爆炸燒結(jié)W-Cu 合金藥型罩材料及其性能*

王占磊，李曉杰，張程嬌，易彩虹，王海濤，孫 偉

(大連理工大學(xué)工程力學(xué)系，遼寧 大連116024)

藥型罩材料是聚能效應(yīng)能量的載體，其性能直接影響射流質(zhì)量，如射流密度、射流速度和連續(xù)射流長度等。因此希望藥型罩具有破碎性好、侵徹力強(qiáng)、滲透率高等特點，從而要求藥型罩材料密度高、延展性好，以便使射流在侵徹之前能允許拉長而不斷裂。而常用的粉末藥型罩材料有銅粉、鎢粉、鉬粉、鉭粉、錫粉、鉍粉等［1］。用高密度新材料制造破甲彈藥型罩［2-4］，提高破甲彈的威力，進(jìn)而取代傳統(tǒng)的紫銅藥型罩材料，為適應(yīng)未來戰(zhàn)爭的需要，許多研究者正在探索研究。復(fù)合藥型罩是把不同性能的金屬或合金按照藥型罩的設(shè)計復(fù)合來發(fā)揮綜合優(yōu)勢，與單金屬藥型罩相比，其能量轉(zhuǎn)換與吸收機(jī)制更合理，化學(xué)能的利用率更充分，破甲性能更優(yōu)越，造價也更低廉，具有廣泛的開發(fā)應(yīng)用前景［5］。多相復(fù)合材料如WCu、Ta-Cu、Re-Cu 等制備的藥型罩既有高的密度，又有良好的射流性能，因此受到重視，尤其是W-Cu 合金由于綜合具有鎢的高密度和銅的高韌性而受到重視。

W-Cu 合金藥型罩的聚能效果明顯高于純銅罩［6］，關(guān)鍵是W-Cu 復(fù)合粉的制備。通常采用機(jī)械合金化法，將金屬鎢粉和銅粉在高能量磨球的撞擊下，粉體間發(fā)生反復(fù)的破碎-冷焊-破碎過程，從而發(fā)生固態(tài)反應(yīng)，得到高均勻分布的W-Cu 合金粉體。但是由于W 粉顆粒硬度大，難壓制，W-Cu 密度差大，在常規(guī)的粉末冶金過程中，液壓時極易形成比重偏析造成藥型罩密度分布不均勻，從而嚴(yán)重影響藥型罩的使用性能。同時對粉體制備和粉末成型等工藝過程的要求，首先是如何獲得高純度、均勻細(xì)小的W-Cu粉，然后是高致密度制造工藝，并實現(xiàn)材料微區(qū)密度均勻并且無缺陷。目前采用細(xì)化晶粒的方法來提高鎢合金的綜合力學(xué)性能和穿、破甲能力。采用納米技術(shù)制備鎢合金材料是研究發(fā)展新型高強(qiáng)韌鎢合金的發(fā)展方向。一些研究者正在著手研究具有超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的高密度鎢合金破甲藥型罩和納米鎢合金穿甲彈彈芯，以進(jìn)一步提高穿、破甲威力。

爆炸粉末燒結(jié)技術(shù)是利用沖擊波對粉末絕熱壓縮瞬間所產(chǎn)生的高溫、高壓使粉末材料致密并燒結(jié)的工藝方法［7］。該工藝最顯著的特點［8］是:由于爆炸燒結(jié)在極短的時間內(nèi)完成，因此復(fù)合界面幾乎沒有擴(kuò)散或僅有程度很小的擴(kuò)散。所以對機(jī)械合金化工藝制備的W-Cu 合金粉爆炸燒結(jié)，不僅可以克服W-Cu 合金偏析，而且由于在極短時間內(nèi)完成，晶粒來不及長大，可以保留機(jī)械合金化粉的初始特征，這樣可以得到晶粒細(xì)小、成分分布均勻的合金組織，提高藥型罩的性能。

本文中，將用高能球磨法制取W-Cu 合金化粉末，對合金化粉末進(jìn)行爆炸燒結(jié)成型，以期制取結(jié)構(gòu)良好、高致密、質(zhì)量(即密度)分布均勻、晶粒細(xì)小并且可以達(dá)到實用效果的藥型罩材料，分析合金材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的元素與成分分布，并對W-Cu 合金藥型罩的靜破甲性能進(jìn)行實驗研究。

1 實 驗

實驗中采用純度大于99.9%的電解銅粉以及純度為99.8%的鎢粉，如圖1 所示，銅、鎢粉粒度均為200 目。按質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(W)/w(Cu)=65/35 的配比在QM-BP 行星球磨機(jī)上進(jìn)行球磨。行星球磨機(jī)使用不銹鋼球磨罐及磨球，磨罐容積為300 ml;磨球直徑分別為20、10、5 mm，3 種球配比使用，球料比為4∶ 1，主機(jī)轉(zhuǎn)速為350 r/min，進(jìn)行10、30、50 h 的高能球磨，以判斷合金化效果。

爆炸粉末燒結(jié)裝置如圖2 所示。裝填粉末的鋼管內(nèi)、外徑分別為41、45 mm，兩端端塞各帶有1 個?2 mm 的小孔可進(jìn)行通氫還原。將W-Cu 合金粉末均勻填滿裝置，油壓機(jī)上初壓后混合粉末相對密度達(dá)到60%，初裝混合粉末在830 ℃通H2還原5 h，還原完成后，再對裝置進(jìn)行抽真空、密封處理。裝藥時炸藥均勻地包圍著裝置的外壁，雷管裝在管的一端，使其引爆后炸藥能沿著軸線方向爆炸，腔內(nèi)粉末在周圍爆炸壓力均勻作用下而達(dá)到高度致密。采用黑索今和硝酸銨炸藥混合調(diào)節(jié)，炸藥填充密度分別為0.9、1.1 g/cm3，炸藥相應(yīng)爆速為3.4、5.3 km/s，炸藥填充厚度為28 mm。

圖1 實驗用的粉末SEM 圖像Fig.1 SEM photographs of the powders used in the experiment

圖2 爆炸粉末固結(jié)實驗裝置示意圖Fig.2 The experimental setup for explosive consolidation

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 爆炸粉末燒結(jié)W-Cu 合金及其結(jié)構(gòu)

圖3 是W-Cu 混合粉末在不同時間(依次為10、30、50 h)球磨后的XRD 圖譜。從圖中可以看出，W-Cu 復(fù)合粉末經(jīng)高能球磨，粉末顆粒的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。從粉末經(jīng)不同時間球磨后的X 射線衍射譜分析可以看出，隨著球磨時間的增加，Cu衍射峰的強(qiáng)度逐漸降低。這是由于Cu 擴(kuò)散進(jìn)入到W 相中，促使形成固溶體［9］。根據(jù)X 射線衍射圖譜，由Scherrer 公式［10］，可以計算出W 的晶粒尺寸為25 nm。

爆炸燒結(jié)過程中，粉末氧化物的存在會影響壓實坯的致密度以及材料微觀結(jié)構(gòu)，所以粉末要達(dá)到較高的純度，必須進(jìn)行充分的還原。

圖3 不同球磨時間的W-Cu 粉末的X 射線衍射圖Fig.3 XRD patterns of ball-milled W-Cu powders with the various ball-milling times

保證材料有良好的宏觀結(jié)構(gòu)，需要對加工工藝參數(shù)有較高的要求，這些工藝參數(shù)包括粉末填充密度、炸藥爆速以及藥粉比等。藥粉比是指炸藥與壓實粉末質(zhì)量的比值，反映了爆炸燒結(jié)過程中炸藥用量與粉末量的大小。

如果粉末填充密度較小，介質(zhì)較疏松，馬赫角減小，爆炸壓實過程中極易形成馬赫孔。炸藥爆速過高，將在壓實坯中心形成馬赫反射，使中心材料熔化噴出，而反射的壓力波在圓柱試樣的外表面被重新反射，并作為稀疏波返回試樣中心，因而在中心產(chǎn)生裂紋和孔洞。藥粉比增加，表明炸藥量增加，對爆炸壓實有利，但炸藥量過大，也會產(chǎn)生馬赫孔，并且沖擊波持續(xù)時間變長，徑向膨脹波的作用使得試樣內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致材料的微觀結(jié)構(gòu)缺陷。

上述3 方面因素在共同作用的同時，又相互關(guān)聯(lián)。爆炸燒結(jié)后的樣品要達(dá)到實用化的程度，除了良好的結(jié)構(gòu)外，還必須有較高的致密度。這就要求提高炸藥爆速以及炸藥用量，但這又會增加材料結(jié)構(gòu)缺陷的產(chǎn)生，實現(xiàn)起來比較困難。基于此，采用了2 次壓實的方法，第1 次壓實采用密度(0.9 g/cm3)較低、爆速(3.4 km/s)較低的炸藥，并且炸藥量較小。通過1 次壓實，粉末致密度達(dá)到了93%，接近正常材料密度，同時不會產(chǎn)生宏觀及微觀結(jié)構(gòu)的缺陷，這就增加了第2 次壓實時的馬赫角，不易形成馬赫孔。對壓實坯進(jìn)行第2 次壓實，第2 次壓實使用炸藥的爆速為5.3 km/s，炸藥填充密度1.1 g/cm3。

2 次壓實后取出塊體材料，在車床上切割成實驗樣品見圖4，其宏觀結(jié)構(gòu)良好，沒有馬赫孔及裂紋的出現(xiàn)。用排水法測得樣品相對致密度為99.6%，材料平均硬度為HV330。

爆炸燒結(jié)過程中，粉末顆粒間的結(jié)合并不能達(dá)到粉末冶金的效果，材料不具有一定的強(qiáng)度，在2 次壓實過程中，同時增加了粉末顆粒間的粘結(jié)，提高了材料的強(qiáng)度。

將W-Cu 合金材料進(jìn)行表面拋光處理，進(jìn)行EPMA 實驗，見圖5。圖中顯示了樣品結(jié)構(gòu)內(nèi)部的成分及元素分布情況，由于瞬間固結(jié)，所以固結(jié)材料內(nèi)部不存在成分偏析，有利于消除微區(qū)密度差。從Cu元素的分布看，沒有Cu 的偏析塊存在，且各成分及元素分布較均勻。

圖4 爆炸固結(jié)的W-Cu 合金樣品Fig.4 The specimen of W-Cu alloy by explosive consolidation

圖5 樣品的EPMA 分析Fig.5 EPMA analysis of the specimen

圖6 球磨粉末以及壓實樣品的X 射線衍射圖Fig.6 XRD patterns of ball-milled powders and compacted specimen

對燒結(jié)樣品作X 射線衍射分析，并與爆炸燒結(jié)前的粉末XRD 圖譜作比較，見圖6。由粉末爆炸燒結(jié)前后的XRD 圖譜的對稱性可以判斷，爆炸加工過程中沒有固態(tài)反應(yīng)的發(fā)生。采用Scherrer 公式計算的W 晶粒尺寸為26 nm，和爆炸加工前基本保持一致，說明爆炸固結(jié)過程中沒有發(fā)生晶粒長大現(xiàn)象。

2.2 合金藥型罩靜破甲性能

將塊體W-Cu 合金材料在車床上加工成圓錐形藥型罩，見圖7(a)，錐角為60°，壁厚為0.8 mm，合金材料的加工過程顯示了良好的成形性。實驗用W-Cu 合金罩為一薄壁圓錐體，且內(nèi)外表面均需用機(jī)械加工完成，因此在車制罩體的過程中，要求材料本身具有一定的強(qiáng)度及成形性，才能可能完成車制。從車制效果來看，所制取的W-Cu 合金材料已經(jīng)達(dá)到了實用化的程度。

將加工好的W-Cu 合金藥型罩聚能裝藥，采用2 倍口徑炸高、45 鋼?120 mm 圓鋼靶體做破甲實驗。為了比較，用相同工藝制備了錐角相同的純Cu 藥型罩，見圖7(b)，Cu 罩壁厚1.3 mm，與W-Cu 合金罩體質(zhì)量基本保持一致。聚能裝藥使用C-4 炸藥，密度為1.3 g/cm3，爆速為7.0 km/s，與前者使用相同的實驗參數(shù)，進(jìn)行靜破甲實驗，如圖8 所示。

對實驗結(jié)果進(jìn)行測量，純Cu 藥型罩的破甲深度為110 mm，W-Cu 合金罩的破甲深度為145 mm，與純Cu 藥型罩相比，其穿深提高了31.8%。

W-Cu 復(fù)合藥型罩對裝藥的炸高很敏感，最理想的炸高為3 倍口徑尺寸，這也是復(fù)合藥型罩存在的共性;另外藥型罩的制取在普通車床車制，故其幾何精度及尺寸精度都不能達(dá)到最佳，這也將影響藥型罩的破甲效果。調(diào)整各實驗及加工工藝參數(shù)將可以進(jìn)一步提高破甲性能。

圖7 W-Cu 合金及純Cu 藥型罩Fig.7 W-Cu alloy and Cu shaped charge liners

圖8 藥型罩的靜破甲實驗Fig.8 Quiet armor piercing experiment of the Cu shaped charge liner

3 結(jié) 論

通過機(jī)械合金化的方法制取納米W-Cu 合金化粉末，2 次爆炸燒結(jié)合金化粉末得到了接近理論密度的合金材料，材料宏觀及微觀結(jié)構(gòu)良好。瞬間燒結(jié)有利于消除成分偏析及微區(qū)密度差，保持密度均勻性;合金材料組織均勻，晶粒尺寸保持了粉末的納米結(jié)構(gòu)，細(xì)化晶粒有利于提高鎢合金的綜合力學(xué)性能和穿、破甲能力，采用納米技術(shù)制備鎢合金材料適應(yīng)了新型高強(qiáng)韌鎢合金的發(fā)展方向。將燒結(jié)樣品進(jìn)行車制加工制取圓錐形藥型罩，車制效果較好，說明合金材料具有一定的成形性。對W-Cu 合金藥型罩進(jìn)行靜破甲實驗，與錐角相同、質(zhì)量相同的Cu 藥型罩相比較，其破甲深度提高了31.8%。

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