娓娓道“铼”（下）
娓娓道“铼”（下）
——浅谈航空工业的明星金属铼
一、后“铼”居上——铼在航空工业的应用
上文书说道，人们费尽移山心力，一年只得50吨左右的铼，用来做什么用呢？
石油和汽车：
首先，铼对很多化学反应具有高度选择性的催化功能。因此铼主要用作石油工业的催化剂，合成高辛烷值汽油。世界上铼在这方面的消耗量曾经占总消耗量的60％以上。美国和德国还获得了制造铼过滤器净化汽车尾气的专利技术。
仪器仪表：
铼的熔点和沸点都很高，又具有很高的电子发射性能，广泛应用于无线电、电视和真空技术中。铼是一种主要的高温仪表材料，可用来制造特种白炽电灯泡及高温电偶，比如钨铼热电偶在3100℃也不软化。铼钨合金用来制造电子管阴极，寿命比钨长100倍。铼用于制造电接触器，特别是制造海船永磁发电机接触器，经久耐用。
航天器部件：
铼和钨、铁形成合金，硬度很高。铼抗磨性和抗腐蚀性很强，可用于火箭、导弹等航天器的金属表面，宇宙飞船用的仪器和高温部件热屏蔽、电弧放电、电接触器，增加耐磨性能，同时用作高温涂层用。
航空动力：
近年来人们逐渐开始利用铼生产高性能单晶高温合金，进而生产先进航空发动机的叶片。以至铼在航空发动机工业中的应用达到了全部铼用量的80%。而这，才是本文需要进一步探讨的问题。
兵器迷是太关注发动机了。和这个话题有关的东西，都愿闻其详，呵呵。
大家知道，高温合金，是广泛应用于航空航天技术产品的一种高温结构材料。主要用于发动机的高温部分，如涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室等。目前，高温合金在航空发动机中用量约重量的55%左右。从技术发展路径来看，高温合金已从传统铸造多晶高温合金、定向凝固柱晶高温合金和变形高温合金，向单晶合金、机械合金化高温合金、粉末冶金高温合金和细晶铸造合金等发展。这其中的重点，就是单晶合金。
采用单晶技术生产的新型单晶合金材料，用于制造航空发动机叶片，可显著提高发动机的工作温度和发动机功率，对航空工业产品的更新换代具有重要的意义。多年来人们在合金成分设计，冶金工艺，单晶制备，晶体缺陷及蠕变机制等方面进行了大量的研究工作，研究成果层出不穷。到目前为止，已经有五代单晶高温合金相继问世。而我们今天的主角，铼，与单晶合金的发展有着非常密切的关系。
早在1980年代，大多数航空工业大国已经认识到：铼有良好的塑性，在高温和低温情况下，都没有脆性，抗拉强度和抗蠕变强度优于钨W,钼Mo,铌Nb。向难熔金属钨、钼、铬添加铼，可以提高材料的强度、塑性和焊接性能，降低韧-脆转变温度，和再结晶脆性。W-Re和Mo-Re合金具有良好的高温强度和塑性。同时铼对单晶高温合金显微组织、力学性能、不稳定相及单晶缺陷等的影响显著，可以增强单晶合金的高温抗蠕变性能（所谓蠕变，英文creep，是指在一定的温度和较小的恒定外力（拉力、压
力、扭力）作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。蠕变是高温单晶合金是死敌，这将大大降低航空发动机的性能和效率，甚至带来严重的事故）
铼的这些现象称为“铼效应”，它对于航空发动机叶片的重要作用。
但是，铼在航空发动机工业却是一个地地道道的“后来者”，其原因有两个：
对了，第一一个原因，就是是太贵，比钛合金贵上百倍。产量论公斤，应用论克。
另一个原因，就是人们在研究铼的过程中，遇到了很大的困难。
铼对单晶合金元素扩散及合金元素再分布的影响机制和规律是什么？
铼对单晶合金的抗蠕变强化机理是什么？
铼与其他金属（特别是铷Ru）的协同强化作用机理是什么？
但在相当长的时间内，这些问题的进展并不明显。
例如，日本科学家H.Harada通过研究TMS-75和TMS82系列合金后认为，铼使得单晶合金的负错配增加，加速了合金内部γ&相筏排结构和细密位错网的形成。而正是γ&和γ两相界面位错网的细密程度，决定了单晶合金的抗蠕变性能。反之，宾夕法尼亚大学的科学家Caron.P却认为：错配度对于合金抗蠕变性能的影响并不清楚，单晶合金的错配度在一定温度和应力下的对金属蠕变性的作用和机理也很不清楚，因此日方的研究无因果关系。
这种相互矛盾的见解，在铼研究中比比皆是。这不仅仅反映出人们对铼的认识还有很大不足，也直接造成了铼在单晶合金中的应用受到了更多的局限。
现在，让我们来看看“铼”这个后来者，是如何追赶单晶合金的发展脚步的：
第一代单晶合金，以美国PWA1480（用于F100-220发动机）、ReneN4（用于F110-129
CMF56-5发动机），英国SRR99（用于RB211
RB199发动机）、法国AM3
（用于M88-2发动机）和苏联ЖС32（用于АЛ31Ф发动机）为代表。这一代单晶合金，是不含铼的。
第二代单晶合金，以美国PWA1484（用于PW4000发动机）、CMSX-4（用于EJ200发动机），英国RenaN5（用于GE90发动机）、俄国ЖС36为代表。
部分第二代单晶合金，开始采用了铼。比如ЖС36，采用了2%的铼。CMSX-4
（合金成分为Ni-9Co-6.5Cr-6W-6.5Ta-5.6Al-3Re-1Ti-0.6Mo）采用了3%的铼。
第三代单晶合金，以美国ReneN6
、CMSX-10为代表，两种牌号铼的含量最高分别达5.6%
和7%，难熔元素的总含量(Re、Ta
W Mo)高达20%。日本的TMS-75也是第三代，含铼5%。
第四代单晶合金，以日本的TMS-138和MC-NG为代表。二者分别含铼5%和含铼4%，同时加入Ru
第五代单晶合金，以日本的TMS-162为代表。含铼6%。
从上述情况看，含铼成分增加，正在成为单晶合金化学成分的主要特征和发展趋势之一。第二代单晶合金终于加入了铼，并成功用于航空发动机，这说明人们对于铼的强化机理终于有了一定的了解。
相比艰难的理论研究，实践的对比分析更加明朗化的展现了铼的应用优势：美国第三代单晶合金CMSX－10与CMSX－4相比：拉伸性能相当，高温蠕变性能比CMSX-4高出30℃。至1163℃，CMSX－10仍比CMSX－4强得多。前者的可用温度可达1204℃。如果按蠕变到１%的时间来比较，应力为207MPa时，CMSX－10仍比CMSX－4高出36℃；应力为138Mpa时，高25℃。CMSX－10在980℃/248MPa条件下，蠕变到１％的时间比其他合金长4.6-80倍。CMSX－10尽管其Ｃr含量低，但其抗氧化抗腐蚀性能仍与CMX-4相当。
当然，我们也应该看到铼的应用依然存在很多不确定性。一方面：大量难熔元素(尤其是贵金属Re，Ru)的加入在提高合金性能的同时也提高了合金的成本。据估算，第二代单晶高温合金元素加入了3%的Re之后成本提高了70%。另一方面，尽管多国的第三代甚至日本的第五代单晶合金都有了正式合金牌号，但目前的资料尚未表明其大规模应用在型号发动机上（F119用的还是二代单晶）。这进一步说明了理论研究和生产工艺的难度和风险。
如果有朋友知道三代单晶合金大规模用于型号发动机的消息，拜托告知兵器迷，多谢了！
这位看官说了：兵器迷你先别说谢，中国航空发动机究竟用上铼没有啊？
二、继往开“铼”——铼在中国航空工业的应用
根据网上的公开报道：北京航空材料研究所在“九五”期间，开始对铼的强化机理进行了初步探索。
这个起步比发达国家晚了10-15年。
二十多年后的今天：
DD3第一代单晶合金（无铼）
20世纪80年代初，中航工业航材院在国内率先开始了单晶合金及叶片技术的研究，首先研制成功了我国的第一代单晶高温合金DD3，低密变、低成本，可以达到1020℃的工作温度。现已推广到太行发动机等多个机种，成为我国真正用于航空的第一代单晶合金。同时，DD3为我国涡轴发动机提供了关键材料，亦为国内首次应用。北京航空材料研究院
(BIAM)和美国普拉特惠特尼公司
(Pratt Whitney)对
DD3单晶合金的成本、主要力学性能指标和单晶铸造性能进行的评估。评估认为
:DD3合金有优良的力学性能和良好的铸造性能
,与美国第一代单晶合金
PWA1480合金相当，且适合低成本生产
,是一种很有推广应用价值的航空发动机单晶涡轮叶片材料。
第二代单晶合金（含铼2%）
20世纪90年代，北京航材院研制出的单晶高温合金DD6，在
1100℃/100h持久强度达140
Mpa，适合制作具有复杂内腔的燃气涡轮工作叶片，和在高温、高应力、氧化及腐蚀条件下工作的高温零件。℃下完全抗氧化，850-1000℃／100h条件下腐蚀速度≤0.18／平方米。DD6的拉伸、持久、抗氧化和耐热腐蚀性能达到或部分超过国外第二代单晶合金。由于含铼只有2%，性能却达到甚至在某些方面超过了国外含铼3%的第二代单晶合金，因而具有低成本优势。这也是我国目前承温最高，综合性能最好的单晶高温合金。
特别的，由该合金制造的我国第一台份单晶涡轮空心叶片近期已装备某型先进航空发动机，并进行了试车考核。
WS-10G? WS15?
考验想象力啊。兵器迷最恨“某型”两个字，比恨马赛克还恨！
说笑了，呵呵。正经的，个人估计是高推.
第三代单晶合金（含铼？）
21世纪初，中国研制了第三代单晶合金DD9。《第十二届中国高温合金年会论文集》载文：北京航空材料研究院研制的
含有Ta、Hf
等元素，科学平衡、、、
等高熔点合金元素的含量，，
单晶高温合金的熔化温度范围为℃℃。拉伸性能与持久性能等达到了国外第三代单晶高温合金的水平。合金热处理后组织均匀稳定、工艺性能良好，可用于制造具有复杂结构的薄壁空心涡轮叶片。与国外第三代单晶高温合金相比，
DD9为达226小时。且合金铼Re含量低于国外第三代单晶高温合金，具有比较成本的优势。应用方面，采用DD9浇注了具有复杂结构的某型发动机单晶空心涡轮工作叶片。结果表明，叶片壁厚均匀，尺寸稳定，单晶完整性良好，DD9
合金具有优良的铸造工艺性能。
第四代单晶合金（含铼4.5-6%）
网载：第四代单晶高温合金：DD22
合金、中国科学院金属研究所发明一种高强度且组织稳定的第四代单晶高温合金，其特征在于:按重量百分比计，该合金的化学成分为:Cr
0.1～2%，Re
4.5～6%，Ru
～6.5%, Ta 6
～10%，其余为
Ni。另，某型号国产四代单晶X3含铼5%，含钌3%。
第五代高温单晶合金材料（含铼？）
成都航宇超合金技术有限公司(
母公司为陕西炼石有色资源股份有限公司)正在研制第五代单晶合金及单晶涡轮叶片。
网上关于中国第五代单晶含铼合金的信息非常少——正常，最高端的东西，不会轻易上网的。值得注意的是宇超的母公司——炼石有色。
报载：炼石有色主营钼精矿的钼铼矿业公司,依托丰富的铼资源储量，炼石有色发力建设含铼高温合金叶片项目，意欲进军航空高端材料及零部件制造行业。
2011年初，炼石有色与湖南有色金属研究院签署协议，共同研发从钼铼精矿中分离钼和铼的方法并获得相关专利。
2013年，炼石有色公告显示，航空发动机含铼高温合金叶片项目总投资8.97亿元，其中拟投入募资资金6亿元，项目将新建一条80吨/年含铼高温合金生产线和一条5.5万片/年单晶叶片生产线，建设期为2013年4月至2015年6月。该项目将由公司控股80%的子公司成都航宇实施。
2013年5月31日与双流县人民政府签署了《航空发动机含铼高温单晶合金叶片生产、维修及研发总部项目框架协议》,公司拟投8亿元人民币,在西南航空港经济开发区高端装备制造产业园建设含铼高温合金、叶片生产、维修及研发总部，建设期为2013年4月至2015年6月。
三、总结：
从资源上说，中国在世界上，有一定的铼资源，但品位一般，规模不及三甲，只有智利的20%,因此算不上铼资源大国。
中国的铼矿本来就很少，可是河南栾川钼矿这个铼储量大矿，却依然前途不明。联想起中国稀土和黑钨矿的悲惨遭遇，兵器迷虽痛心疾呼，但人微言轻，也只有扼腕叹息。
从开采上说，中国的铼开采和分离技术与世界先进水平相比，仍有差距。比如目前世界领先的高级萃取法和离子交换法，国内应用工业化推广的程度还不够高。特别是离子交换法，不危害人体，不污染环境，工艺简单，操作方便。但离子交换树脂的选择性差、再生困难，对树脂合成技术和树脂解析技术提出了很高的要求。中国成都某厂采用大孔型阴离子交换树脂D296从冶铜废液中直接提取铼酸铵的新工艺方法。新工艺先进实用，铼提取率可达99%，是一个让人欣喜的进步。希望能够听到更多更好的消息。
此外，随着中国航空工业中越累越多的使用铼，从这些含铼废件中二次提取也应当成为获取铼的重要途径，希望引起中国航空工业的重视。就是财大气粗的美帝，在铼的回收上也是精打细算。GE航空发动机公司从2008年就开始研究含铼镍基合金制造的高压涡轮叶片的再循环使用。该公司在其七个维修中心，通过废弃叶片回收计划也收回了数千磅的高温合金，其中最重要的目标就是铼。
家业越大，越会过日子，这才是帝范儿。中国某些人刚有几个钱，还不一定是正道儿来的，就到处炫富，恨不能换肤成钞票才好呢。兴许是以前没富过，觉着特新鲜。浑身嘚瑟，站都站不住啊。
从应用上说，中国与美国和日本的差距还是很大的：
从型号研制看，中国第四代单晶合金有了合金牌号，但第五代尚未公布。而日本的TMS-162单晶合金已经有成熟产品和合金牌号。中国第三代单晶合金DD9在1100℃/137MPa下的持久寿命为226小时，第四代单晶合金的数据未知。而TMS-162的寿命高达959小时。估计这方面差距至少是一代。
从工程应用看：中国的DD6含铼单晶合金叶片在航空发动机试车的同期，美国研制成功第三代单晶高温合金和
，也通过了先进航空发动机的试车考核。从这个角度看，我们在单晶高温合金上与美国的应用差距也是一代。
从工业应用看，美国第二代单晶合金已经大规模应用，而我国只实现了第一代单晶合金的大规模应用，差距也是一代以上吧。
当然，我们也需要认识到，由于中国镍资源不足，镍基单晶合金的研发受到一定影响。师昌绪大师曾领军研制铁基的高温合金，耐高温性能稍差，但是同等情况密度低、重量轻、成本低，也是国情现实下的无奈之举。
看到这里，我们大概明白了，为什么美国人在《航空和空间技术周刊》撰文，详细分析中国正在询价购买大量铼的目的。美国人的心思有两条：
第一：美国人担心：从中短期期看，从2016年起中国的进口需求将达到每年4.5吨到5吨。虽然美国直接和间接控制了接近80%的全球铼资源，但中国此举将抬高铼的市场价格，间接影响美国军机的用铼成本。
第二：也是美国人最担心的，从长期来看，大量铼采购的背后，是否说明中国已经掌握铼的强化机理和生产工艺，并具备大批量生产高性能单晶高温合金叶片的能力，进而突破高性能航空发动机的生产瓶颈，从而为缓解中国动力心脏病找到了一味对症之药？亦或只是进行一定的战略物资储备，为未来可能的技术突破和应用需求做好物质准备基础？
答案是什么?
美国军方想知道，这很自然。
中国军迷也想知道，这是另一种自然。
或许，我们还看不清未来——因为，无论是前方的道路，还是我们的心里，都还有高山，有雾霾。
那就让我们回过头，看看过去，看看中国铼工业，乃至中国军工的发展历程。
如同钛合金，如同碳纤维。小小的铼，再一次的像一面镜子，反映出这个行业发展的艰难历程:
镜子的一面，让我们看到中国五代高温合金，层出不断，屡有新成；镜子的另一面，也让我们看到中国资源的先天不足和后天发展上与世界先进水平的巨大差距。
最要紧的，无论从哪一面，都能看到一样东西，这就是中国军工人的坚韧和执着——困扰和风险依然很多，而唯一清晰的，是他们走过的坚实足迹，踏平坎坷，风雨兼程。
无论别人如何猜测，都不重要。因为，历史的创造者们，只会用行动，去书写未来。
这就是我们今天要讲的故事：
路在脚下，鉴往知“铼”
注：所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物，如：
《铼在高温合金中强化机理的研究》
《单晶高温合金在航空工业中的应用》
《第十二届中国高温合金年会论文集》
《第三代单晶高温合金DD9》
《中国航空工业材料手册》
《中国产业信息网》
更多文章，请见个人博客
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以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。涡扇15关键材料铼被美国垄断 中国全部储量加起来还不到240吨
在国内与欧美的发动机研制差距中，材料问题带来的困扰程度，仅次于设计和工艺技术水平的落后。这其中除了材料本身的研究积累差异以外，一些极为稀少、但又能带来至关重要的元素资源本身在各国分布不均，也是非常关键的因素。
而最典型的例子，就是铼。针对铼，可以提出三个问题：首先，铼是种什么样的玩意，为何对发动机如此重要？其次，这东西稀少到什么程度？最后，中国因为铼而在发动机材料上吃过什么亏？
图：纯铼金属样品
第一个问题。铼是钨的邻近元素，熔点达到3180摄氏度，是仅次于钨（3308摄氏度）的第二难熔金属。而除了难熔以外，铼还同时具备多种优异、乃至于在其他金属材料上往往自相矛盾、无法同时存在的性能。
比如铼的强度非常高而又塑形很好——既结实又难以开裂；即便是高温、急速冷却和猛烈加热并带有强烈机械冲击和振动的条件下，它也具备极佳的长时间工作抵御变形和开裂能力。当然铼性能也存在弱点，极易被氧化——因此也不耐硝酸等氧化性酸，氧化以后就发脆，抵抗硫酸盐酸的能力倒是非常好。
图：现在先进发动机在高温区域工作的叶片，对于铼极度依赖
这些性质，使得发动机在性能越来越好、部件工作条件越来越残酷（温度、压力、冲击等因素）的同时，燃气涡轮材料的研发，越来越倚重与铼元素等关键成分。现在铼的用途中，除了20%用作化工生产的催化剂，剩下80%几乎全部用在航空航天的超耐热合金里。
现阶段航空发动机的镍基单晶材料叶片中的先进产品，普遍含有3-7%以上的铼；每一次新的单晶涡轮叶片高温指标和寿命性能大幅度提升，背后都离不开铼的含量提升——包括这些年美国和日本交替刷新的那些世界纪录。
图：红圈中就是俄罗斯声称发现纯铼矿的地方
第二个问题。铼元素不仅在地壳中含量非常少，而且最要命的是这东西极其分散。俄罗斯近两年宣布，在俄日争议岛屿（伊图鲁普岛/择捉岛）上发现世界首个纯铼矿；但此前全世界都从未发现过以铼为主的矿物，现有的理论也不支持这样的矿物存在，具体是真是假还未可知。
除了俄罗斯这一目前还无法证实的消息以外；现有的铼主要是以极低的含量伴生在斑岩铜钼矿床的辉钼矿中，开采成本极高。根据美国地质调查局的估算，全球铼储量，已探明的只有2500吨，总资源量在吨之间，全球年产量吨25-30吨。而根据昆明贵金属研究所在2013年发表的论文《铼的回收技术研究进展》，我国目前铼的保有储量仅有237吨。
图：美国铼金属缺口增大的过程，和F119（F22用）、GE90（波音777等客机用）等先进发动机产能攀升有着直接关系
第三个问题。铼矿主要分布在美洲和欧洲，开采和销售又绝大部分被美国所控制。但即便如此，根据美国矿产局的统计，美国的铼金属短缺一直在越来越严重；2002年缺口就达到30%，年间，美国铼金属的年缺口从20吨增加到35吨。这个时间段，恰好是美国进入21世纪后的新一代高性能发动机，开始大批量交付军事、民用航空的历史进程，两者的高度同步根本不是巧合。
而中国在高温合金的发展上，虽然成分设计紧跟国外的发展步伐，已经发展到第四代单晶；但是由于铼资源严重短缺，实际批量生产产品受到的限制比美国远远大得多得多。太行、涡扇20、涡扇15等发动机性能和寿命，无不受限于这个问题。
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钨合金是以为基加入其他元素组成的合金。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，除大量用于制造硬质合金和作合金添加剂外，钨及其合金广泛用于电子、电光源工业，也在航天、铸造、武器等部门中用于制作火箭喷管、、穿甲弹芯、触点、发热体和隔热屏等。
钨合金分类
钨合金钼钨合金
含和两种元素的，它包括以钼为基的和以钨为基的系列。该种合金能以任何比例形成，在所有温度下均为完全固溶体合金。
钨合金铌钨合金
以为基加入一定量的钨和其他元素而形成的铌合金。和铌形成无限固溶体。是铌的有效强化元素，但随着钨添加量的增加，合金的塑性一将上升，晶粒也显著长大。因此，要得到高强度的铌钨合金，须适当地控制钨的添加量，同时还须适量加入细化、降低塑性一脆性转变温度的元素如锆和铪等。1961年，美国研制成功用于航天飞机蒙皮的Nb-10W-2.5Zr合金，以后又发展成为Nb-10W-1Zr-0.1C合金。70年代初，中国也研制成功NbWl0Zr2.5和NbWl0Zr1C0.1合金。
钨合金硬质合金
硬质合金是最常见、最主要的一种钨的合金形式，有别于前面几款钨合金的是它是钨和碳、钴，因而它也常被称为钨钴合金。目前，工业领域应用最广泛的刀具基本都是硬质合金刀具，所以硬质合金这种钨合金也被称为是“工业牙齿”。
钨合金发展历史
1907年，一种低含量的钨合金问世， 它是通过机械加工方法制备的，但是严重的脆性妨碍了它的应用。直到1909年，美国通用电器公司的(w．D．Coolidge)通过粉末冶金法制得 钨坯条，再利用机械加工生产出在室温下具有延性的钨丝，从而奠定了钨丝加工业的基础，也奠定了粉末冶金的基础。
然而这种“延性”钨合金在灯泡点燃后表现出明显的脆性。1913年，平奇(Pintsch)发明了钍钨丝(ThO2的 含量为1%～2%)，从而使白炽灯丝的脆性大大降低。起初，灯丝的下垂(见钨丝的抗下垂性能)并不是一个问题，因为此时的灯丝是直丝，但1913年以后， 兰米尔(Langmuir)将直丝改为螺旋丝，这样，当灯泡使用时，高的工作温度和自重的作用使灯丝下垂，因而纯钨和钍钨都难以满足使用要求。
为了解决钨丝下垂和寿命短等问题，1917年，柏斯(A．Pacz)发明了高温下“不变形”的钨合金。起初，他在制备纯钨时采用耐火坩埚焙烧WO3，无意中发现用这种WO3还原所得钨粉制成的钨丝螺旋，经再结晶后异常神秘地不再下垂。随后，经过218次反复实验验证，他终于发现在钨酸(WO3·H2O)中添加钾和钠的硅酸盐，经过还原、压制、烧结、加工等制得的钨丝，再结晶后形成相当粗的晶粒结构，既不软又抗下垂，这是最早的不下垂钨丝。柏斯的发现奠定了不下垂钨丝的生产基础，直到现在美国仍称不下垂钨丝为“218钨丝”，以纪念柏斯的这项重大发现。
掺杂钨合金的生产工序冗长，包括钨冶炼、粉末冶金制坯和塑性加工几个主要阶段。
掺杂钨合金的生产通常选用(APT)为原料。从钨精矿制取仲钨酸铵除了传 统的经典工艺外，20世纪50年代国际上开展了萃取法和离子交换法的研究，中国在70年代也采用了这些工艺，从而简化了工艺流程，提高了钨的回收率。20世纪60年代以来，许多国家都相继采用蓝色氧化钨掺杂工艺代替三氧化钨掺杂，从而提高了掺杂效果。钨粉的酸洗是20世纪60年代开始应用于生产的，其主要目的在于洗去钨粉中多余的掺杂剂、超细粉和部分有害杂质，从而改善加工性能，提高钨丝的高温性能。从20世纪60年代开始，孔型轧制法不断得到应用。孔型轧制是使坯料在一对旋转着的轧辊的孔 型中通过，在轧辊压力的作用下使断面减缩和长度延伸。
虽然只有少部分最终被做成灯钨丝和类似的产品，钨在科学上和技术上所承担的最重要的意义就是其研究成果向实际应用的转换。所获得的知识在粉末冶金新的领域，尤其是在硬质合金的制造上具有不可估量的价值。
钨合金用途
钨合金灯丝业
钨最早用于制作白炽灯丝。1909年美国（W.D.Coolidge）采用钨粉压制、重熔、旋锻、拉丝工艺制成钨丝,从此钨丝生产得到迅速发展。1913年兰米尔(I.Langmuir)和 (W.Rogers)发现钨钍丝（又称钍钨丝）发射电子性能优于纯钨丝后,开始使用钨钍丝,至今仍然广泛使用。1922年研制出具有优良的抗下垂性能的钨丝（称为掺杂钨丝或不下垂钨丝），这是钨丝研究中的重大进展。不下垂钨丝是广泛使用的优异灯丝和阴极材料。50～60年代，对钨基合金进行了广泛的探索研究，希望发展能在℃工作的钨合金，以供制作航天工业使用的耐高温部件。其中以钨铼系合金的研究较多。对钨的熔炼和加工成形技术也开展了研究，采用自耗电弧和电子束熔炼获得钨锭，并经挤压和塑性加工制成某些制品；但熔炼铸锭的晶粒粗大，塑性差，加工困难，成材率低，因而熔炼－塑性加工工艺未能成为主要生产手段。除 （CVD法）和等离子喷涂能生产极少的产品外，仍是制造钨制品的主要手段。
钨合金板材业
中国在20世纪50年代已能生产材。60年代对钨的熔炼、粉末冶金和加工工艺开展了研究，现已能生产板材、片材、箔材、棒材、管材、丝材和其他异型件。
钨合金高温材料
钨材使用温度高，单纯采用固溶强化方法对提高钨的高温强度效果不大。但在固溶强化的基础上再进行弥散(或沉淀)强化,可大大提高高温强度,以ThO2和沉淀的HfC弥散质点的强化效果最好。在 1900℃左右W-Hf-C系和W-ThO2系合金都有着高的高温强度和蠕变强度。在再结晶温度以下使用的钨合金,采取温加工硬化的方法,使其产生应变强化,是有效的强化途径。如细钨丝具有很高的抗拉强度,总加工变形率为99.999%、直径为0.015毫米的细钨丝，室温下抗拉强度可达438公斤力/毫米
在中，钨和钨合金的塑性－脆性转变温度最高。烧结和熔炼的多晶钨材的塑性－脆性转变温度约在150～450℃之间，造成加工和使用中的困难，而单晶钨则低于室温。钨材中的间隙杂质、微观结构和合金元素，以及塑性加工和表面状态,对钨材塑性-脆性转变温度都有很大影响。除铼可明显地降低钨材的塑性－脆性转变温度外，其他合金元素对降低塑性－脆性转变温度都收效甚微（见）。
钨的抗氧化性能差，氧化特点与钼类似，在1000℃以上便发生三氧化钨挥发，产生“灾害性”氧化。因此钨材高温使用时必须在真空或惰性气氛保护下，若在高温氧化气氛下使用，必须加防护涂层。
钨合金军事武器业
随着科学发展进步,钨合金材料，成为当今制作军事产品的原料：如子弹、装甲和炮弹、弹片头、手榴弹,猎枪、子弹弹头、防弹车,装甲坦克，军航、火炮部件,枪支等。而钨合金造成的穿甲弹更是可以击穿大倾角的装甲和复合装甲，是主要的反坦克武器。
钨合金加工
钨的熔点高、硬而脆，加工困难，但只要有合理的工艺，钨可经粉末冶金制坯、挤压、锻造、轧制、旋压和拉拔等加工成材。随着钨的塑性加工程度的提高，其组织、抗拉强度和塑性-脆性转变温度大为改善
钨合金准备
合格的坯料是钨材生产的关键之一，制好坯料首先要选用合格的钨粉末。粉末的特征（平均粒径、粒度分布、化学成分）、混料、成形和烧结工艺对坯料的成分、密度和微观结构有直接影响，并强烈地影响着产品加工和使用性能。
不下垂钨丝中添加的硅、铝、钾元素是在三氧化钨或“蓝钨”（为多种低价氧化钨的混合物）中以氧化物形式添加的，混合料常用含氢氟酸的溶液进行洗涤，以去除粉中杂质。生产丝和小片材的坯料多在压力机上成形，也可采用等静压制成形。
粉坯尺寸一般为12×12×400毫米,也有采用较大尺寸的圆棒、方棒或矩形棒。粉坯首先在氢气气氛中经 1200℃、1小时预烧使之具有一定强度和导电性后，再进行通电自阻烧结。
通电自阻烧结俗称“垂熔”，是钨加工中发展起来的方法。原理是将电流直接通过烧结坯,由于坯料本身的电阻而产生焦耳热,利用这种热使坯料烧结,烧结电流通常为熔断电流的90%。所得坯料为自阻烧结条（又称垂熔条）。可加工成丝材的垂熔条一般标准是晶粒数为每平方毫米约1个，密度为17.8～18.6克/厘米3。对于管材、片材或其他大规格产品, 常采用等静压制(压力在2500公斤力/毫米2以上)成形，在℃的高温下于真空或氢气保护中烧结。
钨合金旋锻
旋锻是生产钨丝坯料和细棒的常用塑性加工方法，不同尺寸的棒材于氢气气氛中加热到℃，在不同型号的旋锻机上进行旋锻。开始道次变形量不宜过大,随后可适当增加变形量。旋锻变形过程中工件和模具间用石墨润滑。加工后的钨棒密度可达18.8～19.2克/厘米3。由于方坯锻成圆坯,各部位变形不同，使组织不均匀,此时应进行再结晶退火。旋锻棒材的最终直径为3毫米左右。
钨合金拉丝
拉丝坯料可用旋锻法生产，也可用轧制法生产；轧制法生产的坯料道次变形量大，组织较均匀，有利于以后的加工。钨丝坯料拉制钨丝是用“温拉丝”方法。首先在链式拉伸机上拉至直径1.3毫米,而后分别经粗拉、中拉和细拉使直径达到 0.2、0.06和小于0.06毫米。随着直径减小，应使加热温度下降、拉丝速度提高。道次变形量一般在10～20%之间。
拉丝采用煤气－空气混合加热，温度为900～400℃。拉粗丝采用硬质合金模，拉细丝则采用金刚石模。模子材质、孔型、研磨技术对丝材质量有很大的影响，石墨润滑剂的质量、粒度、配比、涂敷方法同样影响丝材质量。
丝材直径的不均匀性是使用时断丝的最主要原因之一，有0.2～0.4微米的偏差就会使真空管中钨丝的寿命大大降低。细丝材的直径可以用重量法或真空标准电流法进行测定。在拉丝过程中，随着直径减小，变形抗力增大（如直径0.1～0.3毫米钨丝的断裂强度可高达350公斤力/毫米2），其塑性也相应降低。为了改善再加工性能，一般需要进行消除应力中间退火。此外，可采用电解腐蚀法将丝材加工成直径小于0.01毫米的细丝。
钨合金牌号标准
钨合金牌号标准：
AMS-T-21014
AMS-T-21014
密度(g/cm3)
17.1±0.15
17.25±0.15
17.50±0.15
17.60±0.15
烧结烧结烧结抗拉强度(MPa)
延伸率 (%)
AMS-T-21014
密度 (g/cm3)
18.10±0.15
18.30±0.15
18.50±0.15
抗拉强度 (MPa)
密度 (g/cm3)
极限抗拉强度 (N/mm2)
硬度 (HRC)
Anviloy 115090%W4Mo4Ni2Fe17.2596534Anviloy 4200
93%WNiFeMo
Anviloy 4000
90%WNiFeMo
Anviloy 4100
86%WNiFeMo
Mil-T-21014
Mil-T-21014
密度 (gm/lbs/in3)
17.5;0.632
18.5;0.668
极限抗拉强度 (PSI)
屈服强度, .2% Offset (PSI)
延伸率(% in 1″)
比例弹性限度 (PSI)
ASTM-B-459-67
Type Ⅱ && Ⅲ
Type Ⅱ && Ⅲ
Type Ⅱ && Ⅲ
Type Ⅱ && Ⅲ
Type Ⅱ && Ⅲ
Type Ⅱ && Ⅲ
NAVY MIL-T-21014:钨基零件, 高比重金属 (烧结或热压), 镀层, 电镀铬。
ASTM B 777-99
密度(g/cc)
16.85-17.25
17.15-17.85
17.75-18.35
18.25-18.85
硬度 (HRC) Max
极限抗拉强度
屈服强度 at 0.2% off-set
钨合金其他加工
钨的管材可采用烧结坯料直接挤压，挤压管坯或粉浆挤压烧结管坯还经旋压加工。旋压还可生产钨的异型制品。大直径的棒材多采用挤压或轧制工艺生产。
钨合金切削加工
钨质硬且对缺口敏感,切削加工困难,要求使用硬质合金刀具。为防止产生切削裂纹，常把工件加热到塑性-脆性转变温度以上进行切削,并要严格控制切削操作程序。钨的研磨需要用特定型号的砂轮轻磨，且需要冷却，否则会产生龟裂。厚度在 0.2毫米以上的钨片材进行冲压和剪切前要预先加热，超过一定厚度的板材，不能剪切，往往需要用砂轮切割。
钨合金板材轧制
钨板轧制可分热轧、温轧和冷轧。由于钨的变形抗力大，普通的轧辊不能完全满足钨板材轧制的要求，应使用特种材质的轧辊。轧制时，轧辊要预热，根据不同的轧制条件，预热温度为100～350℃。坯料的相对密度（实际密度与理论密度之比）大于90%时才可加工，坯料密度在92～94%时加工性能良好。热轧的开坯温度在℃之间，开坯的变形工艺参数选择不当，坯料会产生分层。温轧的开始温度为1200℃，厚度为8毫米的热轧板，经温轧可达到0.5毫米。由于钨板变形抗力大，轧制时轧辊辊身弯曲变形，使板材沿宽度方向上厚度不均，换辊或换轧机时，板材可能因各部位变形不均匀而开裂。0.5毫米厚度板材的塑性-脆性转变温度还在室温或室温以上,片材呈脆性,应在200～500℃将片材轧制成0.2毫米。轧制后期，钨片薄而长,为保证板材加热均匀，常涂石墨或二硫化钼，不仅有利于板材的加热，而且加工时还有润滑作用。
钨合金设计
设计钨合金时，(1)为提高钨合金的塑性，必需降低其中氧和碳元素的含量；(2)细化晶粒和热加工也是降低钨合金%BTT的有效方法：(3)考虑到钨合金的综合性能，Re和Mo是最有效的固溶强化元素，但在核辐射环境中应用时，Re元素除外；(4)难熔金属碳化物是最有效的第二相强化颗粒。(5)为实现钨基复合材料的工业化生产，必需降低其制备和加工成本，则原位反应和反应浸渗法是制备钨基复合材料的理想方法
钨合金钨合金电镀
油田设备的“腐蚀”与“磨损”被称为两大世界级难题，全国约2.92万口油井都存在不同程度的腐蚀与磨损，随着我国开发年限和设备使用年限的增长更是每况愈下。另外，高含硫原油进口量大幅增加，炼制设备的腐蚀问题同样日益突出。更加可怕的是，因腐蚀和磨损对设备安全稳定运行带来的不利影响会越来越突出。
在几种主要电镀工艺中，电镀铬工艺耐磨，成本低，但环境污染严重，且不耐氯离子腐蚀；化学镀镍磷工艺耐腐蚀却不耐磨，成本也高；热喷涂工艺各项技术指标均不错，可是生产成本高，很难大范围推广。
据我国知名青年化工专家，博士后，博导教授指出：“对磨损、腐蚀造成零件失效的研究表明，这些失效大都发生在材料表面。利用表面工程的技术手段对材料表面进行处理，改善材料的表面性能，会有效地延长零件使用寿命，因此，表面工程在石油石化工业中具有重要地位。”
“从目前来看，只有钨合金电镀技术性能大幅提高，其硬度与耐磨性和电镀铬相当，但是耐酸耐碱，生产成本低廉，而且可以根据石油井下的具体作业情况配置电镀液，实施相应的电镀工艺，满足其作业要求。现在，同样的环境下，采用钨合金电镀的设备使用寿命高出好几倍。” 何凤姣教授解释说，“钨合金电镀之所以性能如此优越，是因为钨合金电镀后所得的镀层是新的合金材料，镀态为非晶结构，经不同的热处理工艺，可转变为非晶夹 杂纳米晶或纳米晶结构，经国家权威部门检测，该合金具有很好的耐磨性，很好的耐酸、耐碱、耐盐雾性能，以及优异的抗高温氧化性能，与基底材料有很好的结合力。”
钨一举解决腐蚀与磨损两大难题，据统计，我国每年油井管300多万吨，而高技术含量、高附加值的高端油井管，如抗H2S、Cl-防腐油管等几乎完全依靠进口,每年进口油管60万吨，价值300亿元以上。该成果已经取得8项专利许可，获得了国家机械工业科学技术奖一等奖，获得国家重点新产品证书。更让何教授高兴的是，国家环保总局将该技术列为国家重点环境保护实用技术（A类），列为国家鼓励发展的资源节约综合利用和环境保护技术。
钨合金电镀工艺在石油机械行业的应用，不但可以解决电镀铬带来的污染问题，更重要的是可以提高机械制造业各类关键性零部件产品的性能，给整个石 油机械制造业带来了变革，促进了产业链的整体升级，特别是防腐抗硫油井臂和抗硫钻杆可应用于H2S含量大于等于15万PPM，CL-含量达150克/L的 极端腐蚀环境，使我国在该产业上达到国际领先的水平，解决了我国高端钻采设备依赖国外进口设备的现状。
钨合金相关知识
按照用途不同，钨合金分为、、、触头材料、电子和电光源材料。
掺杂钨丝是在钨粉中添加 1%左右的硅、铝和钾的氧化物，在垂熔（自阻烧结）过程中，添加剂氧化钾挥发,在材料内部形成气孔,气孔经加工后沿轴向拉长；退火后,拉长气孔形成弥散的平行于丝轴的气泡行，这种弥散的气泡俗称为钾泡。钾泡阻碍钨晶粒的横向长大，提高钨的高温抗下垂性能，还可改善再结晶后的室温塑性，有利于绕丝和运输贮存。中国掺杂钨丝依高温蠕变值有WAl1、WAl2、WAl3三种牌号。
在W-ThO2系合金中，由于添加适量的热稳定性好的弥散的ThO2质点，不仅可以降低电子逸出功，还可抑制钨晶粒长大，使材料具有很高的再结晶温度、优异的高温强度和抗蠕变性能。不仅是广泛使用的热，而且是优异的电极材料。
中，铼的添加，不仅能提高材料强度,提高合金的再结晶温度约200～400℃，使二次再结晶后塑性好、晶粒长大缓慢，而且可以显著降低塑性－脆性转变温度。添加的铼如超过30%，就会损害合金的加工性能。钨铼合金还具有较高的热电势，在2200℃下，其热电势与温度成直线关系。钨铼热电偶测量温度可高达3000℃，是优异的高温。
我国硬质合金产业存在的主要问题：
一是企业规模较小，产业集中度不高。
二是科技投入较少，缺乏高端技术人才，技术研发能力较弱。我国硬质合金工业在科技方面的投入不到销售收入的3%，科技研发水平不高，原创性核心技术成果较少。
三是产品质量水平较低，产品结构有待调整。我国硬质合金产量占世界总产量的40%以上，但硬质合金销售收入不足全球的20%，主要是由于高性能超细合金、高精度高性能研磨涂层刀片、超硬工具材料、复杂大异制品、精密硬质合金数控刀具等高附加值产品产量较少、深加工配套不足以及品种不全所致。
．万方[引用日期]
本词条认证专家为
副教授审核
上海交通大学
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