本发明属于钨合金制备领域，具体涉及一种高强钨-钽-铼合金及其制备方法与应用。
背景技术：
1、钨(w)因其高密度、高强度、高硬度、优良导电及导热性等特点而被广泛应用于现代工业、国防事业及高科技领域。科技的发展对钨的强度和韧性都提出了更高的要求。
2、改善钨合金性能的方式有以下几种，固溶强化、弥散强化、第二相强化。钽元素与铼元素的添加可以通过固溶强化的方式有效提升钨合金的性能。铼固溶后转变了原有位错核的极性与对称性结构有效降低了启动塑性变形所必须的临界应力值；钽与钨一样同属于体心立方(bcc)结构，可以和钨无限固溶，钨钽固溶体中形成的有序相可以提高改变钨的对称核结构，增加位错的可动性，提高钨颗粒的性能。同时钽的添加可以降低钨在粘结相中的溶解度，起到细晶强化的作用。
3、与固溶钨基材料相关的研究大多集中于传统的二元合金，例如，w-re体系中re合金化在降低纯w脆性上具有明显效果。然而，单一的溶质元素使性能的提升受限。专利cn117026051a中设计了一种钨钽铼镍铁合金，所述钨钽铼镍铁合金由钨、铼、钽、镍、铁构成，所述钨钽铼镍铁合金中，按质量比计，(钨+铼)：钽：镍：铁＝87.3：2.7：7：3，其中钨与铼的质量比为93～97:1～3。其所产品主要涉及了提升产品的抗拉强度和延伸率，但并未涉及到抗压性能。专利cn109680173a涉及一种钨钽铼难熔合金的制备方法，其是以钨粉、钽粉、铼粉、无水乙醇为原材料，分别经过原料球磨处理、脱氧处理、激光烧结、二次烧结、试样后处理等步骤制得。上述钨粉、钽粉、铼粉质量比为95:3:2。该专利也未涉及到产品的抗压性能。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的不足。本发明的第一个目的在于提供一种三元体系的高强钨-钽-铼合金，该合金通过在钨粉中添加适量的铼粉和钽粉，大大提高钨合金的韧性的同时避免了抗压强度的下降，同时通过平衡铼和坦元素的用量，使得该合金可以实现固溶元素对钨的理想强化行为。
2、本发明的第二个目的是在于提供一种高强钨-钽-铼合金的制备方法，该方法使用sps的方式实现合金的制备，具有工艺流程简单、生产周期短等优点，适合于工业化生产。
3、本发明的第三个目的在于提供高强钨-钽-铼合金的应用，将其作为原料应用于辐射屏蔽、配重以及大口径动能穿透器的陀螺外缘转子体中，可以大大延长其使用寿命。
4、本发明一种高强钨-钽-铼合金，所述合金包括钨、钽和铼；钨、钽、铼的质量比为105～181:15～60:5～25。
5、作为优选，钨、钽、铼的质量比为108～160:17～55:8～20。
6、作为进一步优选，钨、钽、铼的质量比为110～155:18～54:8～20。
7、作为更进一步优选，钨、钽、铼的质量比为125～130:34～38:17～19。
8、本发明一种高强钨-钽-铼合金的制备方法，该方法是将按设定组分配取的钨粉、铼粉和钽粉混合均匀，获得混合粉，将混合粉压制成型获得压坯后sps烧结，即得。
9、本发明制备方法的关键是在于既加入的适量铼提高了的螺位错迁移率，降低派纳力，提高了合金韧性，又加入了可以与钨实现无限固溶的钽，钨钽固溶体中形成的有序相可以提高改变钨的对称核结构，提高钨颗粒的强度。同时，大量钽的添加可以降低钨在基体相中的溶解度，阻碍钨颗粒溶解析出过程，使钨颗粒细化，起到细晶强化作用。且探索发现，钨粉、钽粉与铼粉的用量需要严格控制在本发明范围才能够实现钽对钨的固溶强化；添加过多的钽粉对总体的强度没有正面影响，在烧结过程中，钽的氧化会生成五氧化二钽颗粒，造成合金脆性断裂；钨不能与铼无限固溶，添加过多的铼会使合金的固溶稳定性下降。ta主要对固溶体产生强化、硬化效应，合金的强度与硬度随其含量的提升而提高；铼则相反表现出韧化作用，合金的塑性变形能力随其含量的提升而提高，经优化后所得合金的压缩强度超过3gpa，压缩应变量大于45％。ta与re合金化改善了基体晶界结合状态，材料的失效模式由晶间脆断转变为穿晶解理断裂。
10、探索发现，在真空手套箱中进行前期的称料工作可以有效减少混料过程中钨与钽的氧化，提高合金的组织均匀性。
11、作为一种优选的方案，所述钨粉为球形粉末，平均粒径为3～5μm，纯度≧99.8％；所述钽粉为球形粉末，平均粒径为3～10μm，纯度≧99.9％；所述铼粉为球形粉末，平均粒径为3～10μm，纯度≧99.9％。本发明所使用的原料均为球形粉末，这是因为球形粉末在同等质量下拥有最高的比表面积，可以提供最高的烧结活性，提高增加元素之间的扩散能力。
12、作为一种优选的方案，所述混合在三维混料机中进行，混合的时间为12～14h。通过三维混料机混合可获得混合均匀的钨钽铼粉末。
13、混料后，混合均匀的钨钽铼粉末中，氧的质量百分含量小于等于500ppm。
14、作为一种优选的方案，所述压制成型的方式为冷等静压成型。本发明通过采用冷等静压成型获得可靠的致密压坯。
15、作为一种优选的方案，所述冷等静压成型的过程为：以15～20mpa/min的速率将冷等静压压力逐渐增至150～200mpa，保持压力10～15min，随后以10～15mpa/min的速率进行降压，如将压力降至0mpa。本发明技术方案中，若冷等静压的压力值过低时粉末不能成型，而压力值过高时会在内部产生裂纹。
16、作为一种优选的方案，所述烧结时的真空度≦10-3pa；由于钽容易氧化，在w-ta-re合金烧结过程需要严格控制真空度以避免烧结过程中的氧化。
17、作为一种优选的方案，所述烧结过程为：以90～120℃/min的升温速率升温至900～1100℃，保温5～10min，然后以100～130℃/min的升温速率升温至1800～2000℃，保温10～15min温，之后随炉冷却，烧结过程中压力为30～60mpa。本发明的技术方案通过先将合金粉末升温至900～1100℃，使得粉末之间进行一个初步的固相扩散，另一方面可以稳定炉内温度。进一步的提高烧结温度至1800～2000℃，可以快速实现胚体的固相烧结。
18、本发明还提供了一种由上述制备方法得到的高强w-ta-re合金。该钨钽铼合金由钽元素与铼元素共同固溶强化，无金属间化合物生成，所述合金基体的粒径≦16μm。
19、优选的方案，所述钨钽铼合金的压缩强度大于等于2.3gpa(优化后可以大于等于2.5gpa、进一步优化后了大于等于3.0gpa)，压缩应变量大于45％。
20、本发明还提供了一种高强w-ta-re合金的应用，将其作为原料应用于辐射屏蔽、配重以及大口径动能穿透器的陀螺外缘转子体，不仅可以大大提高其使用寿命，而且大幅拓宽了钽合金的应用范围。
21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22、1)本发明的合金体系，使用适量铼提高了合金韧性，使用适量钽提高了合金强度。两种固溶元素复合添加后，合金的强度与硬度将随ta含量的提升而提高；而合金的塑性变形能力则随着re含量的提升而增强。在两者协同作用下烧结体表现出良好的强韧性。本发明设计的合金可以制备得到3gpa以上的强度的钨钽铼合金。
23、2)本发明通过使用三维混料机加入固溶元素钽并通过冷等降压成型；所设计的合金体系成功实现了钽铼元素对钨合金的固溶强化。本发明通过使用sps烧结工艺实现钨合金烧结的快速致密化，快速的烧结过程有利于细化晶粒，本所得成品的粒径小且范围窄，在进一步优选的范围内，可以达到2～16μm。
24、3)本发明提供的高强w-ta-re合金可用于辐射屏蔽、配重以及大口径动能穿透器、陀螺外缘转子体等，大幅拓宽了钽合金的应用。