合粉中加入质量分数2％的sbs成形剂，装入冷压模具在冷等静压机中压制成型，冷压成型压力330mpa，保压3分钟。
(4)将坯体送入双温区高温真空管式炉进行二步烧结，二步烧结温度分别为1350℃和1460℃，保温时间分别为0.5小时和3分钟，升/降温速率4℃/分，氩气保护，最终得到胞结构梯度钨合金材料。
实施例8
(1)按高钨成分质量配比w：ni：mn＝98.6％：0.7％：0.7％；低钨成分质量配比w：ni：mn＝88.7％：6.3％：5.0％称取钨粉、镍粉和锰粉，分别置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到两种预合金粉，球磨机转速640转/分，球料比5.1：1，球磨时间29小时，球磨罐与磨球材料均为硬质合金。
(2)将高钨预合金粉进行雾化干燥制粒，雾化干燥制粒机的雾化器转速21000转/分，进/出风口温度分别为190℃和60℃，干燥粉末粒径为69μm；制得的高钨基球形粉末与低钨基预合金粉末按质量比7.4：1置于惰性气氛慢速搅拌机中搅拌均匀，慢速搅拌机转子转速20转/分，搅拌时间50分钟。
(3)在混合粉中加入质量分数2％的sbs成形剂，装入冷压模具在冷等静压机中压制成型，冷压成型压力330mpa，保压3分钟。
(4)将坯体送入双温区高温真空管式炉进行二步烧结，二步烧结温度分别为1370℃和1480℃，保温时间分别为0.5小时和3分钟，升/降温速率4℃/分，氩气保护，最终得到胞结构梯度钨合金材料。
实施例9
(1)按高钨成分质量配比w：ni：mn＝98.3％：1.3％：0.4％；低钨成分质量配比w：ni：mn＝88.4％：7.7％：3.9％称取钨粉、镍粉和锰粉，分别置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到两种预合金粉，球磨机转速710转/分，球料比5.2：1，球磨时间40小时，球磨罐与磨球材料均为硬质合金。
(2)将高钨预合金粉进行雾化干燥制粒，雾化干燥制粒机的雾化器转速23000转/分，进/出风口温度分别为190℃和60℃，干燥粉末粒径为90μm；制得的高钨基球形粉末与低钨基预合金粉末按质量比7.2：1置于惰性气氛慢速搅拌机中搅拌均匀，慢速搅拌机转子转速20转/分，搅拌时间50分钟。
(3)在混合粉中加入质量分数2％的sbs成形剂，装入冷压模具在冷等静压机中压制成型，冷压成型压力380mpa，保压3分钟。
(4)将坯体送入双温区高温真空管式炉进行二步烧结，二步烧结温度分别为1410℃和1520℃，保温时间分别为0.5小时和3分钟，升/降温速率4℃/分，氩气保护，最终得到胞结构梯度钨合金材料。
实施例10
(1)按高钨成分质量配比w：ni：mn＝98.4％：0.6％：0.8％；低钨成分质量配比w：ni：mn＝89.0％：6.0％：5.0％称取钨粉、镍粉和锰粉，分别置于高能球磨机中，进行预合金化处理得到两种预合金粉，球磨机转速640转/分，球料比.6：1，球磨时间25小时，球磨罐与磨球材料均为硬质合金。
(2)将高钨预合金粉进行雾化干燥制粒，雾化干燥制粒机的雾化器转速22000转/分，进/出风口温度分别为190℃和60℃，干燥粉末粒径为80μm；制得的高钨基球形粉末与低钨基预合金粉末按质量比7.2：1置于惰性气氛慢速搅拌机中搅拌均匀，慢速搅拌机转子转速20转/分，搅拌时间50分钟。
(3)在混合粉中加入质量分数2％的sbs成形剂，装入冷压模具在冷等静压机中压制成型，冷压成型压力360mpa，保压3分钟。
(4)将坯体送入双温区高温真空管式炉进行二步烧结，二步烧结温度分别为1380℃和1510℃，保温时间分别为0.5小时和3分钟，升/降温速率4℃/分，氩气保护，最终得到胞结构梯度钨合金材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。