稀土元素Ce對(duì)Mo-5%Re合金板性能的影響

楊秦莉，劉仁智，安 耿，莊 飛，王 娜，崔玉青

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

難熔金屬鉬具有高熔點(diǎn)、高硬度、低熱膨脹系數(shù)以及良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電和較好的高溫強(qiáng)度，使其在電子工業(yè)、宇航工業(yè)、能源工業(yè)等領(lǐng)域有著很廣泛的用途。但鉬為體心立方結(jié)構(gòu)金屬，其加工性能差，并具有常溫脆性、再結(jié)晶溫度低等缺點(diǎn)，因此限制了其應(yīng)用拓展[1]。通常加入一些元素，如La、Y、Ce、Si、Al、K、Re等來(lái)改善金屬鉬的脆性及加工性能。其中, 具有密排六方結(jié)構(gòu)的元素Re在過(guò)渡金屬中具有良好的溶解度，這些特性在鉬錸合金中顯示出了較大的優(yōu)勢(shì)。鉬中加入一定量的錸元素，可以大幅度地降低鉬合金的塑脆轉(zhuǎn)變溫度，使得鉬錸合金具有良好的常溫性能，同時(shí)又可提高鉬合金的再結(jié)晶溫度，提升鉬合金的高溫性能[2-3]。此外，鉬錸合金的焊接性能、抗輻射特性以及熱電特性等都表現(xiàn)優(yōu)異。目前，國(guó)內(nèi)外開發(fā)的鉬錸合金中Re含量基本都控制在2%～50%，主要研究表明Mo-(40%～50%)Re合金以及添加了稀土元素的鉬合金具有良好的綜合力學(xué)性能[3]。但因錸價(jià)格昂貴，從而限制了鉬錸合金的更廣泛推廣與應(yīng)用。近年來(lái)，低錸鉬合金的研究備受關(guān)注，并取得了一定的研究工作進(jìn)展。本文基于前期研究開展的稀土氧化物對(duì)鉬合金性能提升的工作基礎(chǔ)，針對(duì)鉬錸合金的板坯應(yīng)用目標(biāo)，深入分析稀土元素Ce對(duì)鉬錸合金板坯性能的影響，以期提升鉬錸合金的強(qiáng)韌性，探索Ce元素在鉬合金中的重要作用。

1 試驗(yàn)材料制備及分析方法

采用固-固摻雜工藝，加入純度為99.9%、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%的Re粉制備出Mo-Re合金粉末，再采用納米噴霧摻雜工藝，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的納米氧化物CeO2與Mo混合制備出MoO2-Ce合金粉，然后經(jīng)過(guò)氫氣還原、固-固摻雜工藝再得到Mo-Re-Ce合金粉，其中Re含量為5.0%，Ce含量為0.9%。最后，將純Mo粉、Mo-Re合金粉和Mo-Re-Ce合金粉分別壓制、中頻氫氣燒結(jié)后制備出35 mm厚的鉬合金板坯。 再經(jīng)軋制到1 mm厚、堿洗、退火、線切割得到拉伸試樣，試樣寬度為10 mm，標(biāo)距長(zhǎng)度為30 mm。采用掃描電鏡分析燒結(jié)斷口形貌，并用能譜儀分析斷口的微區(qū)化學(xué)成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同鉬合金板的燒結(jié)性能

純Mo、Mo-Re合金和Mo-Re-Ce合金3種鉬板經(jīng)中頻燒結(jié)后得到燒結(jié)坯，燒結(jié)坯的相對(duì)密度、硬度見表1，斷口形貌見圖1。

表1 不同鉬合金燒結(jié)板的物理指標(biāo)

圖1 燒結(jié)鉬及鉬合金板的斷口SEM

由表1可知：Mo-Re-Ce的相對(duì)密度最大，硬度也最高。而Mo-Re合金燒結(jié)板坯的硬度最低。結(jié)合圖1 分析發(fā)現(xiàn)：Mo-Re-Ce合金燒結(jié)板坯的晶粒比純Mo和Mo-Re合金燒結(jié)板坯的晶粒細(xì)小、燒結(jié)孔也較少，更致密，這也是Mo-Re-Ce合金燒結(jié)坯相對(duì)密度和硬度最高的原因。而Mo-Re合金板坯的硬度最低，可能低錸含量下的Mo-Re合金的微觀機(jī)制和合金強(qiáng)化機(jī)理與高錸的“錸效應(yīng)”不同所致[4]。

為了研究Mo-Re合金、Mo-Re-Ce合金中合金元素的存在形式及分布，對(duì)鉬合金的燒結(jié)坯斷口進(jìn)行了EDS面和線掃描分析，結(jié)果見圖2 。由圖2可知：Mo-Re合金中存在Mo、Re、O元素(圖2a)，未見明顯的顆粒(圖2c)，Re元素可能存在于晶粒內(nèi)部，細(xì)化了純鉬的晶粒；而 Mo-Re-Ce合金含有Mo、Re、Ce、O元素，斷口可見明顯的球形顆粒(見圖2d)，能譜分析為Mo、Ce、O元素，說(shuō)明球形顆粒為CeO2。這些大量細(xì)小的CeO2顆粒彌散分布在晶內(nèi)和晶界上，減緩了鉬合金燒結(jié)過(guò)程中的晶粒長(zhǎng)大速度，這對(duì)鉬合金來(lái)講有優(yōu)良的強(qiáng)韌化效果。

圖2 不同鉬合金能譜分析

2.2 鉬合金板力學(xué)性能分析

將純Mo板、Mo-Re合金板、Mo-Re-Ce合金板在850、900和950 ℃溫度下退火40 min，而后測(cè)試的力學(xué)性能見圖3。

從圖3可以看出:Mo-Re-Ce合金板的抗拉強(qiáng)度、延伸率分別都高于Mo-Re合金板和純鉬，Mo-Re合金板的抗拉強(qiáng)度次之，但延伸率最低。說(shuō)明Re對(duì)純鉬有強(qiáng)化作用，而Ce對(duì)鉬錸合金有顯著的強(qiáng)韌化作用。分析原因：Re元素固溶入鉬的晶格，溶質(zhì)原子和溶劑原子的半徑差造成晶格彈性畸變，與位錯(cuò)之間產(chǎn)生的彈性交互作用，這對(duì)滑移面上運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)有阻礙作用，這種對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用改善了材料的強(qiáng)度[5]；彌散分布的納米顆粒CeO2不僅細(xì)化了鉬合金的組織，同時(shí)強(qiáng)化了鉬合金的性能，產(chǎn)生了顯著的強(qiáng)韌化作用。這些效果歸功于CeO2顆粒與鉬基體的共格關(guān)系，使得CeO2彌散強(qiáng)韌化效果明顯[6]。

圖3 不同鉬合金板的力學(xué)性能

3 結(jié) 論

(1)添加低含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.0%)Re元素對(duì)純鉬也有明顯的細(xì)晶強(qiáng)化效果，研究表明Re可以細(xì)化純鉬板的晶粒，提高鉬板的強(qiáng)度。

(2)彌散分布的CeO2納米顆粒對(duì)Mo-Re合金的強(qiáng)韌化效果更明顯。研究表明彌散分布的納米CeO2顆粒不僅細(xì)化了Mo-Re合金的晶粒組織，而且對(duì)Mo-Re合金有顯著的強(qiáng)韌化作用。