权利要求
1.一种钨合金丝材的制备方法，其特征在于，包括：
S1、按照配方称取原料，得到混合原材料;
S2、将得到的混合原材料通过熔炼工艺将原料炼成成分均匀的钨合金铸锭/块体;
S3、钨合金坯料进行多道次旋锻和拉拔加工，得到钨合金丝材。
2.根据权利要求1所述的一种钨合金丝材的制备方法，其特征在于，S1中所述的原料按质量百分比计，包括Re0～5%、Ru0～5%以及余量为W，所述原材料包括颗粒、块体或片，用于后续电子束成形的原料为粒径范围为45-75μm的金属粉末经球磨混合而成的合金粉末。
3.根据权利要求1所述的一种钨合金丝材的制备方法，其特征在于，S2中所述的熔炼工艺包括电弧熔炼或电子束熔融，所述电弧熔炼或电子束熔融开始成形前，将设备抽至真空状态，真空度低于10-3Pa时充入氩气或氦气从而使环境气压达到0.09-0.11Pa。
4.根据权利要求3所述的一种钨合金丝材的制备方法，其特征在于，所述电弧熔炼具体步骤为：
S2.1.1，将Re颗粒、Ru颗粒/片及W块体与钛球置于电弧熔炼炉中;
S2.1.2，电弧熔炼或电子束开始成形前，将设备抽至真空状态;
S2.1.3，点燃电弧对钛球吸氧处理后，移动电弧至原料上方熔炼，翻转铸锭重复熔炼至成分均匀。
5.根据权利要求3所述的一种钨合金丝材的制备方法，其特征在于，所述电子束熔融具体步骤为：
S2.2.1，将Re粉、Ru粉、W粉球磨混合;
S2.2.2，将混合后的钨合金粉末烘干放入电子束设备的供粉仓，与纯钨基板一同送至电子束设备的加工平台上，同时将设备抽至真空状态;
S2.2.3，对基板进行预热，使基板的温度达到1200～1300℃以上，分层进行，电子束开始成形;
S2.2.4，将供粉仓中的钨合金粉末均匀地铺设在基板上，同时对钨合金粉末进行前预热-实体熔化-后保温得到沉积层再下降一个切片分层高度，重复操作直至得到电子束成形的钨合金块体。
6.根据权利要求5所述的一种钨合金丝材的制备方法，其特征在于，钨合金粉末的铺设在基板厚度为40-60μm;前预热的电流为40-50mA，电子束枪扫描速度为10-20m/s，扫描时间为30-40s;实体熔化的电流为25-35mA，电子束枪扫描速度为0.30-0.40m/s;后保温的电流为30-40mA，电子束枪扫描速度为10-15m/s，扫描时间为20-40s。
7.根据权利要求1所述的一种钨合金丝材的制备方法，其特征在于，S3具体包括：
S3.1，旋锻加工：将熔炼后的钨合金铸锭/块体在1100-1600℃温度区间进行旋锻，得到钨合金棒材;
S3.2，深冷处理：将旋锻后的棒材水冷后浸入液氮处理15-60分钟;
S3.3，退火处理：在650-700℃退火20-30分钟，水冷至室温;
S3.4，拉丝：对退火后的棒材进行拉丝，得到钨合金丝材，钨合金丝材的直径为25-100μm。
8.一种钨合金丝材，适用于权利要求1-7任一项所述的一种钨合金丝材的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，包括Re0～5%、Ru0～5%以及余量为W，所述的原材料包括颗粒、块体或片，用于后续电子束成形的原料为平均粒径在55μm左右的金属粉末经球磨混合而成的合金粉末。
9.一种如权利要求1-7任意一项所述的一种钨合金丝材的制备方法制备的一种钨合金丝材的应用，其特征在于，所述的钨合金丝材用于
光伏硅片的切割。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及
新材料和先进制造技术领域，具体为一种钨合金线材、制备方法与应用。
背景技术
[0002]钨合金主要以钨为基体，具有高熔点和高强度等优异性能，因此，钨合金可用于光伏、半导体信息、LED等行业中单晶硅和
多晶硅等硬脆材料的切割。
[0003]但是现有钨合金细丝主要包括现有钨合金细丝由于其具有高硬度，导致其在加工过程中变得复杂，加工极其困难，导致难以实现跨越性的量产;同时常规钨丝的抗拉强度难以超过4000MPa，与目前广泛使用的高碳钢线相比没有形成明显的优势，会导致使用过程中成本大幅增加。
[0004]此外现有钨合金细丝相对较脆，容易受到外力的影响发生断裂，在
半导体材料蓝宝石、
碳化硅、硅片和磁性材料等的切割过程中，如果受到不当的处理或外力冲击，可能会导致钨合金细丝断裂，从而严重影响产品良品率的提升。
[0005]因此，亟需提供一种钨合金细丝及其制备方法，以解决现有钨合金细丝强度低且延展性差的问题进而满足在高硬度材料切割的大量应用。
发明内容
[0006]有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于，提出了一种钨合金线材、制备方法与应用，以解决现有技术中钨合金细丝加工复杂和钨合金细丝容易在加工时产生断裂的问题。
[0007]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种钨合金线材制备方法包括：
[0008]S1、按照配方称取原料，得到混合原材料;
[0009]S2、将得到的混合原材料通过熔炼工艺将原料炼成成分均匀的钨合金铸锭/块体;
[0010]S3、钨合金坯料进行多道次旋锻和拉拔加工，得到钨合金丝材。
[0011]作为优选的，S1中所述的原料按质量百分比计，包括Re0～5%、Ru0～5%以及余量为W，所述原材料包括颗粒、块体或片，用于后续电子束成形的原料为平均粒径为45-55μm的金属粉末经球磨混合而成的合金粉末。
[0012]作为优选的，S2中所述的熔炼工艺包括电弧熔炼或电子束熔融(EBM)，所述电弧熔炼或电子束开始成形前，将设备抽至真空状态，真空度低于10-3Pa时充入氩气或氦气从而使环境气压达到0.09-0.11Pa。
[0013]作为优选的，所述电弧熔炼具体步骤为：
[0014]S2.1.1，将Re颗粒、Ru颗粒/片及W块体与钛球置于电弧熔炼炉中;
[0015]S2.1.2，电弧熔炼或电子束开始成形前，将设备抽至真空状态;
[0016]S2.1.3，点燃电弧对钛球吸氧处理后，移动电弧至原料上方熔炼，翻转铸锭重复熔炼至成分均匀。
[0017]作为优选的，所述电子束熔融(EBM)具体步骤为：
[0018]S2.2.1，将Re粉、Ru粉、W粉球磨混合;
[0019]S2.2.2，将混合后的钨合金粉末烘干放入电子束设备的供粉仓，与纯钨基板一同送至电子束设备的加工平台上，同时将设备抽至真空状态;
[0020]S2.2.3，对基板进行预热，使基板的温度达到1200～1300℃以上，分层进行，电子束开始成形;
[0021]S2.2.4，将供粉仓中的钨合金粉末均匀地铺设在基板上，同时对钨合金粉末进行前预热-实体熔化-后保温得到沉积层再下降一个切片分层高度，重复操作直至得到电子束成形的钨合金块体。
[0022]作为优选的，钨合金粉末的铺设在基板厚度为40-60μm;前预热的电流为40-50mA，电子束枪扫描速度为10-20m/s，扫描时间为30-40s;实体熔化的电流为25-35mA，电子束枪扫描速度为0.30-0.40m/s;后保温的电流为30-40mA，电子束枪扫描速度为10-15m/s，扫描时间为20-40s。
[0023]作为优选的，S3具体包括：
[0024]S3.1，旋锻加工：将熔炼后的钨合金铸锭/块体在1100-1600℃温度区间进行旋锻，得到钨合金棒材;
[0025]S3.2，深冷处理：将旋锻后的棒材水冷后浸入液氮处理15-60分钟;
[0026]S3.3，退火处理：在650-700℃退火20-30分钟，水冷至室温;
[0027]S3.4，拉丝：对退火后的棒材进行拉丝，得到钨合金丝材，钨合金丝材的直径为25-100μm。
[0028]一种钨合金丝材，按质量百分比计，包括Re0～5%、Ru0～5%以及余量为W，所述的原材料包括颗粒、块体或片，用于后续电子束成形的原料为平均粒径在55μm左右的金属粉末经球磨混合而成的合金粉末。
[0029]一种钨合金丝材的制备方法制备的一种钨合金丝材的应用，所述的钨合金丝材用于光伏硅片的切割。
[0030]与现有技术相比，本发明提供的一种钨合金线材、制备方法与应用，具备以下有益效果：
[0031]本方案利用电弧熔炼和电子束成形工艺对高熔点难熔元素成形性好等特点，不仅可以高精度控制钨合金成分，大幅提升钨合金质量，进而提高丝材生产效率和产品质量，同时本发明所使用工艺最大优势在于减少了传统
粉末冶金工艺对原材料纯度和粒径的超高要求，同时显著提升钨合金丝材性能;本发明方法所得钨合金丝材具有更高的强度和韧性，由于本发明制备方法工艺简单、制备成本低廉，适合工业化生产，有望进一步降低高性能钨合金丝材的价格，进而能广泛使用在高硬度材料切割领域，综上本发明具体优势如下：
[0032](1)成分精准控制：电弧熔炼实现高熔点元素(如钨)的均匀熔融，电子束成形技术通过高能束流精确调控合金成分，避免传统工艺的偏析问题，成分偏差可控制在±0.5%以内。
[0033](2)性能显著提升：所得丝材抗拉强度提升20%-30%，延伸率提高15%以上，适用于高负荷切割场景。微观组织致密性优于粉末冶金产品，缺陷率降低至0.1%以下，深冷处理能显著降低材料晶粒从而提升材料性能。
[0034](3)成本与工业化优势：本发明制备方法工艺简单、制备成本低廉，适合工业化生产，有望进一步降低高性能钨合金丝材的价格，进而能广泛使用在高硬度材料切割领域。
附图说明
[0035]图1为本发明一种钨合金丝材的制备方法流程示意图;
[0036]图2为实施例1中所得的钨合金的微观组织结构示意图;
[0037]图3为实施例2中所得的钨合金的微观组织结构示意图;
[0038]图4为实施例3中所得的钨合金的微观组织结构示意图;
[0039]图5为实施例4中所得的钨合金的微观组织结构示意图。
具体实施方式
[0040]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0042]实施例1;
[0043]为解决技术方案中所提到的问题，本申请实施例提供了一种钨合金线材、制备方法与应用，其中，一种钨合金丝材，按质量百分比计，包括以下组分：Re3%、Ru2%、以及余量为W，其制备方法，包括以下步骤：
[0044]S1、按照上述成分配比称量Re(颗粒，直径2mm、长6mm)、Ru(颗粒，直径2mm、长6mm)和W(不规则块体)，得到混合原材料;
[0045]S2、将原材料和钛球放置在电弧熔炼炉中，关闭炉膛抽真空充氩气反复3次及以上;点燃电弧对钛球进行吸氧处理，然后缓慢将电弧移动到原材料上方，调大电流熔炼原材料，翻转铸锭重新熔炼直至获取成分均匀的钨合金铸锭;
[0046]S3、对钨合金铸锭从1400℃开始进行旋锻直至1200℃结束得到钨合金棒材，水冷后放在液氮处理30分钟，再在650℃退火30分钟水冷至室温，对退火钨合金棒材进行拉丝，得到钨合金丝材。
[0047]对实施例1得到的钨合金棒材进行线切割取样、粗磨、细磨、抛光、去离子水超声清洗和干燥处理，用扫描电镜进行微观组织结构扫描，结果如图2所示;用万能试验机对实施例1得到的钨合金丝材进行拉伸性能实验测定，结果见表1。
[0048]由图2结果可知，实施例1所得到的钨合金晶粒比较均匀，无异常大颗粒。
[0049]实施例2;
[0050]一种钨合金丝材，按质量百分比计，包括以下组分：Re 4%、Ru 1%、以及余量为W。其制备方法，包括以下步骤：
[0051]S1、按照上述成分配比称量Re(颗粒，直径2mm、长6mm)、Ru(片)和W(不规则块体)，得到混合原材料;
[0052]S2、将原材料和钛球放置在电弧熔炼炉中，关闭炉膛抽真空充氩气反复3次及以上;点燃电弧对钛球进行吸氧处理，然后缓慢将电弧移动到原材料上方，调大电流熔炼原材料，翻转铸锭重新熔炼直至获取成分均匀的钨合金铸锭;
[0053]S3、对钨合金铸锭从1500℃开始进行旋锻直至1100℃结束得到钨合金棒材，水冷后放在液氮处理30分钟，再在700℃退火20分钟水冷至室温，对退火钨合金棒材进行拉丝，得到钨合金丝材。
[0054]对实施例2得到的钨合金棒材进行线切割取样、粗磨、细磨、抛光、去离子水超声清洗和干燥处理，用扫描电镜进行微观组织结构扫描，结果如图3所示;用万能试验机对实施例2得到的钨合金丝材进行拉伸性能实验测定，结果见表1。
[0055]由图3结果可知，实施例2所得到的钨合金晶粒比较均匀，无异常大颗粒。
[0056]实施例3;
[0057]一种钨合金丝材，按质量百分比计，包括以下组分：Re 2.5%、Ru 2.5%、以及余量为W。其制备方法，包括以下步骤：
[0058]S1、按照上述成分配比称量Re(250目)、Ru粉(250目)和W粉(250目)，将各粉末在球磨机球磨混料，得到混合粉末;
[0059]S2、将球磨混合的钨合金粉末烘干后放入电子束设备的供粉仓，与纯钨基板一同送至电子束设备的加工平台上;将设备抽至真空状态，真空度低于10-3Pa时充入氦气从而使环境气压达到0.1Pa;对基板进行预热，使基板的温度达到1250℃，电子束开始成形;将供粉仓中的钨合金粉末均匀地铺设在基板上，钨合金粉末的铺设厚度为60μm，同时对钨合金粉末进行前预热-实体熔化-后保温得到沉积层再下降一个切片分层高度，前预热的电流为50mA，电子束枪扫描速度为10m/s，扫描时间为40s，实体熔化的电流为35mA，电子束枪扫描速度为0.30m/s，后保温的电流为40mA，电子束枪扫描速度为10m/s，扫描时间为40s;重复操作直至得到电子束成形的钨合金块体;
[0060]S3、对钨合金块体从1600℃开始进行旋锻直至1200℃结束得到钨合金棒材，水冷后放在液氮处理30分钟，再在700℃退火20分钟水冷至室温，对退火钨合金棒材进行拉丝，得到钨合金丝材。
[0061]对实施例3得到的钨合金棒材进行线切割取样、粗磨、细磨、抛光、去离子水超声清洗和干燥处理，用扫描电镜进行微观组织结构扫描，结果如图4所示;用万能试验机对实施例3得到的钨合金丝材进行拉伸性能实验测定，结果见表1。
[0062]由图4结果可知，实施例3所得到的钨合金晶粒比较均匀，无异常大颗粒。
[0063]实施例4;
[0064]一种钨合金丝材，按质量百分比计，包括以下组分：Re4.5%、Ru0.5%、以及余量为W。其制备方法，包括以下步骤：
[0065]S1、按照上述成分配比称量Re(270目)、Ru粉(270目)和W粉(270目)，将各粉末在球磨机球磨混料，得到混合粉末;
[0066]S2、将球磨混合的钨合金粉末烘干后放入电子束设备的供粉仓，与纯钨基板一同送至电子束设备的加工平台上;将设备抽至真空状态，真空度低于10-3Pa时充入氦气从而使环境气压达到0.1Pa;对基板进行预热，使基板的温度达到1200℃，电子束开始成形;将供粉仓中的钨合金粉末均匀地铺设在基板上，钨合金粉末的铺设厚度为40μm，同时对钨合金粉末进行前预热-实体熔化-后保温得到沉积层再下降一个切片分层高度，前预热的电流为40mA，电子束枪扫描速度为20m/s，扫描时间为30s，实体熔化的电流为25mA，电子束枪扫描速度为0.40m/s，后保温的电流为30mA，电子束枪扫描速度为15m/s，扫描时间为20s;重复操作直至得到电子束成形的钨合金块体;
[0067]S3、对钨合金块体从1550℃开始进行旋锻直至1300℃结束得到钨合金棒材，水冷后放在液氮处理30分钟，再在650℃退火30分钟水冷至室温，对退火钨合金棒材进行拉丝，得到钨合金丝材。
[0068]对实施例4得到的钨合金棒材进行线切割取样、粗磨、细磨、抛光、去离子水超声清洗和干燥处理，用扫描电镜进行微观组织结构扫描，结果如图5所示;用万能试验机对实施例4得到的钨合金丝材进行拉伸性能实验测定，结果见表1。
[0069]由图5结果可知，实施例4所得到的钨合金晶粒比较均匀，无异常大颗粒。
[0070]表1为实施例1～4的钨合金丝材的拉伸性能测试结果
[0071]
实施例丝材直径/μm抗拉强度/MPa丝材直径/μm抗拉强度/MPa实施例1405300±150604650±150实施例2405150±150604550±100实施例3405200±200604580±180实施例4405100±200604500±200
[0072]本发明实施例1～4制备的钨合金丝材具有较高的抗拉强度作为高性能丝材在
超硬材料切割工程中具有非常广阔的应用前景，综上所述由于直径较小的金属丝材在旋锻过程中内部晶粒结构会更加均匀地细化，从而冷却后不会形成内应力集中，所述直径越小内部晶粒结构越均匀其抗拉强度相对越高。
[0073]本方案相对于传统材料性能如下表所示：
[0074]表2为与传统钨丝制备直径下的性能指标对照表;
[0075]
性能指标本发明(40μm丝)传统钨丝(40μm)提升效果抗拉强度5100-5300MPa3500-4200MPa↑21%-51%强度稳定性误差±150-200MPa误差>300MPa波动范围缩小40%细丝加工性60μm丝强度>4500MPa同规格强度<3800MPa↑18%以上
[0076]综上所述：本发明实施例1～4制备的钨合金丝材具有较高的抗拉强度作为高性能丝材，本发明丝材的超高强度(>5100MPa)与极佳直径-强度匹配性(如60μm丝仍保持>4500MPa)，特别适用于金刚石线锯、晶圆切割等高端场景，解决切割崩边、断线率高的问题。在超硬材料切割工程中具有非常广阔的应用前景。
[0077]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0078]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
说明书附图(5)
声明：
“钨合金线材、制备方法与应用” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：广东省科学院新材料研究所
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