权利要求
1.一种基于原子级金属粉体的钨
镍铁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将原子级金属粉体置于氢气气氛炉中进行物料还原;
S2、在惰性气体手套箱中将钨、镍、铁粉末按照相应的比例进行称取，放入声共振混合仪中进行物料初混;
S3、再加入等体积乙醇进行冰水浴超声混合，获得预混合样品;
S4、将预混样品再投入密封球磨罐，在球磨机上进行球磨，获得混合样品;
S5、取出混合样品后，再经过低温干燥投入冷等静压机模具之中，密封后放入冷等静压设备进行压制，获得坯料;
S6、将坯料投入氢气气氛炉中，先进行真空排气以及氩气置换，再通入H2/Ar混合气体或氢气，逐步提高氢气掺杂比例，再逐渐降低,同时，温度随时间梯度变化，进行烧结;
S7、在S6中，当温度降至合适温度时，将块材抽出气氛炉，放入水或液氮中，快速退火，获得粗坯料，即钨
镍铁合金。
2.根据权利要求1所述的一种基于原子级金属粉体的钨镍铁合金的制备方法，其特征在于：所述S1中原子级金属粉体的单个颗粒的直径尺寸<5nm，单个粉体颗粒的原子数小于1000。
3.根据权利要求2所述的一种基于原子级金属粉体的钨镍铁合金的制备方法，其特征在于：所述S1中还原温度为600~1200℃，还原时间为10~60min。
4.根据权利要求3所述的一种基于原子级金属粉体的钨镍铁合金的制备方法，其特征在于：所述S2中原子级金属粉体中的钨粉末占比在90%以上，镍粉与铁粉的比例为9：1或7：3。
5.根据权利要求4所述的一种基于原子级金属粉体的钨镍铁合金的制备方法，其特征在于：所述S2中声共振混合仪的加速度为10~80G，频率为10~60HZ，时间为3~30min。
6.根据权利要求5所述的一种基于原子级金属粉体的钨镍铁合金的制备方法，其特征在于：所述S4中球磨机的转速为100~200r/min,时间为6~24h。
7.根据权利要求6所述的一种基于原子级金属粉体的钨镍铁合金的制备方法，其特征在于：所述S5中冷等静压设备的压强为140~500MPa，压制时间为3~30min。
8.根据权利要求7所述的一种基于原子级金属粉体的钨镍铁合金的制备方法，其特征在于：所述S6中氢气气氛炉中的氢气占比在5~100%，温度变化范围为800~1600℃，烧结时间为6~18h。
9.根据权利要求8所述的制备方法制得的钨镍铁合金。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于粉体冶金技术领域，具体涉及一种基于原子级金属粉体的钨镍铁合金及其制备方法。
背景技术
[0002]军用装甲技术从单一的均质钢装甲逐步被多元化防护体系所取代，复合装甲、陶瓷装甲、爆炸反应装甲、贫铀装甲及模块化高性能防护体系的相继问世，使得装甲防护效能呈现指数级提升。这种技术突破导致传统动能弹药的毁伤效能面临系统性挑战，亟需通过提升侵彻能力和毁伤威力以重建攻防平衡。当前，穿甲弹技术发展在侵彻机理研究、复合动能毁伤技术、弹体材料优化与动态响应等关键领域存在技术瓶颈，特别是在毁伤单元协同效应等方面亟待理论突破和技术创新;
高质量的长穿透弹芯(CJD)材料不仅是一个国家材料技术发展的重要标志，其研制水平也直接关系到我国武器装备效能和实战获胜能力。当前国际上用于CJD弹芯的主流材料主要包括贫铀合金，钨合金(WHA)以及非晶/钨合金
复合材料。贫铀材料在实战与试验中展现出极强的穿透能力。例如，美国M829A3贫铀CJD，其“自锐化”行为与燃烧后产生的高温小颗粒有助于维持穿芯尖锐形貌并增强毁伤，但与此同时，贫铀着靶或燃烧后所产生的化学毒性与放射性残留，引发了长期的环境与健康担忧，并成为军事伦理与后勤处置的重要争议点。非晶/钨合金材料表现出良好的侵彻自锐特性，但其制备工艺复杂，可规模化制备困难与塑性不足限制了其工程化应用。相比之下，钨合金因其高密度与优良的动能穿透特性，一直是国际开发非放射性CJD首选方向。然而，随着装甲防护能力的不断提高，现役钨合金在高速侵彻过程中表现出的热塑料化、蘑菇化的钝化变形，这会扩大弹孔直径、增加侵彻阻力，从而在某些装甲构型前降低穿透效率，难以满足现在战场对侵彻深度与毁伤稳定性的双重要求。因此，开发兼具“高侵彻自锐性”与“高强韧性”的新型钨基弹芯材料，是当前亟需解决的关键问题。
[0003]在此背景下，材料学界开始关注能否通过微观结构设计来改变钨基材料的动态失效模式，从而实现向“自锐化”行为的转变。一是通过晶粒细化与界面工程来改变材料在高应变率、强剪应力条件下的能量耗散与局部加热响应。已有研究表明，当钨重合金的晶粒尺寸从传统的数十微米级细化到超细晶或纳米晶尺度时，材料的动态塑性行为会发生根本性改变——局部绝热剪切与动态剪切带更易形成，材料在高应变率加载下可能出现不稳定的剪切局部化，从而表现出类似贫铀的“自锐化”效应。基于这些微观~宏观的研究，使得细晶化或纳米化的钨基体系成为替代贫铀的潜在候选方向，并在国际上受到越来越多的关注与试验验证。
[0004]推动这一研究方向的另一个技术条件是纳米级粉体制备与
粉末冶金工艺的发展，纳米粉末因其高表面积与活性，在烧结致密化过程中可在较低温度下促进扩散、抑制晶粒长大并显著细化最终晶粒尺度;同时，通过合理的粉末级配与界面设计，纳米粉可改善第二相分布并有助于在微观尺度实现强度—韧性的更优匹配。
[0005]综上所述，亟需一种以原子级金属粉体为基础，通过粉末冶金方式合成W~Ni~Fe合金，通过微观组织调控系统提升材料的强度、韧性与致密化水平，以满足新一代弹药系统对性能与可靠性的严苛要求;该方向不仅为穿甲弹材料的性能升级奠定材料学基础，也对实现更高穿透效率与弹芯稳定性具有重要意义。
发明内容
[0006]本发明所要解决的技术问题是解决当前工艺技术中“高侵彻自锐性”、“高强度”以及“高韧性”难以同时兼顾的缺陷，提供一种基于原子级金属粉体的高性能钨镍铁合金的制备方案，从而获得同时兼备延伸性、抗拉强度、抗压强度、自锐性的高性能钨镍铁合金材料，该材料可以用于制备具备高穿深性能的穿甲弹。
[0007]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于原子级金属粉体的钨镍铁合金的制备方法，
包括以下步骤：
S1、将原子级金属粉体(包含但不局限于钨、镍、铁等粉体)置于氢气气氛炉中进行物料还原;
S2、在惰性气体手套箱中将钨、镍、铁(W、Ni、Fe)粉末按照相应的比例进行称取，放入声共振混合仪中进行物料初混;
S3、再加入等体积乙醇进行冰水浴超声混合(功率600~1200W，时间10~90min)，获得预混合样品;
S4、将预混样品再投入密封球磨罐，在球磨机上进行球磨，获得混合样品;
S5、取出混合样品后，再经过低温干燥投入冷等静压机模具之中，密封后放入冷等静压设备进行压制，获得坯料;
S6、将坯料投入氢气气氛炉中，先进行真空排气以及氩气置换，再通入H2/Ar混合气体或氢气，逐步提高氢气掺杂比例，逐渐提高浓度保证金属材料不会被氧化，再逐渐降低(直至比例为0，实现氢的零残留，完全避免出现氢脆现象),同时，温度随时间梯度变化，进行烧结，(在氢气烧结工序中，烧结温度需要控制温度低于1450℃，由于原子级金属粉具有熔点降低的特性，可以在更低的温度下实现Ni/Fe相的熔融，同时较低的温度还能更好的抑制钨晶粒的长大);
S7、在S6中，当温度降至合适温度(300~1100℃)时，将块材抽出气氛炉，放入水或液氮中，快速退火，获得粗坯料，即钨镍铁合金。
[0008]优选的，所述S1中原子级金属粉体的单个颗粒的直径尺寸<5nm，单个粉体颗粒的原子数小于1000(原子级金属粉体具有宏观尺寸，粉体的熔点低于其对应的宏观金属材料的熔点，有助于抑制晶粒成长)。
[0009]优选的，所述S1中还原温度为600~1200℃，还原时间为10~60min。
[0010]优选的，所述S2中原子级金属粉体中的钨粉末占比在90%以上，镍粉与铁粉的比例为9：1或7：3，原子级金属粉体(钨/镍)占比在1~100%。
[0011]优选的，所述S2中声共振混合仪的加速度为10~80G，频率为10~60HZ，时间为3~30min。
[0012]优选的，所述S4中球磨机的转速为100~200r/min,时间为6~24h。
[0013]优选的，所述S5中冷等静压设备的压强为140~500MPa，压制时间为3~30min。
[0014]优选的，所述S6中氢气气氛炉中的氢气占比在5~100%，温度变化范围为800~1600℃，烧结时间为6~18h。
[0015]优选的，所述的根据上述的制备方法制得的钨镍铁合金。
[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明解决了当前工艺技术中“高侵彻自锐性”、“高强度”以及“高韧性”难以同时兼顾的缺陷，提供一种基于原子级金属粉体的高性能钨镍铁合金的制备方案，从而获得同时兼备延伸性、抗拉强度、抗压强度、自锐性的高性能钨镍铁合金材料，该材料能够用于制备具备高穿深性能的穿甲弹。
附图说明
[0017]图1为本发明实施例钨镍铁合金的致密度、硬度及抗压强度对比图。
具体实施方式
[0018]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、完整地描述，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。
[0019]实施实例1：
S1：将原子级金属粉体(包含但不局限于钨、镍、铁等粉体)置于氢气气氛炉中，还原温度为800℃，还原时间为30min，获得还原后的非氧化原料;
S2:在惰性气体手套箱中将钨：镍：铁(W：Ni：Fe)粉末按照90：7：3的比例进行称取，放入声共振混合仪中，进行物料初混;
S3：再加入等体积乙醇进行冰水浴超声混合(超声功率1200W，10min)，获得预混合样品;
S4：将预混样品再投入密封球磨罐，在球磨机上进行球磨(球磨转速为240rpm，球磨时间24h);
S5：取出混合样品后，经过低温干燥投入冷等静压机模具之中，密封后放入冷等静压设备(高压500MPa，保压1min)，获得坯料;
S6：将坯料投入氢气气氛炉中，先进行真空排气以及氩气置换。后以100ml/min的速度通入H2/Ar混合气，以时间(60min~120min~180min~210min)为阶段，梯度提高氢气掺杂比例再逐渐降低(0%~10%~20%~100%~20%~10%~0%),同时，温度随时间梯度变化(30℃~800℃~1300℃~1500℃~1100℃);
S7：在S6中，当温度降至1000℃时，将块材抽出气氛炉，放入水中，快速退火，获得粗坯料，即钨镍铁合金。
[0020]实施实例2：
S1：将原子级金属粉体(包含但不局限于钨、镍、铁等粉体)置于氢气气氛炉中，还原温度为800℃，还原时间为30min，获得还原后的非氧化原料;
S2在惰性气体手套箱中将钨：镍：铁(W：Ni：Fe)粉末按照90：7：3的比例进行称取，放入声共振混合仪中，进行物料初混，其中原子级金属粉体占比为0.5%;
S3：再加入等体积乙醇进行冰水浴超声混合(超声功率1200W，10min)，获得预混合样品;
S4：将预混样品再投入密封球磨罐，在球磨机上进行球磨(球磨转速为240rpm，球磨时间24h);
S5：取出混合样品后，经过低温干燥投入冷等静压机模具之中，密封后放入冷等静压设备(高压500MPa，保压1min)，获得坯料;
S6：将坯料投入氢气气氛炉中，先进行真空排气以及氩气置换。后以100ml/min的速度通入H2/Ar混合气，以时间(60min~120min~180min~210min)为阶段，梯度提高氢气掺杂比例再逐渐降低(0%~10%~20%~100%~20%~10%~0%),同时，温度随时间梯度变化(30℃~800℃~1300℃~1500℃~1100℃);
S7：在S6中，当温度降至1000℃时，将块材抽出气氛炉，放入水中，快速退火，获得粗坯料，即钨镍铁合金。
[0021]实施实例3：
S1：将原子级金属粉体(包含但不局限于钨、镍、铁等粉体)置于氢气气氛炉中，还原温度为800℃，还原时间为30min，获得还原后的非氧化原料;
S2在惰性气体手套箱中将钨：镍：铁(W：Ni：Fe)粉末按照90：7：3的比例进行称取，放入声共振混合仪中，进行物料初混，其中原子级金属粉体占比为1%;
S3：再加入等体积乙醇进行冰水浴超声混合(超声功率1200W，10min)，获得预混合样品;
S4：将预混样品再投入密封球磨罐，在球磨机上进行球磨(球磨转速为240rpm，球磨时间24h);
S5：取出混合样品后，经过低温干燥投入冷等静压机模具之中，密封后放入冷等静压设备(高压500MPa，保压1min)，获得坯料;
S6：将坯料投入氢气气氛炉中，先进行真空排气以及氩气置换。后以100ml/min的速度通入H2/Ar混合气，以时间(60min~120min~180min~210min)为阶段，梯度提高氢气掺杂比例再逐渐降低(0%~10%~20%~100%~20%~10%~0%),同时，温度随时间梯度变化(30℃~800℃~1300℃~1500℃~1100℃);
S7：在S6中，当温度降至1000℃时，将块材抽出气氛炉，放入水中，快速退火，获得粗坯料，即钨镍铁合金。
[0022]实施实例4：
S1：将原子级金属粉体(包含但不局限于钨、镍、铁等粉体)置于氢气气氛炉中，还原温度为800℃，还原时间为30min，获得还原后的非氧化原料;
S2在惰性气体手套箱中将钨：镍：铁(W：Ni：Fe)粉末按照90：7：3的比例进行称取，放入声共振混合仪中，进行物料初混，其中原子级金属粉体占比为2%;
S3：再加入等体积乙醇进行冰水浴超声混合(超声功率1200W，10min)，获得预混合样品;
S4：将预混样品再投入密封球磨罐，在球磨机上进行球磨(球磨转速为240rpm，球磨时间24h);
S5：取出混合样品后，经过低温干燥投入冷等静压机模具之中，密封后放入冷等静压设备(高压500MPa，保压1min)，获得坯料;
S6：将坯料投入氢气气氛炉中，先进行真空排气以及氩气置换。后以100ml/min的速度通入H2/Ar混合气，以时间(60min~120min~180min~210min)为阶段，梯度提高氢气掺杂比例再逐渐降低(0%~10%~20%~100%~20%~10%~0%),同时，温度随时间梯度变化(30℃~800℃~1300℃~1500℃~1000℃);
S7：在S6中，当温度降至1000℃时，将块材抽出气氛炉，放入水中，快速退火，获得粗坯料，即钨镍铁合金。
[0023]实施实例5：
S1：将原子级金属粉体(包含但不局限于钨、镍、铁等粉体)置于氢气气氛炉中，还原温度为800℃，还原时间为30min，获得还原后的非氧化原料;
S2:在惰性气体手套箱中将钨：镍：铁(W：Ni：Fe)粉末按照90：7：3的比例进行称取，放入声共振混合仪中，进行物料初混，其中原子级金属粉体钨与镍占比均为1%;
S3：再加入等体积乙醇进行冰水浴超声混合(超声功率1200W，10min)，获得预混合样品;
S4：将预混样品再投入密封球磨罐，在球磨机上进行球磨(球磨转速为240rpm，球磨时间24h);
S5：取出混合样品后，经过低温干燥投入冷等静压机模具之中，密封后放入冷等静压设备(高压500MPa，保压1min)，获得坯料;
S6：将坯料投入氢气气氛炉中，先进行真空排气以及氩气置换。后以100ml/min的速度通入H2/Ar混合气，以时间(60min~120min~180min~210min)为阶段，梯度提高氢气掺杂比例再逐渐降低(0%~10%~20%~100%~20%~10%~0%),同时，温度随时间梯度变化(30℃~800℃~1300℃~1500℃~1100℃);
S7：在S6中，当温度降至1000℃时，将块材抽出气氛炉，放入水中，快速退火，获得粗坯料，即钨镍铁合金。
[0024]实施实例6：
S1：将原子级金属粉体(包含但不局限于钨、镍、铁等粉体)置于氢气气氛炉中，还原温度为800℃，还原时间为30min，获得还原后的非氧化原料;
S2在惰性气体手套箱中将钨：镍：铁(W：Ni：Fe)粉末按照95：3.5：1.5的比例进行称取，放入声共振混合仪中，进行物料初混，其中原子级金属粉体占比为1%;
S3：再加入等体积乙醇进行冰水浴超声混合(超声功率1200W，10min)，获得预混合样品;
S4：将预混样品再投入密封球磨罐，在球磨机上进行球磨(球磨转速为240rpm，球磨时间24h);
S5：取出混合样品后，经过低温干燥投入冷等静压机模具之中，密封后放入冷等静压设备(高压500MPa，保压1min)，获得坯料;
S6：将坯料投入氢气气氛炉中，先进行真空排气以及氩气置换。后以100ml/min的速度通入H2/Ar混合气，以时间(60min~120min~180min~210min)为阶段，梯度提高氢气掺杂比例再逐渐降低(0%~10%~20%~100%~20%~10%~0%),同时，温度随时间梯度变化(30℃~800℃~1300℃~1500℃~1100℃);
S7：在S6中，当温度降至1000℃时，将块材抽出气氛炉，放入水中，快速退火，获得粗坯料，即钨镍铁合金。
[0025]实施实例7：
S1：将原子级金属粉体(包含但不局限于钨、镍、铁等粉体)置于氢气气氛炉中，还原温度为800℃，还原时间为30min，获得还原后的非氧化原料;
S2在惰性气体手套箱中将钨：镍：铁(W：Ni：Fe)粉末按照95：3.5：1.5的比例进行称取，放入声共振混合仪中，进行物料初混，其中原子级金属粉体占比为3%;
S3：再加入等体积乙醇进行冰水浴超声混合(超声功率1200W，10min)，获得预混合样品;
S4：将预混样品再投入密封球磨罐，在球磨机上进行球磨(球磨转速为240rpm，球磨时间24h);
S5：取出混合样品后，经过低温干燥投入冷等静压机模具之中，密封后放入冷等静压设备(高压500MPa，保压1min)，获得坯料;
S6：将坯料投入氢气气氛炉中，先进行真空排气以及氩气置换。后以100ml/min的速度通入H2/Ar混合气，以时间(60min~120min~180min~210min)为阶段，梯度提高氢气掺杂比例再逐渐降低(0%~10%~20%~100%~20%~10%~0%),同时，温度随时间梯度变化(30℃~800℃~1300℃~1500℃~1100℃);
S7：在S6中，当温度降至1000℃时，将块材抽出气氛炉，放入水中，快速退火，获得粗坯料，即钨镍铁合金。
[0026]实施实例8：
S1：将原子级金属粉体(包含但不局限于钨、镍、铁等粉体)置于氢气气氛炉中，还原温度为800℃，还原时间为60min，获得还原后的非氧化原料;
S2在惰性气体手套箱中将钨：镍：铁(W：Ni：Fe)粉末按照95：3.5：1.5的比例进行称取，放入声共振混合仪中，进行物料初混，其中原子级金属粉体占比为5%;
S3：再加入等体积乙醇进行冰水浴超声混合(超声功率1200W，10min)，获得预混合样品;
S4：将预混样品再投入密封球磨罐，在球磨机上进行球磨(球磨转速为240rpm，球磨时间24h);
S5：取出混合样品后，经过低温干燥投入冷等静压机模具之中，密封后放入冷等静压设备(高压500MPa，保压1min)，获得坯料;
S6：将坯料投入氢气气氛炉中，先进行真空排气以及氩气置换。后以100ml/min的速度通入H2/Ar混合气，以时间(60min~120min~180min~210min)为阶段，梯度提高氢气掺杂比例再逐渐降低(0%~10%~20%~100%~20%~10%~0%),同时，温度随时间梯度变化(30℃~800℃~1300℃~1500℃~1100℃);
S7：在S6中，当温度降至1000℃时，将块材抽出气氛炉，放入水中，快速退火，获得粗坯料，即钨镍铁合金。
[0027]实施实例9：
S1：将原子级金属粉体(包含但不局限于钨、镍、铁等粉体)置于氢气气氛炉中，还原温度为800℃，还原时间为60min，获得还原后的非氧化原料;
S2在惰性气体手套箱中将钨：镍：铁(W：Ni：Fe)粉末按照95：3.5：1.5的比例进行称取，放入声共振混合仪中，进行物料初混，其中原子级金属粉体钨与镍占比均为1%;
S3：再加入等体积乙醇进行冰水浴超声混合(超声功率1200W，10min)，获得预混合样品;
S4：将预混样品再投入密封球磨罐，在球磨机上进行球磨(球磨转速为240rpm，球磨时间24h);
S5：取出混合样品后，经过低温干燥投入冷等静压机模具之中，密封后放入冷等静压设备(高压500MPa，保压1min)，获得坯料;
S6：将坯料投入氢气气氛炉中，先进行真空排气以及氩气置换。后以100ml/min的速度通入H2/Ar混合气，以时间(60min~120min~180min~210min)为阶段，梯度提高氢气掺杂比例再逐渐降低(0%~10%~20%~100%~20%~10%~0%),同时，温度随时间梯度变化(30℃~800℃~1300℃~1500℃~1100℃);
S7：在S6中，当温度降至1000℃时，将块材抽出气氛炉，放入水中，快速退火，获得粗坯料，即钨镍铁合金。
[0028]参考上述实施例，由图1可知：在90(占比)W材料中，随着原子级金属粉体的占比逐渐增多，钨镍铁合金的抗压强度以及维氏硬度均逐渐增加;但是1%添加量为最大提升点，且之后提升趋势缓和下来，在95(占比)W材料中，该结论同样适用，原子级金属粉体添加量提升至3%、5%，但增长均不高。同时，通过实例5以及实例9能够总结出钨与镍的原子级金属粉体同时添加1%的情况下，对材料的性能提升同样较为明显，但却略微低于单一材料添加的提升效果。
[0029]本发明所述的原子级金属粉体颗粒的原子数目一般少于103个;高性能钨镍铁合金相对于微米级金属粉体制备的钨镍铁合金块材具有抗拉强度、断裂伸长率、冲击韧性、维氏硬度等指标显著提升的特点，能够满足特殊应用前景的高性能要求;采用声波共振、超声分散、球磨混合、冷等静压、热等静压、热压烧结、气氛烧结的工艺来制造所述的钨镍铁合金，所生产的钨镍铁纯度高，杂质少，性能高。工艺流程简单、普适性广，能够实现工业应用上的量产，具有极高的商业价值。
[0030]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、替换和变型，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(1)
声明：
“基于原子级金属粉体的钨镍铁合金及其制备方法” 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：南京原子制造研究所
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2026年08月06日 ~ 08日 
