稀土元素Ce对Mo-5%Re合金板性能的影响

杨秦莉，刘仁智，安 耿，庄 飞，王 娜，崔玉青

(金堆城钼业股份有限公司，陕西 西安 710077)

0 引 言

难熔金属钼具有高熔点、高硬度、低热膨胀系数以及良好的导热、导电和较好的高温强度，使其在电子工业、宇航工业、能源工业等领域有着很广泛的用途。但钼为体心立方结构金属，其加工性能差，并具有常温脆性、再结晶温度低等缺点，因此限制了其应用拓展[1]。通常加入一些元素，如La、Y、Ce、Si、Al、K、Re等来改善金属钼的脆性及加工性能。其中, 具有密排六方结构的元素Re在过渡金属中具有良好的溶解度，这些特性在钼铼合金中显示出了较大的优势。钼中加入一定量的铼元素，可以大幅度地降低钼合金的塑脆转变温度，使得钼铼合金具有良好的常温性能，同时又可提高钼合金的再结晶温度，提升钼合金的高温性能[2-3]。此外，钼铼合金的焊接性能、抗辐射特性以及热电特性等都表现优异。目前，国内外开发的钼铼合金中Re含量基本都控制在2%～50%，主要研究表明Mo-(40%～50%)Re合金以及添加了稀土元素的钼合金具有良好的综合力学性能[3]。但因铼价格昂贵，从而限制了钼铼合金的更广泛推广与应用。近年来，低铼钼合金的研究备受关注，并取得了一定的研究工作进展。本文基于前期研究开展的稀土氧化物对钼合金性能提升的工作基础，针对钼铼合金的板坯应用目标，深入分析稀土元素Ce对钼铼合金板坯性能的影响，以期提升钼铼合金的强韧性，探索Ce元素在钼合金中的重要作用。

1 试验材料制备及分析方法

采用固-固掺杂工艺，加入纯度为99.9%、质量分数为5.0%的Re粉制备出Mo-Re合金粉末，再采用纳米喷雾掺杂工艺，将质量分数为0.9%的纳米氧化物CeO2与Mo混合制备出MoO2-Ce合金粉，然后经过氢气还原、固-固掺杂工艺再得到Mo-Re-Ce合金粉，其中Re含量为5.0%，Ce含量为0.9%。最后，将纯Mo粉、Mo-Re合金粉和Mo-Re-Ce合金粉分别压制、中频氢气烧结后制备出35 mm厚的钼合金板坯。 再经轧制到1 mm厚、碱洗、退火、线切割得到拉伸试样，试样宽度为10 mm，标距长度为30 mm。采用扫描电镜分析烧结断口形貌，并用能谱仪分析断口的微区化学成分。

2 结果与讨论

2.1 不同钼合金板的烧结性能

纯Mo、Mo-Re合金和Mo-Re-Ce合金3种钼板经中频烧结后得到烧结坯，烧结坯的相对密度、硬度见表1，断口形貌见图1。

表1 不同钼合金烧结板的物理指标

图1 烧结钼及钼合金板的断口SEM

由表1可知：Mo-Re-Ce的相对密度最大，硬度也最高。而Mo-Re合金烧结板坯的硬度最低。结合图1 分析发现：Mo-Re-Ce合金烧结板坯的晶粒比纯Mo和Mo-Re合金烧结板坯的晶粒细小、烧结孔也较少，更致密，这也是Mo-Re-Ce合金烧结坯相对密度和硬度最高的原因。而Mo-Re合金板坯的硬度最低，可能低铼含量下的Mo-Re合金的微观机制和合金强化机理与高铼的“铼效应”不同所致[4]。

为了研究Mo-Re合金、Mo-Re-Ce合金中合金元素的存在形式及分布，对钼合金的烧结坯断口进行了EDS面和线扫描分析，结果见图2 。由图2可知：Mo-Re合金中存在Mo、Re、O元素(图2a)，未见明显的颗粒(图2c)，Re元素可能存在于晶粒内部，细化了纯钼的晶粒；而 Mo-Re-Ce合金含有Mo、Re、Ce、O元素，断口可见明显的球形颗粒(见图2d)，能谱分析为Mo、Ce、O元素，说明球形颗粒为CeO2。这些大量细小的CeO2颗粒弥散分布在晶内和晶界上，减缓了钼合金烧结过程中的晶粒长大速度，这对钼合金来讲有优良的强韧化效果。

图2 不同钼合金能谱分析

2.2 钼合金板力学性能分析

将纯Mo板、Mo-Re合金板、Mo-Re-Ce合金板在850、900和950 ℃温度下退火40 min，而后测试的力学性能见图3。

从图3可以看出:Mo-Re-Ce合金板的抗拉强度、延伸率分别都高于Mo-Re合金板和纯钼，Mo-Re合金板的抗拉强度次之，但延伸率最低。说明Re对纯钼有强化作用，而Ce对钼铼合金有显著的强韧化作用。分析原因：Re元素固溶入钼的晶格，溶质原子和溶剂原子的半径差造成晶格弹性畸变，与位错之间产生的弹性交互作用，这对滑移面上运动的位错有阻碍作用，这种对位错的钉扎作用改善了材料的强度[5]；弥散分布的纳米颗粒CeO2不仅细化了钼合金的组织，同时强化了钼合金的性能，产生了显著的强韧化作用。这些效果归功于CeO2颗粒与钼基体的共格关系，使得CeO2弥散强韧化效果明显[6]。

图3 不同钼合金板的力学性能

3 结 论

(1)添加低含量(质量分数5.0%)Re元素对纯钼也有明显的细晶强化效果，研究表明Re可以细化纯钼板的晶粒，提高钼板的强度。

(2)弥散分布的CeO2纳米颗粒对Mo-Re合金的强韧化效果更明显。研究表明弥散分布的纳米CeO2颗粒不仅细化了Mo-Re合金的晶粒组织，而且对Mo-Re合金有显著的强韧化作用。