鎢合金穿甲彈芯材料強化技術及材料技術國外研究分析

張明星，黃曉霞

(1.四川航天技術系統(tǒng)工程研究所，成都 610100; 2.中國兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039)

鎢是高密度難熔金屬，具有體心立方原子晶格結構，一般鎢重合金中的晶粒尺寸為幾十微米，具有極為穩(wěn)定的壓縮動態(tài)塑性變形行為，這種穩(wěn)定的塑性行為對動能穿甲彈材料來說不是一種理想的性能。但是，最近的研究表明，當鎢重合金的晶粒尺寸減小超過一個數(shù)量級時，其動態(tài)機械性能就會發(fā)生重大改變，因而直接影響其穿甲性能。當超細晶粒和納米晶在平均晶粒尺寸等于或小于250 nm 時，會出現(xiàn)形成動態(tài)剪切帶的不穩(wěn)定動態(tài)壓縮塑性變形行為，特別是局部化絕熱剪切變形性能，具有與貧鈾材料相似的“自銳化”效應，因此它成為替代貧鈾彈芯材料的一種新選擇而得到國外的重視。

1 鎢合金穿甲彈芯材料強化技術

1.1 大變形強化工藝技術

近十多年來，英、美、德等國均對鎢合金大變形強化技術開展了研究，旨在通過對鎢重合金坯料的大變形量加工，使其獲得具有強化功能的纖維組織，從而大幅度提高材料的強度和韌性，并且仍能保持適當?shù)难诱剐浴?/p>

英國國防研究中心研究了92.5%W-Ni-Fe-Co 合金的大變形型鍛技術，直徑大于36 mm 的高純鎢合金棒坯經(jīng)液相燒結和熱處理之后，進行兩次型鍛加工和中間熱處理。兩次變形加工的總變形量截面減縮比大于90%。最終經(jīng)熱處理獲得所要求的力學性能。

德國多尼爾公司利用反應噴射工藝制得細晶多元預合金化鎢合金粉，經(jīng)固相燒結，得到細晶組織。再經(jīng)型鍛加工和熱處理，獲得高強韌鎢合金。型鍛加工最大變形量截面減縮比為80%，鎢顆粒被拉長，且出現(xiàn)無雜質(zhì)的新界面，這種短纖維模式的鎢顆粒有纖維增強作用，并使合金斷裂方式由晶間轉變?yōu)榇┚嗔?。?jīng)適當調(diào)整工藝參數(shù)，鎢合金的抗拉強度可超過1 700 MPa，延伸率大于10%。

美國陸軍研究實驗室對鎢合金動能穿甲彈芯在兩種不同工藝狀態(tài)下的彈道進行了試驗對比和金相學分析，發(fā)現(xiàn)大變形強化對彈芯的性能有重要影響。首先進行了彈道性能試驗對比，制造了兩組90W9Ni1Co 合金彈芯，其中一組保持燒結和熱處理狀態(tài)，另一組進行了截面鍛壓比為50%的鍛造冷作加工和時效熱處理，這兩組工藝狀態(tài)代表了90W9Ni1Co鎢合金的兩種常規(guī)極端情況。鎢合金這兩種工藝狀態(tài)下的燒結態(tài)和鍛造態(tài)的殘余彈芯宏觀照片分別見圖1。在侵徹過程中，彈芯尾部基本上不變形，圖1 左(b)證實了微觀組織從原始態(tài)到燒蝕碎片所發(fā)生的變化，可以看到，鎢顆粒逐漸拉長，從原始微觀組織變成了大長細比組織，燒蝕碎片中的鎢顆粒全都被極度拉長，圖1 左(c)中的微觀組織是在碎片中看到的典型組織，與圖1 右中鍛造鎢合金對比，發(fā)生了局部化變形，形成剪切碎片。

圖1 燒結態(tài)和鍛造態(tài)鎢合金殘留彈芯宏觀照片

研究認為，液相燒結的90W9Ni1Co 鎢合金彈芯經(jīng)過截面鍛造比為50%的鍛造冷作加工，隨后進行時效熱處理，可以提高對鋼裝甲的侵徹性能。相同質(zhì)量和幾何形狀鎢合金次口徑長桿式彈芯經(jīng)過這種冷作加工之后與加工前相比，對RHA 鋼靶的極限穿透速度可以降低30 ～40 m/s。

1.2 其他強化工藝技術

近年來，國外研究的鎢合金其他強化工藝技術有以下幾種:等溫退火+熱機械加工;多次軋制+熱處理工藝;化學氣相沉積+動態(tài)壓實等。下面是有關國家研究情況:

荷蘭研究人員用“等溫退火和熱機械加工”方法獲得了抗拉強度為1 700 MPa，延伸率10%，缺口沖擊韌性值約100 J 的高力學性能鎢合金材料。在該工藝中，由直徑約1 ～5 μm 的鎢、鎳和鈷粉末燒結成的鎢合金坯料經(jīng)過了至少一次等溫退火和溶解退火，目的是使奧氏體γ 粘結相轉化成金屬間化合物類型的β 相。等溫退火后，再進行溶解退火處理，使β 相晶體部分重溶，從而極大地提高燒結鎢合金性能。

法國采用“多次軋制+熱處理工藝”對燒結鎢合金進行三次軋制和熱處理，使含80% ～90%鎢的WNiFe 合金抗拉強度達到1 300 ～2 000 MPa。

美國陸軍研究實驗室采用“化學氣相沉積+動態(tài)壓實”方法實現(xiàn)提高鎢合金性能。為達到上述目的，研究人員用流化床化學氣相沉積技術在直徑不超過10 μm 的鎢粉上均勻涂覆鎳鐵等粘結相元素的鍍層，采用動態(tài)壓實技術在低于鎢合金液相燒結溫度情況下將預涂覆粉末壓實為鎢合金棒坯。彈道試驗研究表明，該合金彈芯侵徹半無限均質(zhì)裝甲鋼的性能(侵徹深度)比傳統(tǒng)鎢合金彈芯高約11% ～13%。

2 鎢合金穿甲彈芯材料技術

2.1 納米鎢彈芯材料技術

美國陸軍研究實驗室對納米晶鎢彈芯進行了彈道性能試驗，并與常規(guī)鎢合金彈芯性能進行了對比，納米晶復合材料彈芯的密度比較低，但是其侵徹性能卻明顯優(yōu)于常規(guī)鎢重合金。

為了制造用于高性能動能穿甲彈芯的超細晶粒和納米晶體鎢材料，美國陸軍研究了納米晶鎢粉末的燒結工藝。鎢的致密化主要受到晶粒長大的支配。因此，為了強化超細晶粒鎢和納米晶粒鎢，致密化工藝就應該提供極快的加熱速率，以便減小晶粒生長。施加高壓也是可取的辦法，它提供了額外的致密化驅(qū)動力。一般情況下，加工時間越短，溫度越低，對保持細晶粒結構就越有利。

2.2 非晶鎢復合彈芯材料技術

非晶材料又稱金屬玻璃，它們沒有有序排列的晶體結構。在一般溫度下，金屬玻璃處于一種深度冷卻狀態(tài)，即:當?shù)陀谄洳ＡмD化溫度時，金屬玻璃的黏性會極高，原子都很穩(wěn)定。但當高于玻璃轉化溫度時，金屬玻璃的黏性會快速降低。當高于某一溫度時，原子活動性提高，會形成晶體相，這時金屬玻璃就會變得不透明。

金屬玻璃總是擁有很高的彈性應變極限，并因此有很高的屈服強度。但是，超過其彈性極限，這些金屬玻璃材料并不發(fā)生應變硬化，而且塑性變形會立即局限在剪切帶中，即發(fā)生局部剪切變形，這種特性非常類似于貧鈾穿甲彈芯的變形和失效方式，因此引起國外的極大關注，國外普遍對鎢絲增強非晶復合材料進行了研究。

美國加利佛尼亞理工大學于2000年提出非晶態(tài)合金作基體相的鎢絲復合材料穿甲彈芯技術。其主要特點是，該復合材料彈芯的彌散相是大量高長細比的重金屬鎢絲，這些鎢絲被金屬基體包圍并潤濕，形成一個整體彈芯。其中，基體金屬具有在變形時形成局部剪切帶的特性，而重金屬彌散相主要是鎢、鉭、鉿、鈾及其合金等。

非晶態(tài)金屬是一種很好的局部剪切帶材料。彈芯的局部剪切帶材料要求基體材料能夠從熔融態(tài)以比較快的速度冷卻下來，正是這些合金適用于彈芯，雖然有些合金不太容易保持非晶態(tài)，但可以在較低冷卻速度下形成微晶態(tài)。非晶態(tài)和微晶態(tài)金屬在變形時都會形成局部剪切帶，都適合用做復合材料彈芯的基體材料。

2.3 新型鎢基體彈芯材料技術

韓國科學技術學院材料科學與工程系、韓國原子能研究所和韓國國防發(fā)展局等單位聯(lián)合進行了一項研究，針對提高穿甲彈芯鎢合金材料對局部化剪切變形的敏感性問題，通過機械合金化粉末冶金工藝技術在鎢合金中刻意形成偏聚基體相的方法。

最近，韓國原子能研究所等單位對機械合金化氧化物彌散鎢合金的變形和斷裂行為進行了實驗研究。實驗顯示，利用機械合金化工藝可以制造氧化物彌散鎢合金，鎢顆粒尺寸會隨著Y2O3含量的增加而下降，因為粗化速率下降。加入氧化物可以有效細化鎢合金的微觀組織。鎢合金在800℃的高溫壓縮試驗結果表明，機械合金化氧化物彌散鎢合金的強度會隨著氧化物的含量增加而增加。在高應變率剪切變形期間氧化物彌散鎢合金具有過早斷裂傾向，而不是局部變形。

2.4 單晶鎢彈芯材料技術

美國陸軍研究發(fā)現(xiàn)，如果單晶純鎢的晶向平行于沖擊方向，則表現(xiàn)出來的侵徹能力與貧鈾相同，美國阿伯丁試驗場陸軍研究實驗室用1/4 比例大長徑比晶向單晶鎢彈芯射擊76.2 mm 厚度扎制均質(zhì)鋼半無限靶的對比試驗結果表明，該彈芯的侵徹性能超過93%鎢合金彈芯，類似于U-0.75Ti 合金彈芯的性能，所以單晶鎢彈芯是穿甲彈芯材料技術的一個重要發(fā)展方向。但是，單晶純鎢不能承受較高的火炮發(fā)射應力，缺乏足夠的強度和韌性，不能保持發(fā)射的完整性。

美國研究了高強度單晶鎢合金材料，與單晶純鎢相比，其強度和韌性都有所增加，這種單晶鎢合金材料能夠滿足美國陸軍所制定的高密度彈芯標準，能承受火炮發(fā)射應力。圖2中的單晶鎢合金彈芯為圓柱形，頭部為圓錐形。長徑比達到15∶1，用單晶材料可以加工成直徑約25 mm，長度350 ～600 mm 的各類彈芯，這樣的彈芯能夠有效侵徹裝甲。

圖2 單晶鎢合金彈芯

2.5 變性能鎢彈芯材料技術

變性能彈芯是指在彈芯不同部位采用不同成分的材料或通過不同加工工藝制成的一種彈芯，以適應彈芯不同部位侵徹性能的要求。

早在1989年，奧地利就開始研究這種彈芯材料。他們通過控制W 合金或U 合金彈芯的頭、中、尾三部分的冷鍛變形量或局部熱處理，可使W 合金彈芯頭部的強度達1 100 ～2 000 MPa，中部達600 ～900 MPa，尾部達1 450 MPa。

之后，美國、德國、日本等國家都分別提出并實施了這項技術。但各國采用的工藝方法和材料等各不相同。美國和德國的方法是把具有不同成分、性能的彈芯的頭、中、尾三部分材料通過焊接或擴散燒結方法結合在一起，形成一種變成分、變性能的彈芯。例如德國萊茵金屬公司發(fā)明的變性能大長徑比鎢合金穿甲彈芯材料，頭部和尾部采用韌性較好的高密度W 合金或U 合金，中部采用脆性W 合金或U 合金。而美國是利用扭轉硬化工藝使彈芯獲得變性能特點的。日本冶金公司提出的變性能彈芯是用傳統(tǒng)燒結工藝制造而成。其特點是彈芯軸心部由97W -Ni -Fe 組成，具有較高密度、強度和硬度，外層由89W-Ni-Fe 組成，具有高韌性。

3 結束語

穿甲彈彈芯材料的發(fā)展對于穿甲彈來說具有重要的意義，密度大、硬度高、韌性好是彈芯材料的必備條件?？紤]到貧鈾合金的重金屬化學毒性及放射性對人員的傷害和對環(huán)境的污染，目前各國關注的焦點是如何提高鎢合金彈的穿甲威力，尤其是如何提高其絕熱剪切能力。因此，發(fā)展新型鎢合金復合材料，利用絕熱剪切變形特性提高彈芯侵徹威力，取代貧鈾合金并發(fā)展性能與貧鈾合金相同甚至超過貧鈾合金的新材料，是當前穿甲彈芯技術的主要發(fā)展趨勢。鎢合金彈芯材料將在繼續(xù)提高強韌性和“自銳化”效應方面作出努力，重點發(fā)展納米鎢合金彈芯、非晶態(tài)基體鎢絲復合材料和單晶或鎢晶須增強復合材料彈芯材料等。

［1］岳明凱.曲家惠.穿甲彈彈芯材料的發(fā)展趨勢研究［J］.飛航導彈，2010(10):67-70，85.

［2］張存信，秦麗柏，米文宇.我國穿甲彈用鎢合金研究的最新進展與展望［J］.粉末冶金材料科學與工程，2006，11(3):127-131.

［3］張寶生，康志君. 高密度鎢合金的穿甲特性及其應用［J］.中國鎢業(yè)，1999，14(5/6):178-185.

［4］張存信，范愛國，田華.鎢絲束穿甲彈的研究［J］.兵器材料科學與工程，2003，26(6):63-65.

［5］田開文，尚福軍，祝理君.具備絕熱剪切敏感性的鎢合金穿甲彈材料研究現(xiàn)狀［J］.兵器材料科學與工程，2005，28(4):53-55.

［6］祝志祥，程興旺，才鴻年，等.高侵徹性能鎢合金研究進展［J］.兵器材料科學與工程，2006，29(6):69-72.

［7］郭瑞萍，王寶生.美國重視單晶鎢合金彈芯技術的發(fā)展［R］.世界兵器發(fā)展年度報告，2006.

［8］姜志保，鄭波，趙廣寧.貧鈾彈的作用機理及其危害與防護［J］.大學物理，2005，24(2):52-56.

［9］劉群，陳朗，伍俊英.空間碎片超高速碰撞復合板數(shù)值模擬分析［J］.兵工學報，2010，31(1):69-73..

［10］黃家溥，王良厚，張酉水.貧鈾彈發(fā)展概述及使用案例［J］.公安大學學報，2001(4):21-23.

［11］馬曉飛，李園，徐豫新.破片對薄蓋板裝藥的沖擊起爆研究［J］.彈箭與制導學報，2009，29(5):133-138.

［12］李向東，蘇義嶺，韓永要.導彈目標在破片式戰(zhàn)斗部作用下的易損性評估［J］. 爆炸與沖擊，2007，27(5):468-472.

［13］申志強.穿甲子彈偏心入射陶瓷復合靶板的侵徹機理研究［D］.長沙:國防科學技術大學，2006.

［14］陳衛(wèi)東，張忠，劉家良.破片對屏蔽炸藥沖擊起爆的數(shù)值模擬和分析［J］.兵工學報，2009，30(9):1187-1191.

［15］賈憲振，陳松，楊建，等.雙破片同時撞擊對B 炸藥沖擊起爆的數(shù)值模擬研究［J］.高壓物理學報，2011，25(5):469-474.

［16］章冠人，陳大年.凝聚炸藥起爆動力學［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1991.

［17］Mahmood Taheri Shahraini.Casing Toughness Effect on Anti-Air Fragmentation Warhead Perfprmance. 23rdInternational Symposium on Ballistics Tarragona，SPAIN 16-20，APRIL 2007.

［18］SCHUSTRE B E. A comparison of the Deformation Flow and Failur of Two Tyngsten Heavy Alloys in Ballistic Impacts，ARL-RP-122，2006.

［19］DIEGO S.Single crystal tungsten penetrator and miethod of making，US20050072498.

［20］BEGG L L. Single cryatal tungster alloy penetrator and method of making.US20020059882.

［21］MANGNWW L. An overview of the penetration performances of tungsten and depleted uranium alloy penetratorw［C］20thInternational Symoosium on Ballistics，2002:23-27.

［22］Livermore Software Technology Corporation［M］.LS-DYNA Keyword User’S Manual(971 v).Livermore，2007.

［23］HELD M.Initiation phenomena with shaped charge jet［C］.9th Int.Symp.On Detonation，1989:1416-1425.

［24］KIRAN U R，Venkat S，Rishikesh B，et al.Effect of tungsten content on microstmcture and mechanical properties of swaged tungsten alloys［J］.Materials Science and Engineering A，2013，582:389-396.

［25］CORDERO Z C. Powder-route synthesis and mechanical testing ofuhrafine grain tungsten alloys［J］. Metallurgical and MaterialsTransitions A，2014(45A):3609-18.

［26］AGUIRRE M V，MARTIN A，PASTROR J Y，et al.Mechanical properties of tungsten alloys with Y203 and titanium additions.Journal of NuclearMaterials，2011(417):516-519.

［27］PRABHU G，KUMAR A N，SANKARANARAYANA M，et al. Tensile and impact properties of microwave sintered tungsten heavy alloys［J］. Materials Science and Engineering A，2014(607):63-70.