一种高纯净球形钨合金粉末及其制备方法与流程

本发明涉及一种高纯净球形钨合金粉末及其制备方法，属于粉末冶金与高密度合金制备。

背景技术：

1、高密度钨基合金（heavy tungsten alloys, hwas）因其高密度（16.5~18.5g/cm3）、良好延展性和优异射线吸收能力，广泛应用于航空航天和核工业等领域。传统w-ni-fe合金多采用粉末冶金液相烧结工艺制备，其中喷雾造粒作为前驱体预处理的关键环节，依赖粘结剂实现钨粉与镍铁粉的混合成型。而现有普遍采用的聚乙烯醇、石蜡、聚乙二醇等有机粘结剂体系，在400~600℃脱脂阶段难以彻底氧化分解，残留的150~300ppm碳质易在晶界形成脆性碳化物或连续碳膜，成为高端钨合金韧性与动态断裂性能劣化的根源。且由于钨与镍铁组元间巨大的密度差，虽然有粘结剂的存在，但是在湿法混合与干燥过程中镍铁细粉也会因浮力效应上浮或分布不均，诱发宏观与微观成分波动，烧结后常出现镍铁富集区或钨晶粒异常长大。此外，单质镍粉与铁粉的物理混合会引发kirkendall效应，因二者在钨中的互扩散速率差异，在烧结界面产生大量孔洞，显著降低材料致密度，且有机粘结剂干燥后形成的脆性壳层，在搬运、筛分或热处理过程中易开裂脱落，加之喷雾造粒团聚体快速干燥时内部气体膨胀，进一步导致空心球缺陷，恶化粉末的松装密度与流动性。即便引入等离子体球化技术以实现粉末致密化与球形化，钨与镍铁之间高达近2000℃的熔点差及显著的蒸气压差，仍会造成镍铁组元在高温焰流中过热蒸发，导致成分偏离，同时内部残余孔隙在毫秒级高温下急剧膨胀，引发空心球或表面橘皮缺陷。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有高密度钨合金粉末制备中因有机粘结剂碳残留、w与ni-fe密度差及单质粉互扩散引发的成分偏析与柯肯达尔孔洞、以及等离子体球化过程中ni-fe选择性挥发与空心缺陷交织共存，导致无法兼得高纯净度、成分均匀性与完全致密球形度的技术难题，提供一种高纯净球形钨基合金粉末及其制备方法。

2、本发明的技术方案：

3、本发明的目的之一是提供一种钨合金粉末的制备方法，该方法包括以下步骤：

4、步骤1，将粒径小于5μm的ni-fe粉末分散在含聚乙二醇的偏钨酸铵水溶液中，超声处理，得到悬浮液浆料，然后加入粒径为20~50μm的钨粉，低速滚动混合，使ni-fe粉末包覆在钨粉表面，喷雾干燥，得到前驱体粉末；

5、步骤2，在氢气的氛围下，将前驱体粉末进行阶梯热解处理，得到复合粉末；

6、步骤3，在保护气氛下，利用等离子体技术将复合粉末进行球化处理，冷却收集，得到钨合金粉末。

7、进一步限定，步骤1中含聚乙二醇的偏钨酸铵水溶液中偏钨酸铵质量浓度为5~15%，聚乙二醇的质量占偏钨酸铵质量的0.1~0.3%。

8、进一步限定，步骤1中ni-fe粉末中ni与fe的质量比为（3~7）:（1~3）。

9、进一步限定，步骤1中钨粉、ni-fe粉末与含聚乙二醇的偏钨酸铵水溶液的质量比为90~97：1~4：100。

10、进一步限定，步骤1中低速滚动混合的转速为20~40rpm，时间为1~3h。

11、进一步限定，步骤1中喷雾干燥的进风温度200~250℃，出风温度80~120℃。

12、进一步限定，步骤2中阶梯热解处理过程为：在氢气流量为200~500ml/min条件下，首先以0.5~2℃/min升温至200~400℃，保温1~3h，然后以1~3℃/min升温至600~800℃，保温2~4h。

13、进一步限定，步骤3中球化处理过程为：在氩气和氢气混合气氛下，设置等离子体功率为30~80kw，送粉速率为10~80g/min。

14、本发明的目的之二是提供一种上述方法制备得到的钨合金粉末，该钨合金粉末球形度≥0.92，碳含量<30ppm，氧含量<300ppm。

15、本发明的目的之三是提供一种上述钨合金粉末的应用，具体的用于制备高密度配重件。

16、有益效果：

17、本发明以偏钨酸铵水溶液为粘结剂，利用其高溶解度与低表面张力，将粒径低于5μm的ni-fe预合金粉作为粘结相细粉均匀包覆在粒径相对较大的钨粉表面，进一步的通过干燥处理使偏钨酸铵结晶凝胶化，形成近球形的复合粉末前驱体，并在氢气气氛下进行热解与还原，使偏钨酸铵原位转化为纳米钨相填补孔隙并与ni-fe预合金粉形成初步冶金结合，最后将复合粉末进行等离子体球化处理，利用高温等离子体焰流使粉末表面熔融重凝，获得完全致密、高球形的高纯净钨基合金粉末。与现有技术相比至少存在以下优点：

18、（1）本发明采用偏钨酸铵作为粘结剂配合微量pva在氢气保护下热解后将碳残留降至30ppm以下，避免了残留碳质在晶界处形成脆性碳化物（w2c、wc）或连续碳膜，导致烧结体韧性和断裂性能的严重劣化。

19、（2）本发明采用的偏钨酸铵水溶液的高溶解度和低表面张力使密度仅8.9g/cm3的ni-fe预合金粉能稳定悬浮并均匀铺展在19.3g/cm3的钨颗粒表面，克服了传统浆料中细粉上浮沉降的难题，且在后续的干燥过程中ni-fe预合金粉随着偏钨酸铵凝胶化收缩而紧密贴合在钨核相上，形成连续的包覆层，继而在后续等离子球化时，预合金粉熔融形成连续壳层，避免单质ni粉和fe粉因熔点差异产生的挥发导致的成分偏离。

20、（3）本方明采用的偏钨酸铵不仅仅实现粘结剂的租用，其分解得到的钨相会填充预合金粉间隙，使包覆层从颗粒堆积转变为连续相，大幅提升了界面结合强度的同时，还避免了空心缺陷的产生。且钨相的桥接作用使复合粉末送入等离子体焰流后仅需表层熔融即可实现完全致密化，钨核仍保持固态，大幅降低ni-fe挥发和钨晶粒粗化风险。

1.一种钨合金粉末的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中含聚乙二醇的偏钨酸铵水溶液中偏钨酸铵质量浓度为5~15%，聚乙二醇的质量占偏钨酸铵质量的0.1~0.3%。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中ni-fe粉末中ni与fe的质量比为（3~7）:（1~3）。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中钨粉、ni-fe粉末与含聚乙二醇的偏钨酸铵水溶液的质量比为90~97：1~4：100。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中低速滚动混合的转速为20~40rpm，时间为1~3h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中喷雾干燥的进风温度200~250℃，出风温度80~120℃。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中阶梯热解处理过程为：在氢气流量为200~500ml/min条件下，首先以0.5~2℃/min升温至200~400℃，保温1~3h，然后以1~3℃/min升温至600~800℃，保温2~4h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中球化处理过程为：在氩气和氢气混合气氛下，设置等离子体功率为30~80kw，送粉速率为10~80g/min。

9.一种权利要求1~8任一项所述的方法制备得到的钨合金粉末，其特征在于，球形度≥0.92，碳含量<30ppm，氧含量<300ppm。

10.一种权利要求9所述的钨合金粉末的应用，其特征在于，用于制备高密度配重件。