精密钨合金零件制造工艺

发布时间:

2025-11-18

1 序言
钨合金作为一种以钨为主要成分（钨含量通常占85%～99%），并添加镍、铁、铜、钴、钼和铬等元素的合金材料，凭借其极高的密度（16.5~19.0g/cm3）、高熔点以及优异的机械强度等特性，在核工业、军工和医疗等多个高科技领域发挥着不可或缺的作用[1]。在医疗领域，钨合金用于制造放射治疗设备的关键部件，凭借其高密度特性精准阻挡和塑形射线，是制作准直器及辐射屏蔽的主要材料[2]。这些优异性能也给钨合金的加工制造带来了诸多难题，本文旨在系统且深入地探讨钨合金零件的毛坯制备工艺及常用的加工方法，为其精密制造提供有价值的参考。
2 钨合金零件毛坯的制备工艺
2.1 粉末冶金技术
钨合金因其高密度、高熔点和高硬度的特点，故难以采用常规合金的冶炼制备工艺进行制造。粉末冶金作为传统且应用广泛的钨合金毛坯制备方法，其关键工序如图1所示，包括钨粉制备、混料、成形与烧结[3]。在钨粉制备环节，为保证钨粉纯度，常采用氢还原法、钨酸氨还原法等工艺。同时，钨粉的含氧量、粒度及形状对合金的最终性能和质量影响重大，必须严格控制。含氧量过高会降低合金性能，粒度和形状则会影响后续混料和成形工序的效果。比如，粒度均匀的钨粉有助于在混料时与其他金属粉末更均匀地混合，确保合金成分的一致性。混料过程中，需确保各类金属粉末颗粒的大小均匀、比例准确，常采用机械搅拌、球磨等方法进行精确混料。成形方式则包括冷等静压压制、模压压制、粉末挤压成形及粉末注射成形等，这些方式能够制备出形状复杂的零件。

烧结环节是确保钨合金达到所需致密度、强度等性能的关键。两步烧结法[4]被广泛采用：预烧阶段通常将温度控制在1000～1200℃,在此温度范围内，铜、铁等低熔点金属会达到液态，与周围钨粉末颗粒发生固相扩散，使钨合金粉末颗粒位置固定、填充均匀，实现毛坯定形。紧接着是高温烧结阶段，粉末颗粒之间发生固相及液相反应，最终形成致密的钨合金结构。烧结温度和时间的控制对产品性能起着决定性作用，若烧结时间过长，则钨晶体尺寸会增大，影响合金的致密性和整体性能；若温度过高，则会导致铜、铁等低熔点金属挥发，降低合金的致密性和机械强度。烧结温度一般控制在1400℃左右，且预烧和高温烧结通常在真空或惰性气体环境下进行，以减少氧化及低熔点合金挥发。
一种常见的工艺方案是：先将成形的钨粉坯在氢气气氛中，以1200℃预烧1h，使其具备一定的强度和导电性，随后进行通电自阻烧结，利用坯料自身电阻产生的热量，进一步促进坯料烧结。
2.2 增材制造工艺
传统的粉末冶金方法只能制备形状较为规则的毛坯，对于结构复杂、尤其是具有复杂腔体的钨合金零件，毛坯成形后还需要经历复杂的加工才能最终满足零件要求。对于复杂封闭内部型腔，目前没有有效的加工成形手段，这也限制了钨合金零件的设计。增材制造技术为钨合金零件的设计制造提供了新的解决方案，常用的金属增材制造技术有选择性激光熔化（SLM）成形、激光立体成形（LSF）、电弧增材制造（WAAM）、粉末床选区激光熔化（L-PBF）和激光定向能量沉积（L-DED）等[5，6]。不同增材制造工艺制造钨合金零件的优缺点比较见表1。SLM能够制造复杂几何形状的零件，但存在表面粗糙、层间残余应力大及零件尺寸受限等问题，适合小型零件制造；LSF可获得细小、均匀和致密的组织，提升材料的力学性能和耐蚀性，但工艺参数不匹配时，易在沉积层出现熔合不良的缺陷；WAAM适用于大型化、整体化航天结构件的制造，成形速率高、致密度高，然而成形件表面质量较差。采用增材制造技术制造的典型钨合金零件如图2所示。与传统粉末冶金方法相比，增材制造在复杂结构钨合金零件制造方面优势明显。它不仅能制备复杂结构和腔体的零件，满足特殊设计需求，而且可实现材料的逐层堆积，提高材料利用率，降低成本[7]。

2.3 工艺比较及选择
粉末冶金和增材制造是目前钨合金零件毛坯制造的两种主要方式，在钨合金毛坯的制备方面各有优劣。钨合金毛坯制备工艺的比较见表2，粉末冶金工艺相对更加成熟，获取的材质致密性更优，在稳定的批量生产上有优势；增材制造是近几年发展起来的新工艺，并衍生了多种不同的工艺路线，在具有复杂型腔的结构件制造上有优势。
表2
为了追求更高的综合性能，航空航天、国防军工、核工业、医疗装备和电子等尖端领域的钨合金零件在结构特征上趋于复杂化，具有薄壁、曲面和多孔等复杂结构特征，传统的粉末冶金方法难以胜任。直接使用增材制造来生产相对密度高且无缺陷的纯钨合金零件仍然面临一些技术挑战。“3D打印+粉末冶金”相结合的金属间接3D打印技术——粉末挤出打印（PEP），采用钨合金粉体适配黏结剂，通过3D打印设备制备成形，再经过粉末冶金的脱脂烧结工艺进行后处理，从而最终获得致密度高、性能优异的结构件。该技术为解决钨合金机械加工及复杂结构生产难等问题提供了全新的解决方案，其低温成形、高温成性的特性，很好地解决了其他3D打印钨合金过程中极易出现的变形、裂纹和孔洞等问题。
3 钨合金零件的切削加工
钨合金的高密度特性导致切削过程中刀具承受巨大的切削力，要求刀具材料具有高硬度和耐磨性，同时刀具设计也需要充分考虑切削力的分布和平衡。钨合金的高硬度（通常＞40HRC）导致切削过程中刀具的磨损速度显著加快，影响加工精度和刀具寿命。刀具寿命和加工效率成为切削加工中需要重点考虑的因素。钨合金热导率相对较低，切削过程中产生的热量难以迅速传递散发，切削刃在高温下工作，容易产生热应力，导致刀具变形和磨损加剧[8]。钨合金切屑呈颗粒状，使排屑变得困难，容易在切削区域堆积，形成切屑瘤，影响加工表面质量，还可能对刀具和机床造成损坏。钨合金零件切削刀具及工艺参数比较见表3。在工程实践中，PCBN刀具是最佳选择之一，切削加工的典型钨合金零件如图3所示。

4 钨合金零件的磨削加工
磨削作为一种微刃切削方式，适合钨合金这类高硬度材料的加工。砂轮磨削如图4所示，砂轮主要由磨粒、气孔和黏结剂按特定比例组成，其磨粒具有钝角特征，通常角度范围在90°~120°。在钨合金的磨削过程中，产生的磨削物呈颗粒状，由于其黏度和韧性相对较低，切屑相对容易排除，不易堵塞砂轮的气孔[9]，因此，在磨削钨合金时，可以采用具有较大气孔的砂轮，以提高磨削效率和加工质量。在磨削区域，磨削热量易积累，可能导致磨削烧伤现象。为了有效应对这一问题，需要采用高压大流量的强制冷却措施，及时带走磨削过程中产生的热量，减少磨削区域的热变形和热应力。通常，选用水基乳化液作为切削液，以确保冷却效果达到最佳状态。钨合金零件磨削工艺参数选择见表4。

纯钨或钨镍铜合金零件的磁性低，对于薄壁零件，难以用传统的电磁吸盘进行可靠固定，可以考虑采用真空吸附夹具[10]进行装夹。钨合金零件真空吸附定位夹具如图5所示。

5 钨合金零件的线切割加工
钨合金熔点高、硬度大，可采用涂层刀具、PVD刀具和陶瓷刀具等高硬度刀具加工，但刀具磨损量大，对孔隙、窄缝和异形孔等特征用上述传统刀具难以加工。电火花线切割加工属于特种加工，其基本原理是利用连续移动的细金属电极丝（通常为铜丝或钼丝）与工件之间产生脉冲性的火花放电，产生的温度通常高达8000～12000℃,足以熔化甚至气化钨合金表层材料，从而实现对工件的切割。电极丝和工件相对运动，使整个切割过程能够在工件表面上形成所需的形状。利用线切割在钨合金毛坯上加工异形孔如图6所示。采用线切割加工钨合金零件，高温作用导致钨合金切割表面晶相变化，产生的变质层损失了钨合金特有的性能，在加工时采用割一修三的方法，逐次减小切割量及脉冲电源参数，对变质层进行修复。

6 结束语
本文对精密钨合金零件的毛坯制备、常用加工手段及其加工难点进行了研究和总结。在毛坯制备方面，粉末冶金工艺相对更加成熟，获取的材质致密性更优，在稳定的批量生产上更有优势；增材制造是近几年发展起来的新工艺，并衍生了多种不同的工艺路线，在具有复杂型腔的结构件制造上有优势。在切削加工方面，PCBN刀具有优势，可以获得高的刀具寿命，降低刀具磨损对加工精度的影响；磨削技术在规则表面的加工方面有优势，可以获得更高的表面质量；对于孔槽特征，线切割加工可以获得高的加工效率。上述毛坯制备工艺以及切削、磨削和线切割加工方法，能够有效提升精密钨合金零件的制造质量和生产效率，为相关产业发展提供技术支持。
参考文献：专题策划：小型结构件精密加工技术与装备；精密钨合金零件制造工艺-郭召
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