鎢的三元合金是以鎢為基體、添加兩種元素構(gòu)成的材料體系，主要包含四大類別。高密度重合金採用液相燒結(jié)工藝，兼具高密度與良好韌性；超高溫合金通過固溶與彌散強化協(xié)同作用，顯著提升高溫強度、抗氧化及抗燒蝕性能；硬質(zhì)合金體系通過引入碳化物，有效改善材料的紅硬性與耐磨性；特種功能材料則作為關(guān)鍵添加劑或直接用於功能部件，以滿足特定物理與高溫性能需求。各類體系通過成分與結(jié)構(gòu)設(shè)計，服務(wù)於極端環(huán)境及高端工業(yè)領(lǐng)域。
1.高密度鎢基重合金
高密度鎢基重合金屬於鎢合金中產(chǎn)業(yè)化最成熟、應(yīng)用最廣的一類材料。高密度鎢基重合金通常採用粉末冶金液相燒結(jié)工藝來生產(chǎn)，鎢的含量一般控制在90%~97%之間，燒結(jié)過程中加入的金屬粘結(jié)相，如鎳鐵或者鎳銅，會熔化成液相，幫助材料快速緻密，最終獲得較好的綜合力學(xué)性能。高密度鎢基重合金最突出的優(yōu)點就是密度高，通常大於17g/cm3，同時具備較高的強度、一定的塑性以及優(yōu)異的輻射遮罩能力。
其中，鎢鎳鐵體系是高密度鎢基重合金中最常見的一種配方。鎳和鐵會形成固溶體作為粘結(jié)相，對鎢顆粒的潤濕效果較好，能讓合金燒結(jié)後基本達到完全緻密。鎢鎳鐵體系在保持高密度的同時，實現(xiàn)了強度與延展性的良好平衡，所以廣泛應(yīng)用於動能穿甲彈的彈芯、航空航太和高端汽車，如賽車發(fā)動機的配重塊裡的慣性配重件、陀螺儀轉(zhuǎn)子，以及核輻射防護的遮罩部件。
鎢鎳銅體系是用銅來部分或完全代替鐵，它最大的優(yōu)勢在於幾乎沒有磁性。雖然強度和延展性通常比鎢鎳鐵稍差一些，但鎢鎳銅體系的導(dǎo)熱能力更強。憑藉其無磁性、高導(dǎo)熱和高密度的綜合特性，鎢鎳銅體系特別適合用於那些對磁場干擾敏感的場合，比如精密儀器儀錶的平衡件、高檔機械表裡的自動擺陀，以及醫(yī)療影像設(shè)備用的輻射遮罩部件。
鈷的熔點高，且能起到固溶強化的作用，鎢鎳鈷體系通過添加鈷來提高粘結(jié)相的強度和硬度，改善合金的高溫性能。不過鈷的價格較高，所以鎢鎳鈷體系多用於動態(tài)強度、硬度和抗燒蝕要求特別苛刻的領(lǐng)域，例如新一代的高性能穿甲彈，或者一些熱作模具上的關(guān)鍵部件。
2.超高溫與抗燒蝕材料
超高溫抗燒蝕材料的設(shè)計，主要是為了讓材料在極端高溫和強氧化環(huán)境下還能保持穩(wěn)定的性能，通常以提高鎢基體的抗燒蝕能力、高溫強度及抗氧化性為核心方向。
一種常見的超高溫與抗燒蝕材料體系是鎢-鉻-X，其中的X可以是鈦、鋯、矽等添加元素。它的一個關(guān)鍵抗燒蝕機制是利用鉻的氧化物揮發(fā)來實現(xiàn)“主動冷卻”。在高溫下，鉻會優(yōu)先氧化生成氣態(tài)三氧化鉻並迅速揮發(fā)，從而帶走大量熱量。同時，鈦、鋯或矽的加入，能幫助材料形成更緻密、穩(wěn)定的保護性氧化膜，比如氧化鉻或二氧化矽，進一步提高材料的抗氧化能力。該體系多用來做抗燒蝕塗層或整體部件，適用於固體火箭發(fā)動機噴管喉襯、燃氣舵等直接面對高溫氣流沖刷的部位。
另一種是鎢-鉭-X體系，X為鉬、鈮、鉿等元素，通過將鎢與鉭、鉬、鈮、鉿這些高熔點金屬進行合金化，綜合發(fā)揮各元素的優(yōu)勢，從而具備極高的高溫強度、良好的抗蠕變性能以及更優(yōu)的韌性。這類材料主要應(yīng)用于未來航空航太的高溫結(jié)構(gòu)件，比如火箭發(fā)動機耐高溫部件，以及核聚變裝置中面向等離子體的第一壁材料。
除了上述的兩種體系外，還有鎢-錸-碳化鉿體系，該體系結(jié)合了固溶強化與彌散強化兩種機制，錸的加入可顯著降低鎢的韌脆轉(zhuǎn)變溫度並提升塑性，這一現(xiàn)象常被稱為“錸效應(yīng)”。另外，超細碳化鉿顆粒彌散分佈在基體裡，能有效釘紮晶界，抑制高溫下晶粒長大和位錯運動，從而大幅提高再結(jié)晶溫度和高溫抗蠕變強度。鎢-錸-碳化鉿體系專門針對極端工況設(shè)計，常用於新一代大推力火箭發(fā)動機噴管、核聚變反應(yīng)堆的關(guān)鍵部件，以及高超音速飛行器的前緣部件。
超高溫抗燒蝕鎢合金對比表
3.硬質(zhì)合金體系
在硬質(zhì)合金領(lǐng)域，為了解決一些特定的加工難題，常在經(jīng)典的碳化鎢-鈷二元體系中引入第三種碳化物，構(gòu)成三元體系。
碳化鎢-碳化鈦-鈷是一種常見的硬質(zhì)合金體系，該體系通過加入碳化鈦形成固溶體，顯著增強了材料的抗氧化性，並特別提升了抵抗月牙窪磨損的能力，這讓它特別適合用於高速切削那些容易產(chǎn)生長切屑的鋼材，所以常用來做鋼件車削和銑削的數(shù)控刀片。
另一種常見的體系是碳化鎢-碳化鉭（碳化鈮）-鈷體系，主要通過添加碳化鉭或碳化鈮來細化碳化鎢晶粒，從而提高合金在高溫下的硬度，也就是紅硬性，材料的抗熱衝擊和抗塑性變形能力也得到改善。這類硬質(zhì)合金多應(yīng)用於高速切削、幹式切削以及對高溫合金、鈦合金等難加工材料的切削刀具。
4.合金化添加劑與特種功能材料
鎢的合金化添加劑與特種功能材料通常作為關(guān)鍵成分加入其他合金中，或者直接用來製造在極端條件下工作的功能部件。比較具有代表性的鎢的合金化添加劑與特種功能材料有以下兩類。
一類是鎢鉬錸和鎢鉬鉭合金。在這類合金中，添加錸能顯著改善鎢和鉬的塑性，這一現(xiàn)象被稱為“錸效應(yīng)”，它可以大幅降低材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度並提高其高溫強度。而添加鉭的作用，則主要是通過固溶強化的方式，來提高材料在高溫下的穩(wěn)定性。這類合金常用於製造特殊場合下的熱電偶，例如W-5Re/W-26Re配對，電子發(fā)射源，也作為重要的微合金化添加劑，用於提升鎳基或鈷基高溫合金的性能。
另一類是彌散強化型鎢合金，雖然製備時採用的是合金化工藝，但它的微觀結(jié)構(gòu)更接近複合材料。其原理是在鎢基體中均勻引入納米或亞微米級別的高穩(wěn)定性第二相顆粒，如碳化鉿、氧化鑭、氧化鈰或氧化釔，這些細小的顆粒能有效釘紮晶界、阻礙位錯運動，從而強烈抑制材料在高溫下的軟化與變形，這使彌散強化型鎢合金獲得極高的再結(jié)晶溫度，常常能超過2000℃，並擁有出色的抗高溫蠕變能力。早期使用的氧化釷因其放射性已被上述稀土氧化物全面取代。彌散強化型鎢合金如今廣泛用於高性能照明燈絲、等離子噴塗與切割電極、電火花加工電極，以及半導(dǎo)體製造設(shè)備中的加熱器和隔熱屏等部件。
特種功能鎢合金特性與應(yīng)用對比
