鎢銅基射孔彈藥型罩的燒結(jié)行為研究

賴康華,雷新華,劉玉龍,付代軒,趙世華

(四川石油射孔器材有限責(zé)任公司,四川 隆昌 642150)

0 引言

射孔彈一般由彈殼、藥型罩、裝藥藥柱三部分組成[1]。藥型罩作為射孔彈的核心部件,直接影響射孔彈穿深性能?，F(xiàn)在各個(gè)廠家生產(chǎn)的藥型罩基本都是采用鎢粉和銅粉作為藥型罩的原材料。鎢粉的質(zhì)量在較大程度上影響了射孔彈藥型罩的壓制性能及爆轟聚能效果。范景蓮等[2]對W-Ni-Fe高密度合金進(jìn)行燒結(jié)研究發(fā)現(xiàn),W-Ni-Fe 高密度合金在固態(tài)燒結(jié)時(shí),能形成堅(jiān)固的W 連通骨架；在液相燒結(jié)溫度下,液相的生成和毛細(xì)管的作用使顆粒合并與長大,液相滲入W 晶界,孔隙被填充而達(dá)到近全致密,整體密度提高。楊成功等[3]對鎢銅復(fù)合粉末燒結(jié)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),添加微量元素可以有效提升材料致密度,改善材料的組織結(jié)構(gòu)。

在不計(jì)射流可壓縮條件下(射流物質(zhì)材料在侵蝕過程中,因初始點(diǎn)爆速不同,均具有一定壓縮性,而這種壓縮實(shí)際上消耗了初始射流的沖量),射流侵徹靶板深度與射流材料密度的平方根呈線性關(guān)系[4]。藥型罩材料密度越大,所形成的射流形態(tài)具備越高的單位射流能量密度,燒結(jié)可以使銅粉成為熔融狀態(tài),填充在鎢粉之間的空隙中,理論上可以達(dá)到藥型罩致密化的效果,整體提高鎢銅基粉末藥型罩的密度[5-6]。

筆者以鎢銅二元合金藥型罩燒結(jié)工藝的設(shè)計(jì)作為切入點(diǎn),通過真空燒結(jié)合金化的方式提高藥型罩材料致密度,達(dá)到減少孔隙率的目的,并對藥型罩進(jìn)行壓彈和試驗(yàn)研究。

1 鎢銅基二元合金藥型罩燒結(jié)試驗(yàn)

1.1 鎢銅基藥型罩燒結(jié)可行性分析

利用流體動(dòng)力學(xué)侵徹模型可以計(jì)算侵徹射流的能量沉積[7]。當(dāng)侵徹深度dP極小時(shí),射流沉積的能量即為射流侵徹深度dP所消耗的能量(此時(shí)只考慮射流的動(dòng)能損失)。在射流侵徹深度為dP時(shí),射流所消耗的長度為lP,根據(jù)射流的不可壓縮理論[8],可得:

式中ρj和ρt表示射流材料和靶板材料的密度。

由式(1)可知,射流的侵徹深度與射流材料平方根成正比,因此提高射流材料密度是提高射流穿孔深度最直接和有效的方法；而引用燒結(jié)工藝,經(jīng)過燒結(jié)后的合金,其致密度提高、孔隙率降低,可極大地提高合金抗壓強(qiáng)度,如圖1所示。而足夠的藥型罩強(qiáng)度是后續(xù)射孔彈壓制及運(yùn)輸中保證質(zhì)量一致性的前提,因此,藥型罩引用燒結(jié)工藝具有現(xiàn)實(shí)意義[9]。

1.2 鎢銅基藥型罩二元相圖分析

本試驗(yàn)使用的鎢銅粉末混合料是不同化學(xué)性質(zhì)的粉末,銅的熔點(diǎn)為1 083 ℃,鎢的熔點(diǎn)為3 387 ℃,因此,銅相屬于低熔組元,鎢銅合金屬于固液不互溶的合金[10],在燒結(jié)過程中不發(fā)生成分變化,也沒有分解和析出階段。根據(jù)圖2的鎢銅二元合金相圖分析可知,在高于1 083 ℃進(jìn)行燒結(jié)時(shí),銅處于液相,鎢銅粉末的結(jié)合狀態(tài)屬于液相和固相顆粒同時(shí)共存。在粉末冶金燒結(jié)過程中,一般二元合金中液相的產(chǎn)生要低于其中低熔點(diǎn)單質(zhì)金屬的熔點(diǎn)[11]。根據(jù)以上分析,設(shè)計(jì)了最高燒結(jié)溫度為800、1 000、1 200 ℃的 3 種燒結(jié)工藝進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 Cu-W合金抗壓強(qiáng)度與孔隙率的關(guān)系

圖2 Cu-W二元合金相圖

1.3 鎢銅復(fù)合粉末藥型罩燒結(jié)

1.3.1 粉末原料選擇

試驗(yàn)使用還原鎢粉、電解銅粉及其制備的W-20%Cu(質(zhì)量比,下同)混合粉末,其粉末SEM 形貌如圖3所示。鎢粉末顆粒為近球形,晶粒尺寸主要分布在 20～38 μm 內(nèi)；Cu 粉末在高倍數(shù) SEM 觀察其一次顆粒尺寸在10 μm 左右。

1.3.2 燒結(jié)工藝曲線

鎢粉、銅粉按W-20%Cu 進(jìn)行配料,鎢銅復(fù)合粉末藥型罩采用真空自動(dòng)一體式燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)工藝選擇最高溫度分別為800、1 000、1 200 ℃的燒結(jié)曲線。本試驗(yàn)采用的燒結(jié)工藝,首先以10 ℃/min 的升溫速度升到預(yù)定溫度,保溫2 h；待保溫結(jié)束后,爐膛自然冷卻至室溫。鎢銅復(fù)合粉末1 000 ℃的燒結(jié)工藝曲線如圖4所示。

圖3 選用粉末原料的SEM形貌

圖4 鎢銅復(fù)合粉末燒結(jié)工藝曲線

2 鎢銅基藥型罩燒結(jié)制品性能分析

2.1 燒結(jié)制品物理性能測試

在萬能試驗(yàn)機(jī)下對燒結(jié)制品進(jìn)行了金屬塑性材料抗壓強(qiáng)度測試,該測試結(jié)果可定性比較制品的抗壓強(qiáng)度變化趨勢。每次加載方式一致,測試觀察結(jié)果:1號藥型罩在42.55 kN 的壓力下被破壞；2號藥型罩在95.29 kN 的壓力下被破壞；3號藥型罩在69.14 kN 的壓力下被破壞。最高溫度800、1 000、1 200 ℃燒結(jié)工藝條件下得到的藥型罩(對應(yīng)編號為1號、2號、3號)在壓力載荷狀態(tài)下的破壞狀態(tài)和承壓變化曲線如圖5所示。

由圖5可以明顯看出:1號藥型罩不僅強(qiáng)度非常低,而且非常脆；鎢銅相的結(jié)合狀態(tài)仍以鎢銅假合金的形式存在,未形成銅液相的鎢銅藥型罩不能得到燒結(jié)強(qiáng)化,該種藥型罩在裝配過程中易產(chǎn)生裂彈現(xiàn)象,不適合生產(chǎn)應(yīng)用。2號藥型罩在外力下發(fā)生了塑性變形,卻沒有產(chǎn)生大的裂斷反應(yīng),說明其中的銅相發(fā)生了液相燒結(jié)現(xiàn)象,提高了藥型罩強(qiáng)度。3號藥型罩顏色發(fā)黑、發(fā)紅,說明其中的添加劑石墨產(chǎn)生了滲碳,并有部分銅相析出,屬于過燒現(xiàn)象[12],低熔點(diǎn)金屬銅相的熔滲導(dǎo)致了藥型罩最終物理性能的下降。由上述分析可知,2號藥型罩樣品燒結(jié)后具有良好的外觀和更高的抗壓強(qiáng)度。

圖5 3種燒結(jié)工藝制得藥型罩壓力破壞狀態(tài)及破壞曲線

2.2 燒結(jié)制品微觀形貌分析

為了解3 種燒結(jié)曲線條件下樣品罩中銅相的具體燒結(jié)狀況,利用ZEISS EVO18 鎢燈絲掃描電鏡對燒結(jié)藥型罩母線截面在37 倍和1 360 倍下進(jìn)行了微觀形貌分析,結(jié)果如圖6所示。

由圖6可見,藥型罩鎢銅粉末在800 ℃燒結(jié)工藝條件下未發(fā)生明顯的物相轉(zhuǎn)化跡象[13]；在1 000 ℃燒結(jié)工藝條件下電解銅粉發(fā)生了部分液相轉(zhuǎn)化,溫度的升高使銅液充分鋪展在W 晶粒表面上,有效地以液/固界面取代了未燒結(jié)時(shí)的固/氣界面,消除了W 晶粒間的直接接觸機(jī)會,提高了致密度；在1 200 ℃燒結(jié)工藝條件下,鎢因?yàn)槭苤亓筒牧闲螤畹挠绊?在高燒結(jié)溫度下難以保持材料形狀,而且成分偏析嚴(yán)重,已發(fā)生了部分熔滲現(xiàn)象[14],銅液相的析出使W 晶粒間直接接觸導(dǎo)致了孔隙率升高、致密度降低。分析結(jié)果表明,鎢銅合金材料藥型罩的液相燒結(jié)應(yīng)存在一個(gè)最佳的燒結(jié)溫度工藝曲線。

圖6 3種燒結(jié)工藝制得藥型罩微觀形貌

2.3 藥型罩密度及穿靶性能測試

使用電子分析天平,利用圖7所示的排水法測試藥型罩體積,然后計(jì)算得到藥型罩實(shí)際密度ρ:

圖7 排水法測密度示例

對于鎢銅混合粉末藥型罩,其理論密度可根據(jù)下式計(jì)算:

式中:m為總質(zhì)量,g；m1為鎢質(zhì)量,g；m2為銅質(zhì)量,g；V為混合物總體積,cm3；V1為鎢體積,cm3；V2為銅體積,cm3；ρ為混合物密度,g/cm3；ρ1為鎢密度,g/cm3；ρ2為銅密度,g/cm3。

鎢粉的初始密度為19.35 g/cm3,銅粉的初始密度為8.96 g/cm3,利用式(4)計(jì)算W-20%Cu 配方鎢銅合金的理論密度值為15.71 g/cm3。利用排水法對在1 000 ℃燒結(jié)后的藥型罩的密度進(jìn)行測試,得到其密度為14.17 g/cm3,致密度為90.2%,比未燒結(jié)藥型罩密度11.29 g/cm3提高25.5%。

對測試致密度后的藥型罩選取3 發(fā)未燒結(jié)和3 發(fā)經(jīng)過1 000 ℃燒結(jié)后藥型罩,按圖8所示方法進(jìn)行鋼靶穿深性能測試,測試結(jié)果見表1。

圖8 鋼靶穿深性能測試示意圖

表1 未燒結(jié)與燒結(jié)后藥型罩性能測試數(shù)據(jù)對比

由表1可見,通過調(diào)整燒結(jié)工藝曲線,采用1 000 ℃燒結(jié)工藝后的藥型罩,由于藥型罩合金成分形成了固液混合相,壓坯致密度相較于未燒結(jié)藥型罩提高約25.5%,地面模擬打靶穿深性能提高21.7%。

3 結(jié)論及建議

1)鎢銅基藥型罩的燒結(jié)存在一最優(yōu)化溫度工藝曲線,燒結(jié)溫度低會導(dǎo)致鎢銅成分不能形成合金組織,燒結(jié)溫度高會形成過燒現(xiàn)象,使銅相析出而導(dǎo)致制品強(qiáng)度及致密性降低。

2)鎢銅合金藥型罩的燒結(jié)過程趨近于鎢銅二元合金燒結(jié)相圖,其適宜燒結(jié)溫度只需要使部分銅相液化,使銅粉在熔融狀態(tài)條件下填充在鎢粉之間的間隙內(nèi),確保藥型罩致密化,提高整體密度。

3)W-20%Cu 配方鎢銅基粉末的藥型罩燒結(jié)制品,其燒結(jié)體致密度達(dá)到了90.4%,相較于未燒結(jié)藥型罩致密度提高25.5%,壓制的射孔彈穿深性能提升21.7%。