摻雜鎢合金是指在高純鎢基體中加入特定元素或化合物，經(jīng)粉末冶金等工藝制備的高性能材料。通過摻雜可以改善純鎢的低溫脆性、高溫軟化及抗輻照性能，大幅提升其強(qiáng)韌性、高溫穩(wěn)定性和電子發(fā)射等綜合性能，典型摻雜包括鉀硅鋁系、稀土氧化物及碳氮化物等，通過形成彌散相、細(xì)化晶?；蚬倘軓?qiáng)化等機(jī)制發(fā)揮作用。摻雜鎢合金主要應(yīng)用于非下垂鎢絲、環(huán)保電極、航空航天高溫部件、聚變堆面向等離子體材料、醫(yī)療儀器及高端表面涂層等高新領(lǐng)域。
1.摻雜鎢合金的定義
摻雜鎢合金是指在高純度鎢基體中加入少量或適量的特定元素或化合物，再通過粉末冶金、放電等離子燒結(jié)或化學(xué)摻雜等工藝制備而成的一類高性能鎢材料。常見的摻雜元素或化合物包括鉀、錸、稀土氧化物，以及碳化物、氮化物等。
開發(fā)這類合金的主要目的，是通過控制成分和優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)，來改善純鎢在實(shí)際使用中存在的幾個(gè)主要缺點(diǎn)，比如低溫下容易脆斷、再結(jié)晶后脆性增加，以及對(duì)輻射損傷比較敏感等問題。經(jīng)過摻雜處理后，材料的性能可以得到明顯提升，包括室溫和高溫下的力學(xué)強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性、電子發(fā)射性能，以及在某些特定環(huán)境中的耐腐蝕能力。經(jīng)過這樣設(shè)計(jì)和改良的摻雜鎢合金，更能適應(yīng)那些對(duì)材料性能要求極高的場合，例如核聚變裝置、航空航天推進(jìn)系統(tǒng)、高端國防裝備以及新一代電子器件等領(lǐng)域。
2.摻雜鎢合金的摻雜元素及作用
摻雜鎢合金主要是通過加入不同元素來改善純鎢的性能，這些元素各自通過晶粒細(xì)化、形成彌散相或固溶強(qiáng)化等方式發(fā)揮作用。
鉀、鋁、硅這類經(jīng)典摻雜元素會(huì)在加工過程中形成沿加工方向排列的納米級(jí)鉀氣泡串。這些氣泡能有效阻礙晶界移動(dòng)，從而將材料的再結(jié)晶溫度從純鎢的約1400℃顯著提高至2000℃以上，某些體系可達(dá)2100℃以上，并顯著增強(qiáng)其抗高溫蠕變能力，這也是制造“非下垂”鎢絲的關(guān)鍵技術(shù)。
添加稀土氧化物，如氧化鑭、氧化釔等，則是通過形成彌散強(qiáng)化相來發(fā)揮作用。它們能夠顯著細(xì)化晶粒、凈化晶界，從而同時(shí)提高鎢的強(qiáng)度和韌性。利用濕化學(xué)摻雜法可以在分子層面實(shí)現(xiàn)均勻復(fù)合，這樣制備的納米結(jié)構(gòu)粉末燒結(jié)后，室溫抗拉強(qiáng)度典型值可以達(dá)到500 MPa以上，延伸率也得到明顯改善。用這種方法生產(chǎn)的鎢鑭、鎢釔電極，因?yàn)殡娮影l(fā)射性能好且沒有放射性，已成為主流的環(huán)保型焊接電極材料。
像錸、鉬這類固溶元素，主要通過固溶強(qiáng)化機(jī)制來提高鎢的基體強(qiáng)度和再結(jié)晶溫度。加入少量錸可以有效降低鎢的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，改善其低溫下的加工成形能力，同時(shí)提升熱電子發(fā)射能力。這類合金常用于制造高性能陰極以及在極端環(huán)境下工作的結(jié)構(gòu)部件。
碳化物，如碳化鈦、碳化鋯，以及氮化物，如氮化鈦這類高硬度、高穩(wěn)定性的化合物彌散相，除了能夠細(xì)化晶粒、提高材料致密性和硬度之外，還能作為輻射缺陷的捕獲中心。這類摻雜可以顯著增強(qiáng)鎢基體在強(qiáng)輻射環(huán)境下的抗腫脹和抗起泡能力，也是面向等離子體材料研究的一個(gè)重要方向。
摻雜鎢合金的摻雜元素及作用對(duì)比
3.摻雜鎢合金的主要特性
對(duì)鎢材料進(jìn)行摻雜改性后，得到的鎢合金在綜合性能上比純鎢有明顯提升。
摻雜鎢合金的韌性更好，也更容易加工。摻雜元素能細(xì)化晶粒、凈化晶界，并通過固溶作用增強(qiáng)韌性，從而降低材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，這使得材料在室溫甚至更低溫度下也能發(fā)生一定的塑性變形，為拉制超細(xì)絲材或制造形狀復(fù)雜的零件提供了可能。
摻雜鎢合金在高溫下結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。其中彌散分布的摻雜相，例如鉀氣泡或稀土氧化物，可以有效抑制高溫下晶界的遷移，將再結(jié)晶溫度提高到2000℃以上。因此材料具備良好的抗高溫蠕變和抗晶粒長大能力，在長期高溫使用中能保持形狀和性能的穩(wěn)定。
摻雜鎢合金在功能特性上也有提升。添加如鑭、釔、鈰等氧化物可以降低材料的電子逸出功，從而提高熱電子發(fā)射效率。用這類材料制作電極時(shí)，往往表現(xiàn)出更好的起弧性、更高的電弧穩(wěn)定性以及更長的使用壽命。
摻雜鎢合金還具備較強(qiáng)的抗輻照性能和環(huán)境耐久性。其中的納米級(jí)彌散強(qiáng)化相，例如碳化鈦或氧化釔，能夠作為輻照缺陷的吸收與復(fù)合中心，有效減緩點(diǎn)缺陷的積累，進(jìn)而提升材料在高能中子輻照環(huán)境下的結(jié)構(gòu)完整性。此外，某些特定成分的鎢合金鍍層也表現(xiàn)出較好的耐氧化和耐腐蝕性能。
純鎢與摻雜鎢合金主要特性對(duì)比表
4.摻雜鎢合金的主要應(yīng)用
摻雜鎢合金憑借其性能特點(diǎn)，在多個(gè)高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
在照明與真空電子器件中，以鉀、鋁、硅摻雜制成的非下垂鎢絲，具備良好的抗高溫蠕變能力，成為白熾燈、鹵素?zé)艏岸喾N電子管內(nèi)加熱絲的核心材料。
在先進(jìn)焊接與熱加工方面，添加鑭、鈰或釔等稀土元素的鎢電極電子發(fā)射效率較高，燒損率較低，且無放射性污染，已成為TIG焊接、等離子切割和等離子噴涂等工藝的主要電極材料。
航空航天與國防科技中，摻雜鎢合金常用于制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯、導(dǎo)彈端頭與舵翼等高溫關(guān)鍵部件。同時(shí)，利用粉末冶金技術(shù)制備的以鎢鎳鐵或鎢鎳銅為代表的高比重鎢合金，憑借其高密度與高強(qiáng)度，被廣泛用于導(dǎo)航系統(tǒng)陀螺轉(zhuǎn)子、飛行器配重塊以及動(dòng)能穿甲彈彈芯的制造。
在核能與聚變工程中，采用稀土氧化物或碳化物摻雜的高性能鎢合金，是目前國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆及未來聚變裝置中面向等離子體部件的主要候選材料，如偏濾器靶板和第一壁，用以承受極高的粒子流和熱負(fù)荷。
摻雜鎢合金具有穩(wěn)定的電子發(fā)射性能，在醫(yī)療與科學(xué)儀器領(lǐng)域中適用于質(zhì)譜儀離子源等精密部件，高密度鎢合金則因其良好的輻射屏蔽效果，常用于醫(yī)用直線加速器的準(zhǔn)直器、CT掃描儀的準(zhǔn)直柵格以及核醫(yī)學(xué)設(shè)備的屏蔽容器。
在表面工程應(yīng)用上，通過物理氣相沉積等技術(shù)制備的鎢基合金鍍層或薄膜，可應(yīng)用于精密儀器與石油化工設(shè)備的關(guān)鍵零件表面，能有效提高耐磨性和耐腐蝕性，延長零件的使用壽命。
