鎢的三相合金通過引入第三相提升性能，主要包括五種類型。彌散強化型添加納米陶瓷顆粒釘扎位錯，提高高溫強度和抗輻照能力；粘結(jié)相強化型調(diào)整鎳鐵粘結(jié)相，引入硬質(zhì)相增強耐磨性，用于切削工具；功能復合型引入銅/銀等功能相，形成導電/導熱網(wǎng)絡，用于電觸頭和熱沉；晶界工程型添加活性元素凈化并強化晶界，改善韌性和抗氧化性；原位自生型通過內(nèi)部反應生成細小增強相，界面潔凈，適用于火箭發(fā)動機等極端高溫部件。這些合金拓展了鎢在高溫、耐磨及功能集成領域的應用。
一、鎢的彌散強化型三相合金
鎢的彌散強化型三相合金，是在傳統(tǒng)兩相鎢合金的基礎上發(fā)展起來的一類材料。它通過在原有的合金體系中引入高穩(wěn)定性的納米級或亞微米級陶瓷顆粒作為第三相，借助彌散強化的機制來改善材料的高溫力學性能以及抗輻照能力。
目前研究中常采用的第三相顆粒包括氧化釔、氧化鑭、碳化鋯等，這些顆粒在材料中起到釘扎位錯和晶界的作用，能有效延緩或抑制高溫環(huán)境下的組織演變，由此帶來的性能改善包括再結(jié)晶溫度的提高、高溫強度的增強、抗蠕變能力的提升以及抗輻照性能的優(yōu)化。這類合金的典型應用包括作為聚變堆面向等離子體部件的候選材料，以及火箭發(fā)動機中需要承受高溫的部件。
二、鎢的高性能粘結(jié)相強化型三相合金
鎢的高性能粘結(jié)相強化型三相合金，是在傳統(tǒng)鎢合金的基礎上，通過對鎳鐵或鎳銅粘結(jié)相進行成分調(diào)整或替換而形成的一類材料。其設計思路是在粘結(jié)相中引入高體積分數(shù)的金屬間化合物或陶瓷硬質(zhì)相作為增強組元，從而提升材料的整體強度和耐磨性能。需要注意的是，由于大量硬質(zhì)相的加入會導致燒結(jié)時粘結(jié)相的流動性下降，這類材料通常需借助熱壓或熱等靜壓等特殊工藝來實現(xiàn)致密化。
當前研究中采用的強化相主要包含兩種類型。一類是金屬間化合物粘結(jié)相，例如鋁化鎳或鈦化鎳，這類化合物憑借其長程有序的晶體結(jié)構(gòu)，能夠提供比傳統(tǒng)粘結(jié)相更高的強度與硬度，同時具備較好的高溫穩(wěn)定性。另一類是陶瓷硬質(zhì)相，如碳化鈦、碳化鉭或碳化鎢，這些相通常彌散分布在粘結(jié)相中，或與粘結(jié)相形成復合結(jié)構(gòu)，利用其高硬度和高彈性模量來增強材料抵抗磨損的能力。
這些強化相在材料中起到的主要作用是在磨損過程中承擔外部載荷，阻礙磨粒的壓入和基體的塑性變形。與此同時，硬質(zhì)相的存在也能夠釘扎位錯，進一步提高材料的硬度和耐磨性，這使得合金具備了較高的硬度和良好的耐磨能力，但另一方面，由于強化相的引入，材料的韌性通常會有所下降。在實際應用中，鎢的高性能粘結(jié)相強化型三相合金主要被用于對耐磨性要求較高的場景，例如高性能切削工具、礦山用鉆頭以及其他需要長期承受磨損的部件。
三、鎢的功能特性復合型三相合金
鎢的功能特性復合型三相合金的設計出發(fā)點，是在保持原有結(jié)構(gòu)性能的基礎上，進一步賦予材料某些特定的功能特性。這類材料通過向鎢基體中引入具有特定功能的第三組元，形成了具備特殊物理性能的復合體系。
第三組元的選擇主要取決于所需要的功能方向。其中一種常見做法是加入導電或?qū)嵝阅茌^好的金屬，例如銅或銀，這些金屬在燒結(jié)完成后會在鎢骨架的間隙中形成連續(xù)的網(wǎng)絡相，構(gòu)成獨立且連續(xù)的第三相，為電子和熱量的傳輸提供低阻通道。另一種常見的改性思路是添加能夠固溶進鎢晶格的元素，例如鉭或錸，這類合金化元素的主要作用是降低鎢的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，在此基礎上進一步復合導電相，如銅/銀，則可構(gòu)建出兼具固溶強化效果與特殊物理性能的復雜三相體系。
從組織結(jié)構(gòu)來看，鎢的功能特性復合型三相合金呈現(xiàn)出鎢作為連續(xù)骨架、功能相填充其中的互穿網(wǎng)絡形態(tài)，這種結(jié)構(gòu)多見于液相燒結(jié)的鎢銅/銀合金。鎢骨架主要承擔載荷并維持耐高溫特性，而導電相則負責電信號或熱流的有效傳導，同時，固溶于鎢晶格中的元素通過引起晶格畸變，實現(xiàn)對基體的強化和韌化，緩解鎢本身的脆性問題。
由此帶來的性能變化主要表現(xiàn)在以下幾個方面，在保留鎢高熔點和高強度特點的同時，材料獲得了較高的導電和導熱能力，電接觸性能較好，能夠適應頻繁開合的使用條件，低溫韌性也比常規(guī)鎢合金有所改善。
鎢的功能特性復合型三相合金目前的主要應用領域包括需要同時具備良好導電性和抗電弧燒蝕性能的場合，例如大功率電氣觸頭，在核反應堆中也用作熱沉材料，依靠其較高的熱導率實現(xiàn)熱量的快速導出。
四、鎢的晶界工程型三相合金
鎢的晶界工程型三相合金主要是通過微量添加表面活性元素來優(yōu)化晶界狀態(tài)，從而從材料內(nèi)部改善鎢合金的脆性問題。盡管添加量極少，但這些活性元素，如釔、鑭，在燒結(jié)過程中傾向于在晶界偏聚，并與雜質(zhì)反應原位生成納米級的高熔點化合物顆粒，如氧化釔、氧化鑭，這些納米顆粒構(gòu)成了彌散分布的第三相，同時起到了凈化晶界與釘扎晶界的雙重作用。
通過這樣的晶界凈化和強化，合金的性能得到多方面的改善。其低溫韌性有所提高，抗氧化能力得到增強，抗蠕變性能也有一定提升。
在實際應用中，鎢的晶界工程型三相合金主要應用于對高溫強度、抗氧化性和一定韌性有綜合要求的場合，例如高溫結(jié)構(gòu)部件、抗氧化涂層的基體材料，以及一些對低溫性能或長期穩(wěn)定性要求較高的精密儀器零件。
五、鎢的原位自生增強型三相合金
鎢的原位自生增強型三相合金，其主要特點是增強相不是從外部直接加入的，而是通過材料制備過程中合金內(nèi)部發(fā)生的化學反應，在鎢基體中原位生成。這種方式與傳統(tǒng)直接添加增強顆粒的方法存在明顯區(qū)別。
這類合金中常見的第三相是在鎢基體中原位形成的碳化物或硼化物，例如碳化鈦、碳化鉿等。這些增強相通過化學反應直接在基體內(nèi)部形核并長大，所以與鎢基體之間的界面比較潔凈，結(jié)合強度較高，也基本避免了外加增強相時容易出現(xiàn)的界面污染或相容性問題。同時，這種原位生成的方式使增強相的尺寸通常更細小，在基體中的分布也更加均勻。
從性能上看，原位生成的增強相有助于材料達到較高的致密度，同時帶來較好的高溫強度和抗燒蝕性能。這類合金目前主要考慮用于對高溫性能和抗熱沖擊要求較高的場合，例如火箭發(fā)動機噴管、航空航天發(fā)動機熱端部件，以及一些在高溫條件下工作的模具。
鎢的三相合金的分類對比
