Mo-(Re、Y、Zr)合金的制備工藝和性能研究

朱 琦，卜春陽，席 莎，王 娜，武 洲，黨曉明

(金堆城鉬業股份有限公司技術中心，陜西 西安 710077)

0 引 言

隨著人口老齡化進程加快和醫療產業升級，我國醫療產業擁有新的投資機會，關鍵在核心零部件環節的重點布局。相比于汽車零部件細分領域，醫療零部件的發展還較為緩慢。在醫療儀器領域深耕多年的專家認為，盡管中國高端醫療器械相關行業已進入高速發展期，但關鍵基礎材料、核心基礎零部件仍是高端醫療器械進一步發展的關鍵點。

目前，醫療器械核心零部件轉子部分的使用溫度在1 600 ℃以上，轉速在10 800 r/min，國際上使用的材料為耐高溫鉬材質。該產品的材料和工藝都是國外全部把控，產品是整體成套100%從西門子進口。國產化面臨的難題就是材料的基礎性能差，比如掉渣、耐磨性能差、加工態保持不好及在高溫真空環境中使用不好等[1]。

本文就是針對目前大型醫療設備用核心零部件轉子(鉬材質)全部進口的問題，結合客戶需求，對3種鉬合金的制備工藝和性能進行了系統的研究，為解決國內鉬原材料基礎性能差，作為結構材料在使用過程中會出現掉渣、抱死、高溫尺寸穩定性差等問題，提供了試驗基礎，有利于擴大鉬的應用范圍[2]。

1 試驗過程

鉬粉是生產鉬合金制品的原料，其物化性能和組織結構在很大程度上決定了鉬合金制品的特性及質量。選用純度較高、粒度分布窄、分散性好、顆粒大小均勻、無團聚及少團聚鉬粉對于鉬合金制品質量的控制至關重要。試驗選用純度較高的鉬粉為原料，化學成分見表1，形貌見圖1，費氏粒度3.2～3.8 μm，松裝比重1.05～1.25 g/cm3。

表1 原料鉬粉的化學指標 /%(質量分數)

圖1 鉬粉形貌(×3000)

根據實踐經驗，選定3種合金成分分別為：Mo-0.55%ZrO2、Mo-0.3%Y2O3、Mo-3%Re。混料規范：先用河南三維重工有限公司生產的C015型大三維混料機混合5 kg鉬粉與輔料4 h，然后分批過篩，最后用無錫市鑫邊粉體機械有限公司生產的V-100型雙錐混料機合批24 h。

取出檢測：取兩點檢測，檢測結果見表2。從表2可以看出，Zr含量理論值應在0.41%，Y含量理論值應在0.24%，Re含量理論值應在3%，檢測結果偏差均在20%以內，混料相對均勻。

表2 合金成分檢測結果 /%(質量分數)

燒結工藝：3 h升到1 200 ℃，保溫2 h，2 h升到1 500 ℃，保溫2 h，2 h升到1 700 ℃，保溫2 h，3 h升到1 940 ℃，保溫5 h，隨爐冷卻。

2 結果與討論

2.1 鉬合金的燒結組織與分析

粉末冶金制品經壓制后燒結，會發生回復、再結晶長大等組織變化。再結晶與燒結的主要階段即致密化過程同時發生，這時原子重新排列、改組，形成新晶核并長大，或者借助晶界移動使晶粒合并，總之是以新的晶粒代替舊的，并常伴隨晶粒長大的現象[3]。

實際上，晶粒長大常常受到阻礙，這些阻礙主要是加入的第二相。當原始晶界移動碰到第二相質點時，晶界首先彎曲，晶界線拉長，第二相對晶界有較強的釘扎左右，只有彎曲度大的晶界才能越過第二相移動。因此，在第二相粒子存在的情況下，再結晶過程受到了很大的影響[4]。首先，再結晶核心的形成與位錯的運動密切相關，但位錯的運動又受到了第二相粒子強烈的阻礙作用，所以再結晶核心的形成就會被推遲，再結晶的開始溫度就要被提高；其次，在再結晶晶粒長大的階段，第二相粒子又起到了阻礙其長大的作用， 第二相的體積百分數量愈大，對再結晶和晶粒長大的阻力就愈強，最后得到的晶粒就愈細[5]。

圖2是純鉬與3種鉬合金經過中頻燒結后的斷口形貌顯微組織。可以看出，第二相的加入，明顯地細化了晶粒。分析研究認為，在燒結過程中鉬晶粒原始晶界形核和長大時移動并碰到第二相質點，晶界以繞過或者包圍第二相質點方式繼續移動，所以第二相質點的存在起到了阻礙晶界移動達到細化晶粒的效果。

圖2 3種合金與純鉬的斷口形貌

從圖2(a)中可以看出，在鉬粉中加入ZrO2可以細化晶粒組織，但是Mo-ZrO2合金鉬棒的燒結密度偏低，這主要是因為ZrO2在1 000 ℃以上將由斜方晶體轉變為四方晶體，斜方晶體的密度為5.89 g/cm3，四方晶體的密度為6.10 g/cm3，斜方晶體在常溫下穩定存在。在高溫燒結的降溫過程當中，ZrO2由密度大的四方晶體轉變為密度小的斜方晶體，體積將會發生膨脹，致使Mo-ZrO2合金的燒結密度偏低。另一方面，由于第二相的存在，使得燒結過程中的孔洞不易被消除。

從圖2(b)、圖2(c)中同樣可以看出，Y和Re都可以顯著細化晶粒，鉬合金的抗拉強度得到提高。

2.2 鉬合金的壓力加工性能研究

鉬合金雖具有一系列優異性能，但由于室溫脆性的致命弱點，必須通過塑性加工方法來有效地改變其內部組織結構，提高其加工工藝與使用性能[6]。塑性加工是坯料通過外力的作用發生塑性變形，獲得所需的形狀、尺寸和性能的加工方法。通過粉末冶金制成的材料，其內部存在著許多空隙，從而使材料的密度和力學性能大打折扣。減小和消除空隙能大大增加燒結體的密度和力學性能。所以為了獲得高性能的產品，必須在粉末冶金工藝之后進行致密化。從成本和效益出發，致密化的方法首選鍛造，此法不僅可以細化晶粒，還可以大大降低粉末燒結體內部的空隙，從而提高其力學性能[7]。鉬合金及純鉬的性能檢測見表3。

表3 鉬合金室溫拉伸性能

由于Mo-Zr合金的燒結密度偏低，采用純鉬的加工工藝容易出現開裂現現象，在進行鍛造加工時要提高開坯的加熱溫度和保溫時間，使得Mo-ZrO2合金棒充分均化和軟化。因此，Mo-Zr合金棒的加熱溫度為1 450～1 500 ℃，保溫時間為90 min，且加熱一火鍛造一個模次，鍛造的火次變形量為9%～14%，相鄰兩火次之間需要對鍛造后的Mo-Zr燒結合金棒進行回火處理，回火的溫度為1 450～1 500 ℃，保溫時間為15～25 min；且第一和第二鍛造模次的變形量控制在9%～10%，終鍛溫度高于1 350 ℃，防止Mo-Zr合金棒發生開裂。從表3可見，Mo-Zr合金的強度和延伸率均優于純鉬。

Mo-Y的鍛造工藝與Mo-ZrO2合金的鍛造工藝類似，也需要控制鍛造變形量和回火次數，防止微裂紋的出現。從表3可見，加入氧化釔后，鉬合金的抗拉強度和屈服強度提高，延伸率較純鉬下降。

Mo-Re可以走純鉬的鍛造工藝，這是因為Mo和Re金屬的燒結相容性好，有較好的細晶強化效果，從性能檢測結果可以看出，抗拉強度和屈服強度較純鉬有明細的提高，但其延伸率較低，幾乎為脆斷。

3 結 論

(1)Mo-0.55%ZrO2、Mo-0.3%Y2O3、Mo-3%Re 3種鉬合金采用合適的燒結工藝，與純鉬相比，均有細化晶粒的作用。

(2)3種鉬合金棒坯的性能檢測結果顯示：Mo-Re合金的抗拉強度和屈服提高較為明顯，但其延伸率較低；Mo-Y合金的抗拉強度和屈服強度得到明顯提高，延伸率較純鉬有所下降；Mo-Zr合金的抗拉強度和屈服強度有小幅提高的同時，延伸率也較純鉬有提高。

(3)綜合3種鉬合金的性能檢測結果來看，最可能應用于旋轉轉子用鉬基材料的是綜合性能優異的Mo-Zr合金。