戰(zhàn)斗部用鎢合金材料現(xiàn)狀及發(fā)展狀況

袁書強，張保玉，陳子明，尚福軍（北方材料科學與工程研究院寧波所，浙江寧波315103）

戰(zhàn)斗部用鎢合金材料現(xiàn)狀及發(fā)展狀況

袁書強，張保玉，陳子明，尚福軍
（北方材料科學與工程研究院寧波所，浙江寧波315103）

摘要：鎢合金材料由于獨特的性能特點如高密度、高熔點、高強度、良好的機械加工性，使其在各種戰(zhàn)斗部材料中得到廣泛應用。從鎢合金基礎研究和應用研究兩方面報告了國內(nèi)外鎢合金材料研究現(xiàn)狀和應用進展；從穿甲彈、火箭彈和炮彈、藥型罩三種戰(zhàn)斗部介紹了戰(zhàn)斗部用鎢合金材料國內(nèi)外的應用研究現(xiàn)狀和亟待解決的技術(shù)難點，重點介紹了各種戰(zhàn)斗部對鎢合金材料的性能要求；最后對戰(zhàn)斗部用鎢合金材料未來發(fā)展趨勢進行展望，未來戰(zhàn)斗部用鎢合金穿甲性能和破甲性能的提升將更多依靠對鎢合金材料力學性能和侵徹、穿甲過程的理論研究。

關(guān)鍵詞：鎢合金；戰(zhàn)斗部；性能

戰(zhàn)斗部是彈箭武器實現(xiàn)殺傷破壞敵方武器裝備、設施及有生力量的十分重要的部件。高效毀傷戰(zhàn)斗部包含先進戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設計、先進裝藥及先進高效毀傷戰(zhàn)斗部材料及其制造工藝等技術(shù)，目標是使戰(zhàn)斗部實現(xiàn)高破片率殺傷破壞能力、高侵徹能力和高爆轟威力。其中，與彈體（殼體）、彈芯、藥型罩等戰(zhàn)斗部零部件密切相關(guān)的高效毀傷戰(zhàn)斗部材料及其制造工藝技術(shù)是獲得高效毀傷戰(zhàn)斗部的十分重要的技術(shù)基礎。

1　戰(zhàn)斗部材料及其毀傷機制

由于毀傷的目標不同、發(fā)射平臺不同、采取的毀傷方式不同、毀傷目標的費效比不同，因此對戰(zhàn)斗部材料提出了多樣的要求。按發(fā)射平臺劃分，戰(zhàn)斗部可以分為炮彈、火箭彈、航空炸彈和導彈等。按毀傷方式劃分，戰(zhàn)斗部可以分為破片型、侵徹型、聚能型和功能型。破片型戰(zhàn)斗部主要依靠破片的高速碰撞、引燃和引爆作用毀傷目標，使用材料主要有高破片率鋼、鎢合金；侵徹型戰(zhàn)斗部依靠彈芯的高速動能侵徹毀傷目標，使用材料主要有鎢合金、鈾合金、鎢絲增強鋯基非晶復合材料；聚能型戰(zhàn)斗部依靠聚能效應產(chǎn)生的高速連續(xù)射流毀傷目標，使用材料主要有紫銅、純鐵、鉭、鉬、鋁、鎢銅復合材料、金屬玻璃等；功能型戰(zhàn)斗部依靠主要依靠爆轟效應毀傷目標，使用材料主要有鋁熱劑、鎢鋯合金、金屬-有機聚合物、塊體非晶合金等。

鎢合金是一種以鎢為基體，加入鎳、鐵、銅、鈷、錳等合金元素組成的合金，形成鎢顆粒和粘結(jié)相復合結(jié)構(gòu)。同其他戰(zhàn)斗部材料相比，由于鎢合金具有密度高（16.0~18.8 g/cm3）、熔點高（3 410℃）、強度高（鍛造態(tài)鎢合金強度可達1 700 MPa）、塑性好、良好的機加工性能、良好的導電性、導熱性和低的熱膨脹系數(shù)、制備成本較低、加工工藝簡單等優(yōu)點，在戰(zhàn)斗部材料各方面得到廣泛應用。

2　國內(nèi)外鎢合金發(fā)展現(xiàn)狀

在鎢合金基礎研究方面，國外研究者在穿甲機理、絕熱剪切機理、超細晶鎢合金、性能表征等方面研究逐步深入，取得重要進展。在鎢合金力學性能研究上，美國R. M. German[1]提出鎢合金的強度和塑形與鎢合金的接觸性直接相關(guān)，這是由于鎢顆粒和鎢顆粒之間界面是鎢合金材料各種界面中的最薄弱環(huán)節(jié)。German指出通過合金化改變鎢顆粒和粘結(jié)相的二面角可以改善鎢顆粒、粘結(jié)相之間的界面結(jié)合性能，提升鎢合金的強度和塑形。通過不同工藝處理也可以達到改變鎢顆粒和粘結(jié)相的二面角，提升鎢合金力學性能目的。G. Pradhu等[2]人對比微波燒結(jié)和液相燒結(jié)兩種工藝發(fā)現(xiàn)，微波燒結(jié)鎢合金的拉伸和沖擊性能更好，微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)微波燒結(jié)可以得到更好的鎢顆粒和粘結(jié)相界面結(jié)合性能。U. R. Kiran 等[3]人提出影響鎢合金塑形主要因素有粘結(jié)相體積分數(shù)、粘結(jié)相平均自由程、粘結(jié)相、鎢顆粒接觸度，而解理斷裂程度決定鎢合金的拉伸強度。

在戰(zhàn)斗部用鎢合金應用方面，A. A. N. Nemeth 等[4]人發(fā)現(xiàn)粗晶粒鎢合金韌脆轉(zhuǎn)化時對應變速率不敏感，而超細晶鎢合金對應變速率不敏感。Nemeth認為粗晶粒鎢合金韌脆轉(zhuǎn)化由螺型位錯移動控制，而超細晶鎢合金韌脆轉(zhuǎn)化時可能與刃型位錯移動有關(guān)。麻省理工學院的Z. C. Cordero等[5]人使用球磨后快速放電等離子燒結(jié)方法制備晶粒度130 nm的超細晶鎢合金硬度可達12GPa，動態(tài)沖擊強度4.14 GPa。S. Giusepponi等人[6]利用分子動力方法對純鎢的拉伸強度進行計算，得到純鎢的理想強度26.8 GPa，最大應變25 %。

國外穿甲彈芯用新型鎢合金材料力學性能有了大幅度提高；大長細比、大長度彈芯制造技術(shù)有了長足的進步；提高鎢合金穿甲效率（自銳性能）以取代貧鈾的研究工作取得重大進展；攻擊深埋目標穿甲戰(zhàn)斗部由鎢芯向全鎢合金彈發(fā)展，并形成了與穿甲彈用鎢合金不同的成分和性能體系。此外，鎢合金材料在破甲藥型罩、小口徑穿甲彈等方面的研究不斷深入，應用范圍不斷擴大。

國內(nèi)鎢合金研究始于20世紀60年代，目前國內(nèi)鎢合金的主要研究機構(gòu)有中南大學的粉末冶金研究院、北京有色金屬研究院、北京鋼鐵研究院、北方材料與工程研究院等。國內(nèi)研究最多、使用最廣的鎢合金體系主要是鎢鎳鐵、鎢鎳銅兩大體系。在鎢合金基礎研究方面，國內(nèi)在鎢合金強化機理和合金化提升鎢合金性能方法進行了大量研究工作，其中尤以中南大學做的較為系統(tǒng)深入。在戰(zhàn)斗部鎢合金應用方面，北方材料與工程研究院完成了較多的研究工作。國內(nèi)鎢合金研究主要集中于制備加工工藝和合金化對鎢合金力學性能影響研究。在制備方法主要是應用微波燒結(jié)[7]、放電等離子燒結(jié)[8]快速制備鎢合金，重點研究燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間、升溫速率對鎢合金微觀組織、力學性能的影響。在加工工藝方法上，鍛造[9]、軋制[10]、旋鍛、擠壓被用來改善鎢合金的力學性能，同時研究退火溫度對形變后鎢合金組織性能的影響。在鎢合金合金化方面，添加稀土元素La、Ce、Y 等[11]和氧化物ThO2、Y2O3等[12]利用其抑制晶粒長大、減少界面偏析改善鎢合金組織和力學性能。20世紀80年代以來，我國現(xiàn)役穿甲彈用鎢合金材料技術(shù)水平基本保持和先進國家同步；預研工作取得的重大進展，使我國新型鎢合金材料力學性能水平躍上一個新的臺階，進入國際先進水平行列。在戰(zhàn)斗部鎢合金研究中，高強韌鎢合金的性能水平和變形強化工藝國內(nèi)外基本在同一水平；制造大長細比、大長度彈芯的工藝水平國內(nèi)外基本同步；在攻擊硬目標戰(zhàn)斗部用鎢合金方面國內(nèi)雖然已經(jīng)進入型號應用階段，但是基礎研究工作遠遠落后于國外。

3　戰(zhàn)斗部用鎢合金材料的發(fā)展趨勢

穿甲彈、火箭彈和炮彈、藥型罩三種戰(zhàn)斗部用鎢合金材料是國內(nèi)外研究者的研究熱點，綜述三種戰(zhàn)斗部用鎢合金材料的研究現(xiàn)狀，為解決應用中的技術(shù)難點提供有益的思路。

3.1穿甲彈用鎢合金

大長細比穿甲彈主要應用于各類坦克彈、反坦克炮穿甲彈、高速動能導彈、戰(zhàn)術(shù)導彈戰(zhàn)斗部中的鎢箭彈等。目前主戰(zhàn)坦克使用的125 mm穿甲彈具有良好的穿甲侵徹能力。為了實現(xiàn)大穿甲深度、高穿甲效率的穿甲彈，穿甲彈用鎢合金材料需要具備以下性能：高強度，較好的塑形、韌性，容易加工成為大長度、大長細比彈芯，較好的終點彈道威力，可接受的成本。高強韌鎢合金由于變形過程中容易加工硬化，存在絕熱剪切速度過高，無法實現(xiàn)“自銳性”難題。制備超細晶高強韌鎢合金是有效降低鎢合金絕熱剪切速度的途徑之一，所以超細晶鎢合金成為目前鎢合金研究熱點。此外通過熱等靜壓和熱扭等工藝也可以改善鎢合金的絕熱剪切敏感性。

硬目標侵徹技術(shù)是指靈敏引信（預編程式和自激發(fā)式），侵徹威力遠大于GBU-27，113.4~1020.6 kg（內(nèi)裝），高能炸藥，可摧毀核、化學和生物目標，先進的殺傷機制，B-1、B-2、F-117、F22內(nèi)部可攜帶，F(xiàn)-111、F-15E、F16、F18外部可攜帶，與精確制導概念兼容GUB-39/B小口徑炸彈，殼體材料為鋼，殼體質(zhì)量為72.57 kg，可以侵徹1.8 m厚鋼筋混凝。美空軍部估計至少需113.4 kg、453.6 kg、907.2 kg 3種機載穿甲彈，期望的穿深大于6 m鋼筋水泥，機載彈的長度限制為2.34~2.49m，長細比為10左右。目前，美國已研制的鋼深侵徹戰(zhàn)斗部侵徹速度可達1800m/s，侵徹混凝土的深度可達12 m左右；正在研制的侵徹戰(zhàn)斗部的最大撞地速度可達2 130~2 440 m/s左右，侵徹混凝土的深度可達18 m左右。

攻擊深埋目標穿甲彈穿甲機理為剛性穿甲與侵徹性穿甲，對鎢合金材料的需求鎢含量80 %~90 %。兼顧韌性需求和工藝可行性，韌性應高于坦克炮穿甲彈用鎢合金，無缺口沖擊功大于320 J，攻擊深埋目標要求待定；強度1 379 MPa以上，目標強度1 600 MPa以上，如彈的沖擊速度越高則強度需求越高；可接受的材料成本（含制備費）在40美元/kg左右。

目前需攻克的材料技術(shù)難題有：大尺寸坯料的成型，為提高韌性優(yōu)選適當?shù)某煞郑ㄦu含量、基體成分），鎢合金材料的焊接，伴隨著大坯料制備而產(chǎn)生的其他設備和工藝問題。大尺寸坯料的燒結(jié)過程中，液相燒結(jié)時鎢含量小于90 %易出現(xiàn)坍塌，宜采用固相燒結(jié)技術(shù)。

旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定脫殼穿甲彈主要用于中小口徑速射武器，一般需要鎢合金具有高鎢含量（95~97 W）、高密度。多數(shù)彈種對材料力學性能要求不高，防空反導易碎彈采用更脆的鎢合金增加殺傷后效，用于對付重型反艦巡航導彈的彈丸對力學性能有較高要求。

3.2火箭彈、炮彈戰(zhàn)斗部用鎢合金

在火箭彈發(fā)射平臺，美國、俄羅斯、以色列及塞爾維亞主要開展400 mm、300 mm、227 mm和160 mm口徑制導火箭彈、無控火箭彈研制，中國也開展了300 km、600 km制導火箭彈、無控火箭彈研制。

國產(chǎn)衛(wèi)士-2火箭彈雙用途子母彈戰(zhàn)斗部、殺爆彈戰(zhàn)斗部殺傷破片（含鋼珠）數(shù)等有效殺傷半徑大于100 m以上的戰(zhàn)斗部廣泛使用鎢合金材料，隨著鎢資源的日益枯竭，提高鎢球、鎢柱的侵徹能力，降低單枚戰(zhàn)斗部鎢合金的用量是一項迫切需要解決的問題。

目前在炮彈發(fā)射平臺，美國、以色列和伊朗等國家十分重視155 mm制導炮彈研究，中國也在進行基于北斗的155 mm制導炮彈研究，并在152 mm炮射導彈基礎上開發(fā)了155 mm炮射導彈。美國海軍啟動了能用常規(guī)艦炮和電磁導軌炮發(fā)射的高超聲速炮彈研究計劃，并繼續(xù)發(fā)展遠程對陸攻擊炮彈項目，成功完成炮彈的制導飛行測試；意大利則繼續(xù)推進127 mm、76 mm“火山”艦炮彈藥的研制工作；中國在155 mm榴彈、125 mm榴彈等也采用鎢破片毀傷7～10 m內(nèi)裝甲車輛。

3.3藥型罩用鎢材料

藥型罩材料是藥型罩產(chǎn)生聚能效應，生成高速射流的關(guān)鍵。根據(jù)侵徹流體動力學理論，金屬射流侵徹深度正比于射流長度和材料密度的平方根。所以藥型罩材料應具備高密度、高聲速、良好塑形等特點。藥型罩用鎢材料成分系包括W、W-Ni-Fe和WNi-Cu等。鎢合金藥型罩優(yōu)點是高的射流頭部速度及高的密度，高速射流可使反應裝甲效能降低；缺點是射流總長度較低，且對徑向擾動敏感。呂翠翠等[13]人的W-Ni-Fe合金藥型罩靜穿甲試驗也表明，鎢合金藥型罩可以形成高速塑形射流，破孔孔徑大但是穿深較低。廖莎莎等[14]人測試了鎢銅藥型罩在水介質(zhì)中穿甲性能，試驗發(fā)現(xiàn)鎢銅藥型罩形成的射流速度要比紫銅射流略高，等壁厚時形成的射流孔徑更細，侵徹能力更深。Bai X[15]等比較了W，W-Ni-Fe和W-Cu三種不同合金藥型罩的穿甲性能發(fā)現(xiàn)，W-Cu合金的穿甲性能最好。分析認為這是由于Cu和W、Fe都不反應生成金屬間化合物，熔融銅液可以在射流和靶板界面起到潤滑作用所致。目前鎢及鎢合金用于破甲藥型罩的研究仍在繼續(xù)。

4　結(jié)　語

由于鎢合金材料在戰(zhàn)斗部材料得到廣泛應用，如何設計鎢合金的特定性能和相關(guān)制備工藝時鎢合金適合特定戰(zhàn)斗部材料性能是目前該領(lǐng)域的研究難點和熱點。解決這一難題，制備加工工藝研究和基礎理論研究是兩個主要解決途徑。

（1）通過改進制備工藝或者同通過大變形調(diào)控鎢合金的組織仍然是提升鎢合金材料力學性能的主要手段。通過放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備超細晶高強韌鎢合金，通過鍛煉、旋鍛等大變形手段得到纖維狀鎢合金可以有效改善其絕熱剪切敏感性，提升其力學性能和穿甲性能。

（2）未來戰(zhàn)斗部用鎢合金穿甲性能和破甲性能的提升更多依靠對鎢合金材料力學性能和侵徹、穿甲過程的理論研究。目前國內(nèi)鎢合金基礎研究與國外差距較大，對于侵徹、穿甲過程的認識尚不能有效指導今后鎢合金材料性能設計，這些在未來很長一段時間內(nèi)都是戰(zhàn)斗部用鎢合金主要的研究方向。

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Current Status and Development of Tungsten Alloys Using in Warheads

YUAN Shu-qiang, ZHANG Bao-yu, CHEN Zi-ming, SHANG Fu-jun
(Ningbo Branch, China Northern Institute for Materials Science and Engineering, Ningbo 315103, Zhejing, China)

Abstract:Tungsten alloys have been widely used in synthesizing warheads due to their unique mechanical properties such as high density, high melting temperature, high strength and good machinability. First, the current research status and application progress of tungsten alloys were introduced in theoretical and applied research; then applied status and unsolved problems of tungsten alloys used in warheads were summarized from tungsten alloy penetrator, rocket, projectile and shaped charge liner. The property demands of tungsten alloys in warheads were emphatically introduced. And the future development trend of tungsten alloys in warheads was projected.

Key words:tungstenalloys;warhead;properties

DOI：10.3969/j.issn.1009－0622.2015.02.010

作者簡介：袁書強（1961-），男，內(nèi)蒙古包頭人，研究員，主要從事金屬材料開發(fā)和應用研究。

收稿日期：2014-12-27

文獻標識碼：A

中圖分類號：TF125.2+41；TJ410.3+3