超細(xì)鎢銅復(fù)合粉末注射成型藥型罩研發(fā)及測(cè)試

吳煥龍, 彭科普，向 旭，王 威，宋久鵬

(1.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044；2.四川石油射孔器材有限責(zé)任公司，四川 內(nèi)江 642177;3.廈門(mén)鎢業(yè)股份有限公司國(guó)家鎢材料工程技術(shù)研究中心，福建 廈門(mén) 361026)

超細(xì)鎢銅復(fù)合粉末注射成型藥型罩研發(fā)及測(cè)試

吳煥龍1,2, 彭科普2，向 旭2，王 威3，宋久鵬3

(1.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044；2.四川石油射孔器材有限責(zé)任公司，四川 內(nèi)江 642177;3.廈門(mén)鎢業(yè)股份有限公司國(guó)家鎢材料工程技術(shù)研究中心，福建 廈門(mén) 361026)

W-Cu合金結(jié)合了鎢的高密度與銅的高動(dòng)態(tài)延伸率，是一種前景廣闊的藥型罩材料.為獲得性能優(yōu)良的金屬射流，提高油氣井射孔彈的穿孔指標(biāo)，對(duì)高致密均質(zhì)W-Cu合金藥型罩進(jìn)行了研發(fā).采用熱化學(xué)工藝開(kāi)發(fā)了不同含銅率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，15%，20%，25%)的亞微米級(jí)超細(xì)W-Cu復(fù)合粉末，選W-25Cu型復(fù)合粉末并采用注射近凈成型工藝技術(shù)制備了藥型罩，將脫脂件在H2氣氛中燒結(jié)，峰值溫度為1 200 ℃.采用SEM觀察發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)藥型罩微觀結(jié)構(gòu)為亞微米級(jí)的W粒子均勻地分布在Cu基體中，其實(shí)測(cè)密度高達(dá)14.75 g/cm3.拉伸試驗(yàn)表明，所開(kāi)發(fā)的藥型罩材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，極限抗拉強(qiáng)度達(dá)到822.4 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)807.5 MPa，延伸率為1.18%.破甲性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明，該類藥型罩具有極其穩(wěn)定的侵徹性能. 關(guān)鍵詞: W-Cu藥型罩；超細(xì)復(fù)合粉末；注射成型；組織和性能；混凝土侵徹

藥型罩作為聚能效應(yīng)的能量載體，需具備密度高、延展性好的材料特性，以形成高能量密度、連續(xù)不易斷裂的射流來(lái)完成對(duì)目標(biāo)靶的侵徹[1].W-Cu合金由于綜合了鎢的高密度和銅的高韌性而成為了諸多學(xué)者研究的熱點(diǎn).然而，W和Cu不互溶，這就使得采用傳統(tǒng)的滲銅或粉末混合很難制備出微觀結(jié)構(gòu)十分均勻的W-Cu偽合金，組織不均勻會(huì)嚴(yán)重影響聚能射流在形成和拉伸過(guò)程中的穩(wěn)定性，試驗(yàn)表明其在小炸高條件下破甲深度可比純銅藥型罩提高30%左右，但在大炸高下性能迅速惡化.為解決這一問(wèn)題，采用熱化學(xué)工藝開(kāi)發(fā)了一種亞微米級(jí)W-Cu復(fù)合粉末，再采用金屬注射成型工藝研制獲得了Cu含量為25%的聚能裝藥藥型罩，其幾乎全致密，微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為亞微米級(jí)的W粒子均勻地分布在Cu基體中.

致密度越高，對(duì)藥型罩的材料微區(qū)密度差精度的要求也越高.因此，開(kāi)發(fā)高致密均質(zhì)W-Cu藥型罩的關(guān)鍵是解決材料微區(qū)密度均勻性的問(wèn)題.采用超細(xì)的鎢銅復(fù)合粉末是解決這一問(wèn)題的途徑之一[2].國(guó)內(nèi)，以范景蓮、宋久鵬為代表的諸多學(xué)者此前對(duì)超細(xì)W-Cu復(fù)合粉末已開(kāi)展過(guò)一些研究，但多停留在制備、燒結(jié)技術(shù)和物理力學(xué)性能研究層面[3-8]，尚未見(jiàn)到應(yīng)用超細(xì)W-Cu復(fù)合粉制備藥型罩并測(cè)試破甲性能的報(bào)道.國(guó)外，美國(guó)的貝克休斯(Baker Hughes,Inc.)在其2005年的一份專利中提出采用金屬注射成形(Metal injection molding，MIM)技術(shù)制造石油射孔彈的藥型罩[9].張存信等在2006年報(bào)道了其用注射成型工藝制備W-Cu合金藥型罩的相關(guān)研究[10].本文在結(jié)合注射成型工藝、超細(xì)W-Cu復(fù)合粉末的基礎(chǔ)上研發(fā)出了一系列力學(xué)性能優(yōu)良的藥型罩，并對(duì)W-25Cu聚能罩裝藥進(jìn)行了混凝土侵徹性能測(cè)試.

1 藥型罩制備

通過(guò)圖1所示熱化學(xué)工藝研制了Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、15%、20%和25%的超細(xì)W-Cu復(fù)合粉末，并對(duì)其中的Cu、N、O和C含量進(jìn)行了分析.見(jiàn)表1.

圖1 熱化學(xué)法制備超細(xì)鎢銅復(fù)合粉末流程

Fig.1 Thermochemical process on preparing ultrafine composite W-Cu powder

表1 W-Cu超細(xì)復(fù)合粉末中的化學(xué)成分

Table 1 Chemical contents in ultrafine W-Cu composite powder (wt.%)

采用日本日立公司S3400N型掃描電鏡(SEM)觀察復(fù)合粉末的形貌，結(jié)果見(jiàn)圖2.用該方法制備的W-Cu超細(xì)復(fù)合粉末顆粒細(xì)小但高度團(tuán)聚，平均尺寸約為400～800 nm.雖無(wú)法直接從SEM圖像中識(shí)別出W和Cu在復(fù)合粉末中的分布，但根據(jù)X 射線能譜分析儀(EDX)的分析可知，W和Cu單元同時(shí)存在于每一個(gè)復(fù)合粒子中，這意味著W和Cu均勻地分布在一個(gè)個(gè)團(tuán)聚體中.有關(guān)復(fù)合粉末的物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2.采用英國(guó)Malvern公司Mastersizer 2000激光粒度分析儀可測(cè)得團(tuán)聚體的粒度分布.

超細(xì)W-Cu復(fù)合粉作為藥型罩材料，其Cu含量尚需通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算來(lái)優(yōu)化.作為一項(xiàng)應(yīng)用于藥型罩材料方面的初探性研究，本文選擇了W-25Cu開(kāi)展研究工作.在W-25Cu復(fù)合粉末中，Cu體積占比達(dá)到了42%，高含銅作為形成W-Cu粒子射流中的韌性基體至關(guān)重要.

選用石蠟-聚合物體系作為W-25Cu超細(xì)復(fù)合粉末注射成型喂料的粘結(jié)劑，其中石蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占到51%，聚丙烯30%，聚乙烯16%，硬脂酸3%.采用上海科創(chuàng)公司XS-300型轉(zhuǎn)矩流變儀來(lái)確定混合物中金屬粉末的體積分?jǐn)?shù)，其中腔室內(nèi)攪拌溫度設(shè)置為155 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速60 r/min.考慮到W-25Cu復(fù)合粉末流動(dòng)性差，將875 gW-25Cu復(fù)合粉和80 g粘結(jié)劑加入到轉(zhuǎn)矩流變儀的攪拌室中，使金屬粉末體積占比初始值為40%，此后通過(guò)精確控制金屬粉末添加量使體積分?jǐn)?shù)每次遞增1%，直至攪拌扭矩不平穩(wěn)或急劇增加.

將已混好的金屬粉末體積占比50%的W-25Cu給料注射進(jìn)模具內(nèi)用以制備拉伸試樣，試樣設(shè)計(jì)依據(jù) ISO 2740:2009標(biāo)準(zhǔn).試件成型選用德國(guó)Arburg公司的 Allrounder 360S型注塑機(jī)，注射坯樣依次進(jìn)行溶劑脫脂與熱脫脂[11].其中，經(jīng)10 h 37 ℃的庚烷氣氛溶劑脫脂，從成型試件中去除了49.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的粘結(jié)劑.在氫氣氛下的熱脫脂工藝：以1.5 ℃/min的加熱速率經(jīng)90 min升溫到500攝氏度，隨之以2 ℃/min的加熱速率升溫到900 ℃并保溫90 min.將脫脂試件在另一燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)峰值溫度1 200 ℃，保溫120 min，升溫速率約5 ℃/min，燒結(jié)氣氛為氫氣.對(duì)燒結(jié)件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，并用SEM研究其顯微組織.

經(jīng)過(guò)上述MIM工藝，W-25Cu超細(xì)復(fù)合粉末藥型罩按預(yù)先設(shè)計(jì)被制備出來(lái).

圖2 復(fù)合粉末SEM圖像

表2 W-Cu超細(xì)復(fù)合粉末物性參數(shù)

2 力學(xué)性能測(cè)試

轉(zhuǎn)矩與捏合時(shí)間、轉(zhuǎn)矩與固相含量之間的曲線關(guān)系見(jiàn)圖3.從圖中可以看出，轉(zhuǎn)矩隨固相含量的上升而上升，且當(dāng)固相體積占比達(dá)到52%時(shí)喂料已不能很好的混合.這表明，W-25Cu復(fù)合粉末喂料的臨界固相體積占比大約只有51%，固相含量低是因?yàn)閃-25Cu超細(xì)復(fù)合粉末流動(dòng)性差.粉末越細(xì)，表面積越大、團(tuán)聚特性也越強(qiáng)，這會(huì)大大削減喂料的固相含量，但卻可以提升燒結(jié)性能.采用棒磨之類的解聚法可以增加喂料的固相含量，但考慮到喂料的穩(wěn)定性，建議批量生產(chǎn)時(shí)喂料固相含量選用50%.

圖3 超細(xì)W-25Cu復(fù)合粉末轉(zhuǎn)矩流變特性

采用注射成型工藝制作的拉伸試驗(yàn)試樣見(jiàn)圖4，其中燒結(jié)件收縮率約為19%～22%.用優(yōu)化的注塑工藝參數(shù)制備的無(wú)缺陷藥型罩見(jiàn)圖5.

圖4 注射成型拉伸試驗(yàn)試樣

Fig.4 Tensile test specimens made by MIM with W-25Cu ultrafine composite powder

圖5 W-25Cu超細(xì)復(fù)合粉末注射成型藥型罩

Fig.5 Shaped charge liners made by MIM with W-25Cu ultrafine composite powder

由于本研究中的W-25Cu藥型罩是采用超細(xì)復(fù)合粉末在注射成型工藝下開(kāi)發(fā)的，所以材料接近全致密且組織均勻.應(yīng)用SEM對(duì)燒結(jié)件進(jìn)行研究，微觀結(jié)構(gòu)如圖6所示.由于使用了超細(xì)W-Cu復(fù)合粉末，使得燒結(jié)溫度降到了1 200 ℃，因此W顆粒的長(zhǎng)大不明顯，仍保持在亞微米級(jí)別，W顆粒均勻地分布在Cu基體中.

測(cè)得W-25Cu燒結(jié)件的力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表3.可以看出，圖5所示的藥型罩力學(xué)性能非常優(yōu)良，可直接進(jìn)行切削加工.對(duì)其進(jìn)行切剖，可看到其斷面形貌光亮平整，這一點(diǎn)遠(yuǎn)不同于常規(guī)的W-Cu粉末藥型罩、粉末燒結(jié)藥型罩.

圖6 不同放大倍數(shù)下W-25Cu超細(xì)復(fù)合粉末注射成型燒結(jié)件的SEM圖像

Fig.6 SEM images with different magnification for sintered W-25Cu parts produced by MIM with ultrafine composite powder

表3 W-25Cu超細(xì)復(fù)合粉末注射成型件的力學(xué)性能

3 破甲性能測(cè)試

超細(xì)復(fù)合粉末注射成型制備出的W-25Cu樣品藥型罩致密度很高，且出爐后表面有薄薄的黑灰色覆層，對(duì)其表面進(jìn)行光潔處理后進(jìn)行破甲性能測(cè)試，試驗(yàn)用藥型罩見(jiàn)圖7，幾何參數(shù)見(jiàn)表4.將藥型罩、鈍化奧克托今、殼體壓裝成型，成型射孔彈裝藥量為30 g.

[12]，對(duì)W-25Cu超細(xì)復(fù)合粉末注射成型藥型罩在混凝土靶上的侵徹性能進(jìn)行測(cè)試，炸高取12 mm，測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8. 測(cè)試7發(fā)射孔彈的侵徹深度測(cè)試數(shù)據(jù)為530、540、535、540、530、525、540 mm.

圖7 測(cè)試用藥型罩

圖8 測(cè)試試驗(yàn)裝置

從測(cè)試結(jié)果看，一方面數(shù)據(jù)一致性極好，統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差σ僅為6，對(duì)于混凝土材質(zhì)靶，這種侵徹性能的高度穩(wěn)定性是應(yīng)用傳統(tǒng)粉末與制造工藝生產(chǎn)的藥型罩所不可企及的；另一方面，W-25Cu超細(xì)復(fù)合粉末注塑藥型罩成型裝藥的侵徹性能遠(yuǎn)不及預(yù)期(期望值1 000 mm).

依據(jù)金屬射流侵徹理論，侵徹深度與單因素藥型罩密度呈正相關(guān)[13]，W-25Cu藥型罩致密度有大幅提升，所以侵徹深度不理想必須考慮其它因素.據(jù)張存信等的研究結(jié)論[9]，這與鎢顆粒太小有關(guān)，鎢顆粒間平均間距過(guò)小不能承受壓跨及射流的拉長(zhǎng)，最終導(dǎo)致射流的發(fā)散，顯著降低了侵徹深度.從工藝來(lái)看，應(yīng)通過(guò)控制燒結(jié)溫度來(lái)調(diào)整鎢粒的大小或提高含銅比例，以改善侵徹性能.高密度藥型罩需與之匹配較大的裝藥量，為藥型罩壓垮和射流拉伸提供足夠能量[14].此外，從對(duì)燒結(jié)件的力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，延伸率偏低也是侵徹效果不佳的主要因素[15].

表4 測(cè)試用藥型罩幾何參數(shù)

4 結(jié) 論

1)采用熱化學(xué)工藝開(kāi)發(fā)了亞微米級(jí)超細(xì)W-Cu復(fù)合粉末，再采用注射成型工藝制備了W-25Cu超細(xì)復(fù)合粉末藥型罩，其材料微觀組織均勻、機(jī)械力學(xué)性能優(yōu)良.裝藥進(jìn)行混凝土侵徹性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，超細(xì)復(fù)合粉末注射成型藥型罩侵徹穩(wěn)定性極好.

2)W-25Cu藥型罩高度致密均質(zhì)取決于粉末性態(tài)、藥型罩制備工藝.由于鎢顆粒太小、延伸率偏低及某些尚不明確的因素，使得侵徹深度遠(yuǎn)不及預(yù)期，可通過(guò)控制燒結(jié)溫度調(diào)整鎢粒大小或提高復(fù)合粉含銅率來(lái)提升侵徹性能.藥型罩密度增加后與裝藥量不匹配也是影響W-25Cu超細(xì)復(fù)合粉末藥型罩侵徹能力的重要因素.

3)金屬射流侵徹性能的影響因素多.就材料因素來(lái)看，由于種種條件限制，有關(guān)鎢顆粒大小、含銅率、孔隙度對(duì)該類藥型罩侵徹性能影響的研究，還有待相關(guān)學(xué)者進(jìn)一步探究.

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(編輯 張積賓)

Development and performance test of tungsten-copper shaped charge liners by metal injection moulding of ultrafine composite powder

WU Huanlong1，3, PENG Kepu3，XIANG Xu3，WANG Wei2，SONG Jiupeng2

(1.College of Mechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China; 2.Sichuan Petroleum Perforating Materials Co.,Ltd,Neijiang 642177，China; 3.China National R&D Center for Tungsten Technology，Xiamen Tungsten Co.,Ltd，Xiamen 361026，China)

Tungsten-copper (W-Cu) is an attractive material for shaped charge liner due to the combination of the high density of W and the good plasticity of Cu. In order to improve penetration indexes of perforating charges by obtain metal jet with excellent performance，the W-Cu liner with high degree homogeneity and relative density was developed.A series of submicron W-Cu composite powder with different Cu content from 10%～25% has been developed by thermo-chemical process. With the utilization of metal injection moulding(MIM), a type of near net-shaping shaped charge liner in W-25Cu has been prepared.The debinded parts were then sintered in Hydrogen atmosphere at the peak temperature of 1 200 ℃.After being sintered,the measured density of W-25Cu liner reached 14.75 g/cm3.Tensile test indicated that the developed liner possessed excellent material mechanical properties，ultimate tensile strength 822.4 MPa, Yield strength 807.5 MPa, Elongation 1.18%.The resulted material observed by SEM has a microstructure with the submicron W particles distributing homogeneously in the Cu matrix.The ballistic test showed the shaped charge W-25Cu liner by metal injection moulding of ultrafine composite powder with a high stable performance to penetrating into concrete target.Keywords: W-Cu shaped charge liner;ultrafine composite powder; metal injection moulding; microstructures and properties;concrete penetration

2016-09-19. 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間: 2017-07-07.

吳煥龍(1985—)，男，碩士，工程師.

吳煥龍，E-mail：whlliangtian@163.com.

10.11951/j.issn.1005-0299.20160309

TB331；TJ410.3+33；TE257+.1

A

1005-0299(2017)04-0091-06