[0001]技术领域
[0002]本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种铝钨合金的生产方法。
[0003]背景技术
[0004]在金属中，钨的熔点最高，高温强度和抗蠕变性能以及导热、导电和电子发射性能都好，比重大，大量用于制造硬质合金和钛合金添加剂。铝钨合金作为优异的钛合金添加剂，兼具铝的轻质、延展性及抗氧化性好，同样具有钨的耐高温性；铝、钨合金化后，铝钨合金显微硬度高、稳定性好、耐高温和低密度高耐磨的优点。铝钨合金以应用于高尔夫球杆、医疗器械、汽车轮毂及发动机活塞及航天发动机等。
[0005]当下铝钨合金的主要制备方法为：机械合金化法(球磨法)合成铝钨合金粉末，但机械合金化法受球磨强度、配球比例、环境、气氛及时间和温度影响，对合金的杂质合金影响较大，如铁(铁球)、氧、氮等，美国reading alloy公司以此法生产了铝钨合金杂质元素铁：0.6wt％、氧：0.2wt％、氮：0.06wt％杂质含量较高限制了铝钨合金在高端领域的应用。铝热法：将氧化钨、铝源、造渣剂按比例混合，以镁条引燃发生铝热还原反应得到铝钨合金锭，但由于铝、钨两种金属密度差较大(铝：2.7g/cm 3 、钨：19.35g/cm 3 )，铝热反应合金锭上下偏析严重，成品率在35-60％，不易控制，损耗严重。熔炼法：将金属钨与铝块按比例混合、与熔炼炉中熔炼直接制备铝钨合金，但单质钨熔点高，熔化过程缓慢(6-8h)，且去加入过量的铝，浇筑后，在锭模中降温过程同样会出现含量偏析，上下分层等问题。所以，当下并无制备高品质铝钨合金的工艺。放电等离子烧结，专利CN114559040A中介绍了将纯W、纯Cr和纯Al粉球磨后进行放电等离子体烧结，但此法对粉状原料要求纯度较高，高均匀性需要原料为超细粉体，产业化过程中因成本问题，限制了产品的使用。
[0006]发明内容
[0007]有鉴于此，本发明公开提供了一种铝钨合金的生产方法。
[0008]本发明以超细钨粉、铝粉按比例混匀后放电等离子烧结炉中烧结成铝钨合金条，进一步将铝钨合金条焊接成铝钨合金架，并以金属架置于中频炉浇铸用水冷铜坩埚中，在中频炉将熔炼金属钨与铝豆熔清后浇铸至含有铝钨合金架的水冷铜坩埚中，以此金属架为晶种，提高合金溶液在降温过程沿着金属间化合物的方向生长，减少因密度差产生的偏析，在保证铝钨合金高纯、低杂的同时，极大地提高了铝钨合金的产率与收率，解决了行业问题，为低成本高品质铝钨合金的推广提供了一种可能。
[0009]为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
[0010]一种铝钨合金的生产方法，包括以下步骤：
[0011](1)制备铝钨合金条：将钨粉与铝粉按比例充分混合后，加入条状刚玉模具，放入放电等离子烧结炉、抽真空、加压压实混合物料，加脉冲电流、静压烧结成型，降温至室温后，得到铝钨合金条；
[0012](2)制备铝钨合金架：将所述铝钨合金条切割，氩气保护下钨极惰性气体保护焊接成铝钨合金架，并将所述铝钨合金架顶部放入中频炉浇铸水冷铜坩埚中待用；
[0013](3)制备铝钨合金锭：按铝钨合金条中铝、钨含量配料，将钨块、铝豆装入中频炉，熔炼后浇铸至装有铝钨合金架的水冷铜坩埚中，降温后得到高均匀性铝钨合金。
[0014]需要说明的是，本发明铝钨合金中W：40-68wt％，在此范围内铝钨合金中主要以Al 4 W、Al 5 W两种金属间化合物，在铝钨系合金中，制备的难点为解决合金溶液降温过程中因铝与钨密度差产生的偏析问题，在步骤(2)中，根据制备不同含量的铝钨合金铝钨合金需求，定制不同含量的铝钨合金架，根据钨含量变化对合金整体密度的变化，合理调整合金架的粗细。在高含量铝钨合金中，以Al 4 W为主，由于Al 4 W吉布斯函数高于Al 5 W，在热力学上其稳定性较Al 5 W较差，所以易分解为Al 5 W与W，宏观上表现为合金严重偏析。同样的，当W小于40wt％，主相为Al 12 W，同样的其稳定性大于Al 5 W。所以，如想稳定生产钨含量为40-60wt％的铝钨合金，需在合金溶液降温过程提供大量所需生产品位的金属间化合物作为晶种，以金属架作为晶种，既可以为合金提供金属间化合物晶种，让合金溶液中铝、钨沿着金属架中金属间化合物晶面方向生长，以金属架为铝钨合金生长基体，这就以SPS烧结法制备高纯铝钨合金架。同时，合金架的加入又可以在一定程度上提高浇铸后合金的降温速度，减少偏析。
[0015]另外，按合金架金属比例配料在中频炉熔炼，浇铸入装有合金架的水冷铜坩埚，通过高功率溶清后浇铸入铜坩埚后，以-10至5℃的低温冷凝水降温，同样是起到快速凝固减少合金处在溶液时间过长，金属间化合物分解，产生偏析的宏观现象。
[0016]可选地，所述钨粉与铝粉的质量比为(0.82-2.1):1，所述铝粉的粒度≤3μm，所述钨粉的粒度≤1.5μm。
[0017]进一步地，所述条状刚玉模具的长宽高规格为30cm*(0.4cm-0.8cm)*(0.4cm-0.8cm)，待装入混合合金粉体后，压制压力为10-25MPa；且对放电等离子烧结炉内抽真空处理，真空度小于10Pa。
[0018]更进一步地，放电过程中，脉冲电流为600-900A，脉冲放电时间为45ms，间隔1.5s放电一次，持续60-120s；
[0019]且，放电等离子烧结炉升温程序为室温-(1000-1500℃)，升温速率为150-220℃/min，保温时间为5-20min，保温过程压制的压力为35-45MPa，撤销压力后，降温速率为250-300℃/min。
[0020]可选地，步骤(2)中，所述焊接铝钨合金架用的保护气为氩气，纯度≥99％；且，所述铝钨合金架顶部合金条的规格为30cm*0.8cm*0.8cm。
[0021]进一步地，所述铝钨合金架水平方向正方形边长a：20-30cm，垂直方向高度为c：5-15cm，小长方体底面正方形边长b为2.5-10cm，高为2.5-15cm；
[0022]且，所述中频炉浇铸水冷铜坩埚直径为26-45cm。
[0023]可选地，所述步骤(3)中，中频炉配料钨块与铝豆重量配比为(0.82-2.1):1；且，所述中频炉熔炼前真空度＜20Pa，熔炼功率为140-170kW。
[0024]进一步地，所述中频炉冷却水进水温度为-10-5℃，制备的铝钨合金锭锭重50-90kg。
[0025]与现有技术相比，本发明公开提供了一种铝钨合金的生产方法，具有如下优异效果：
[0026]本发明解决了钛合金用铝钨合金，因金属熔点、密度差别大导致的铸锭严重偏析、产率低下的缺点，制备了一种高产、高均匀性的铝钨合金。
[0027]附图说明
[0028]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0029]图1为铝钨合金架的结构图。
[0030]具体实施方式
[0031]下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032]本发明提供了一种铝钨合金的生产方法，具体包括如下步骤：
[0033](1)制备铝钨合金条：将钨粉与铝粉按比例充分混合后，加入条状刚玉模具，放入放电等离子烧结炉、抽真空、加压压实混合物料，加脉冲电流、静压烧结成型，降温至室温后，得到铝钨合金条；
[0034](2)制备铝钨合金架：将所述铝钨合金条切割，氩气保护下钨极惰性气体保护焊接成铝钨合金架，并将所述铝钨合金架顶部放入中频炉浇铸水冷铜坩埚中待用；
[0035](3)制备铝钨合金锭：按铝钨合金条中铝、钨含量配料，将钨块、铝豆装入中频炉，熔炼后浇铸至装有铝钨合金架的水冷铜坩埚中，降温后得到高均匀性铝钨合金。
[0036]本发明通过控制钨粉与铝粉比例，放电等离子烧结后得到W：40-68wt％的铝钨合金条，控制钨粉与铝粉粒度保证二这充分混匀以保证铝钨合金条均匀性；通过控制铝钨合金条规格为30cm*(0.4cm-0.8cm)*(0.4cm-0.8cm)，以为不同含量的铝钨合金在浇筑过程晶种充足；控制压制压力为10-25MPa，初步压实后，开启真空泵将放电等离子烧结炉抽真空至10Pa以下，保证铝钨合金条在烧结过程中不会引入气体杂质。
[0037]本发明中放电等离子烧结炉在放电时间、间隔一定时，脉冲电流范围为600-900A，持续60-120s，保证不同含量铝钨合金合金化，且不产生偏析；放电等离子烧结炉升温程序为室温-(1000-1500℃)，升温速率为150-220℃/min，保温时间为5-20min，保证铝钨(40-68wt％)合金充分熔化、合金化，保温过程压制的压力为35-45MPa，撤销压力后，降温速率为250-300℃/min，快速降温保证铝合金条中存在大量晶种(Al 4 W、Al 5 W)，为浇铸过程铝钨合金熔液提供晶种。
[0038]本发明将所述铝钨合金条切割，纯度在99％以上氩气保护下钨极惰性气体保护焊接成铝钨合金架防止焊接过程将气体杂质引入铝钨合金架，合金架上部金属条为30cm*0.8cm*0.8cm，防止合金架在合金熔液浇铸过程中上部合金架熔化，无法为合金熔液提供晶种；合金架中a：20-30cm，垂直方向高度为c：5-15cm，小长方体底面正方形边长b为2.5-10cm，高d为2.5-15cm，随着铝钨合金中钨含量的增加Al 4 W比例增加，合金中钨偏析程度增加，需要降低金属架高度，增加金属架重量以提高晶种比重，减少偏析。
[0039]本发明铝钨合金中W：40-68wt％，铝钨合金主相Al 4 W、Al 5 W两种金属间化合物，根据制备不同含量钨合金铝钨合金需求，合理调整合金架的粗细。在高钨含量铝钨合金中，主相为Al 4 W，由于Al 4 W吉布斯函数高于Al 5 W，稳定性较Al 5 W较差，所以易分解为Al 5 W与W，宏观上表现为合金严重偏析。同样的，当W小于40wt％，主相为Al 12 W，同样的其稳定性大于Al 5 W。所以，如想稳定生产钨含量为40-60wt％的铝钨合金，需在合金溶液降温过程提供大量所需生产品位的金属间化合物作为晶种，以SPS烧结法制备金属架合金化程度高，快速降温导致的晶种多，结晶度低，更易为浇铸后的合金熔液提供晶种。
[0040]以金属架为铝钨合金生长基体，这就以SPS烧结法制备高纯铝钨合金架。同时，合金架的加入又可以在一定程度上提高浇铸后合金的降温速度，减少偏析。
[0041]制备铝钨合金锭：按铝钨合金条中钨块与铝豆重量配比为(0.82-2.1):1装入中频炉，保证铝钨合金含量与铝钨合金金属架含量一致，控制中频炉真空度小于20Pa，保证合金纯净度，控制熔炼功率为140-170kW，保证合金正常熔化，熔炼后浇铸至装有铝钨合金架的水冷铜坩埚中，降温后得到高均匀性铝钨合金。
[0042]下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]实施例1
[0044]一种铝钨合金的生产方法，具体包括如下步骤：
[0045]将36.5kg钨粉与33.6kg铝粉(粒度：0.1-1.5μm)在混料机中混合均匀，加入刚玉模具，开启罗茨泵，对放电等离子烧结炉抽真空处理，当真空度为8Pa时，对刚玉模具内物料施加压力为15Mpa，压实混合物料，保持压力，施加脉冲电流，电流为800A、放电间隔为1.5s s，持续90s、放电等离子烧结炉升温程序为室温至1200℃，升温速率为180℃/min，保温时间为15min，保温过程静压烧结压力为40Mpa，降温速率为300℃/min，降温至室温后，得到铝钨合金条。
[0046]以99.5％的氩气作为保护气，将合金条焊接成a:30cm、b:6cm、c:10cm、d:.2.5cm，顶部合金条高宽均为0.8cm，其余金属条高宽均为0.5cm。
[0047]将41.4kg钨块、38.5kg铝豆装入中频炉，开罗茨泵抽真空至15Pa，150kW下合金溶清，浇铸至装有铝钨合金架的水冷铜坩埚中，进水温度为0-3℃，降温后得到合金锭81.4kg。
[0048]合金锭同位点上、中、下取样检测，数据如表1下：
[0049]表1.铝钨合金数据汇总表
[0050]观察表1发现合金中钨含量极差仅为0.41wt％，氧含量低于0.03wt％，相较于常规铝热反应制备铝钨合金，均匀性，纯净度大幅提高。
[0051]实施例2
[0052]与实施例1相比，仅需将钨粉、铝粉配料更改为钨粉36.5kg、铝粉19.6kg。
[0053]在放电等离子烧结炉中放电电流更改为700A，放电间隔为1.5s，持续放电时间为80s，烧结过程为室温至1250℃，保温时间为10min，静压烧结压力为40Mpa；
[0054]将合金条焊接成a:30cm、b:5cm、c:10cm、d:2.5cm，全部合金条高宽均为0.8cm，转移至直径为中频炉铜坩埚。
[0055]中频炉配料为钨块43kg，铝豆23.5kg，熔炼功率为165kW，冷却进水温度为-8至-4℃，熔炼完成得到合金锭72.9kg。
[0056]金锭同位点上、中、下取样检测，数据如表2下：
[0057]表2.铝钨合金数据汇总表
[0058]观察表2发现高钨比重的合金中钨含量极差仅为0.32wt％，与低钨含量的铝钨合金的均匀性、纯净度处于同水平，证明了本发明的优异性。
[0059]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
