鎢的三元合金是以鎢為基體、添加兩種元素構成的材料體系，主要包含四大類別。高密度重合金采用液相燒結工藝，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同作用，顯著提升高溫強度、抗氧化及抗燒蝕性能；硬質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鍵添加劑或直接用于功能部件，以滿足特定物理與高溫性能需求。各類體系通過成分與結構設計，服務于極端環(huán)境及高端工業(yè)領域。
1.高密度鎢基重合金
高密度鎢基重合金屬于鎢合金中產業(yè)化最成熟、應用最廣的一類材料。高密度鎢基重合金通常采用粉末冶金液相燒結工藝來生產，鎢的含量一般控制在90%~97%之間，燒結過程中加入的金屬粘結相，如鎳鐵或者鎳銅，會熔化成液相，幫助材料快速致密，最終獲得較好的綜合力學性能。高密度鎢基重合金最突出的優(yōu)點就是密度高，通常大于17g/cm3，同時具備較高的強度、一定的塑性以及優(yōu)異的輻射屏蔽能力。
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相，對鎢顆粒的潤濕效果較好，能讓合金燒結后基本達到完全致密。鎢鎳鐵體系在保持高密度的同時，實現了強度與延展性的良好平衡，所以廣泛應用于動能穿甲彈的彈芯、航空航天和高端汽車，如賽車發(fā)動機的配重塊里的慣性配重件、陀螺儀轉子，以及核輻射防護的屏蔽部件。
鎢鎳銅體系是用銅來部分或完全代替鐵，它最大的優(yōu)勢在于幾乎沒有磁性。雖然強度和延展性通常比鎢鎳鐵稍差一些，但鎢鎳銅體系的導熱能力更強。憑借其無磁性、高導熱和高密度的綜合特性，鎢鎳銅體系特別適合用于那些對磁場干擾敏感的場合，比如精密儀器儀表的平衡件、高檔機械表里的自動擺陀，以及醫(yī)療影像設備用的輻射屏蔽部件。
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于動態(tài)強度、硬度和抗燒蝕要求特別苛刻的領域，例如新一代的高性能穿甲彈，或者一些熱作模具上的關鍵部件。
2.超高溫與抗燒蝕材料
超高溫抗燒蝕材料的設計，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、硅等添加元素。它的一個關鍵抗燒蝕機制是利用鉻的氧化物揮發(fā)來實現“主動冷卻”。在高溫下，鉻會優(yōu)先氧化生成氣態(tài)三氧化鉻并迅速揮發(fā)，從而帶走大量熱量。同時，鈦、鋯或硅的加入，能幫助材料形成更致密、穩(wěn)定的保護性氧化膜，比如氧化鉻或二氧化硅，進一步提高材料的抗氧化能力。該體系多用來做抗燒蝕涂層或整體部件，適用于固體火箭發(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。這類材料主要應用于未來航空航天的高溫結構件，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變溫度并提升塑性，這一現象常被稱為“錸效應”。另外，超細碳化鉿顆粒彌散分布在基體里，能有效釘扎晶界，抑制高溫下晶粒長大和位錯運動，從而大幅提高再結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計，常用于新一代大推力火箭發(fā)動機噴管、核聚變反應堆的關鍵部件，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.硬質合金體系
在硬質合金領域，為了解決一些特定的加工難題，常在經典的碳化鎢-鈷二元體系中引入第三種碳化物，構成三元體系。
碳化鎢-碳化鈦-鈷是一種常見的硬質合金體系，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，并特別提升了抵抗月牙洼磨損的能力，這讓它特別適合用于高速切削那些容易產生長切屑的鋼材，所以常用來做鋼件車削和銑削的數控刀片。
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，材料的抗熱沖擊和抗塑性變形能力也得到改善。這類硬質合金多應用于高速切削、干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鍵成分加入其他合金中，或者直接用來制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，這一現象被稱為“錸效應”，它可以大幅降低材料的韌脆轉變溫度并提高其高溫強度。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。這類合金常用于制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，用于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，雖然制備時采用的是合金化工藝，但它的微觀結構更接近復合材料。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扎晶界、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晶溫度，常常能超過2000℃，并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于高性能照明燈絲、等離子噴涂與切割電極、電火花加工電極，以及半導體制造設備中的加熱器和隔熱屏等部件。
特種功能鎢合金特性與應用對比
