稀土元素Ce對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

(金堆城鉬業股份有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

難熔金屬鉬具有高熔點、高硬度、低熱膨脹系數以及良好的導熱、導電和較好的高溫強度，使其在電子工業、宇航工業、能源工業等領域有著很廣泛的用途。但鉬為體心立方結構金屬，其加工性能差，并具有常溫脆性、再結晶溫度低等缺點，因此限制了其應用拓展[1]。通常加入一些元素，如La、Y、Ce、Si、Al、K、Re等來改善金屬鉬的脆性及加工性能。其中, 具有密排六方結構的元素Re在過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勢。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變溫度，使得鉬錸合金具有良好的常溫性能，同時又可提高鉬合金的再結晶溫度，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優異。目前，國內外開發的鉬錸合金中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性能[3]。但因錸價格昂貴，從而限制了鉬錸合金的更廣泛推廣與應用。近年來，低錸鉬合金的研究備受關注，并取得了一定的研究工作進展。本文基于前期研究開展的稀土氧化物對鉬合金性能提升的工作基礎，針對鉬錸合金的板坯應用目標，深入分析稀土元素Ce對鉬錸合金板坯性能的影響，以期提升鉬錸合金的強韌性，探索Ce元素在鉬合金中的重要作用。

1 試驗材料制備及分析方法

采用固-固摻雜工藝，加入純度為99.9%、質量分數為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，將質量分數為0.9%的納米氧化物CeO2與Mo混合制備出MoO2-Ce合金粉，然后經過氫氣還原、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、中頻氫氣燒結后制備出35 mm厚的鉬合金板坯。 再經軋制到1 mm厚、堿洗、退火、線切割得到拉伸試樣，試樣寬度為10 mm，標距長度為30 mm。采用掃描電鏡分析燒結斷口形貌，并用能譜儀分析斷口的微區化學成分。

2 結果與討論

2.1 不同鉬合金板的燒結性能

純Mo、Mo-Re合金和Mo-Re-Ce合金3種鉬板經中頻燒結后得到燒結坯，燒結坯的相對密度、硬度見表1，斷口形貌見圖1。

表1 不同鉬合金燒結板的物理指標

圖1 燒結鉬及鉬合金板的斷口SEM

由表1可知：Mo-Re-Ce的相對密度最大，硬度也最高。而Mo-Re合金燒結板坯的硬度最低。結合圖1 分析發現：Mo-Re-Ce合金燒結板坯的晶粒比純Mo和Mo-Re合金燒結板坯的晶粒細小、燒結孔也較少，更致密，這也是Mo-Re-Ce合金燒結坯相對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合金的微觀機制和合金強化機理與高錸的“錸效應”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，對鉬合金的燒結坯斷口進行了EDS面和線掃描分析，結果見圖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部，細化了純鉬的晶粒；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，說明球形顆粒為CeO2。這些大量細小的CeO2顆粒彌散分布在晶內和晶界上，減緩了鉬合金燒結過程中的晶粒長大速度，這對鉬合金來講有優良的強韌化效果。

圖2 不同鉬合金能譜分析

2.2 鉬合金板力學性能分析

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，而后測試的力學性能見圖3。

從圖3可以看出:Mo-Re-Ce合金板的抗拉強度、延伸率分別都高于Mo-Re合金板和純鉬，Mo-Re合金板的抗拉強度次之，但延伸率最低。說明Re對純鉬有強化作用，而Ce對鉬錸合金有顯著的強韌化作用。分析原因：Re元素固溶入鉬的晶格，溶質原子和溶劑原子的半徑差造成晶格彈性畸變，與位錯之間產生的彈性交互作用，這對滑移面上運動的位錯有阻礙作用，這種對位錯的釘扎作用改善了材料的強度[5]；彌散分布的納米顆粒CeO2不僅細化了鉬合金的組織，同時強化了鉬合金的性能，產生了顯著的強韌化作用。這些效果歸功于CeO2顆粒與鉬基體的共格關系，使得CeO2彌散強韌化效果明顯[6]。

圖3 不同鉬合金板的力學性能

3 結 論

(1)添加低含量(質量分數5.0%)Re元素對純鉬也有明顯的細晶強化效果，研究表明Re可以細化純鉬板的晶粒，提高鉬板的強度。

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