細(xì)晶80W-Cu材料制備及力學(xué)性能研究

摘 要：利用霧化干燥法制粉燒結(jié)一種藥型罩用細(xì)晶W-Cu的材料，并對(duì)其室溫下的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合SEM掃描電鏡觀察其斷口形態(tài)和組織沖擊變形形貌。結(jié)果表明，W含量80%的細(xì)晶W-Cu材料密度為15.57 g/cm3，致密度為99.18%；細(xì)晶材料晶粒形貌規(guī)則，大小約為10 μm，黏結(jié)相均勻包裹W顆粒。靜態(tài)拉伸強(qiáng)度最大達(dá)到659 MPa，延伸率為8%。應(yīng)變率在1 500～5 000/s范圍內(nèi)，細(xì)晶W-Cu沖擊壓縮強(qiáng)度最高達(dá)到1 450 MPa，壓縮試件的塑形變形主要體現(xiàn)為W顆粒壓扁形變。

關(guān)鍵詞：鎢銅；噴霧干燥；細(xì)晶；力學(xué)性能；微觀組織

中圖分類號(hào)：TG146 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）29-0098-04

Abstract： A fine-grained W-Cu material for Shaped Charge Liners （SCLs） was sintered using spray drying method， and its static and dynamic mechanical properties were tested at room temperature. The fracture morphology and microstructure impact deformation morphology were observed using scanning electron microscopy. The results show that the density of fine-grained W-Cu material with 80% W content is 15.57 g/cm3， and the density is 99.18%; The grain morphology of fine-grained materials is regular， with 1d4399263ad46752fc5ebe1ea9776c6563bbbd1d4e41971aa3c24207dfffe84da size of approximately 10 μm. The bonding phase uniformly wraps W particles. The maximum static tensile strength reaches 659 MPa， with an elongation of 8%. Within the strain rate range of 1 500～5 000/s， the maximum impact compressive strength of fine-grained W-Cu reaches 1 450 MPa. The plastic deformation of the compressed specimen is mainly reflected in the flattening of W particles.

Keywords： W-Cu; spray drying; fine-grain; mechanical property; microstructure

研究表明，侵徹性能優(yōu)異的金屬射流需要藥型罩材料具備高密度、高致密度、組織均勻和細(xì)晶等特點(diǎn)[1-5]。W-Cu材料兼具Cu的延展性及W的高密度等優(yōu)點(diǎn)，作為金屬藥型罩的潛力備選材料在國(guó)內(nèi)外被廣泛研究[6-7]。目前，主要采用熔滲法[8]制備W-Cu藥型罩材料，但存在組織形態(tài)不均勻、W晶粒間連接度較高等問題。因此，如何改進(jìn)W-Cu材料制備方法以提升其綜合力學(xué)性能成為藥型罩用W-Cu材料研究的主要內(nèi)容之一。

劉迎彬等[9]采用機(jī)械活化W-Cu粉末的壓力燒結(jié)，制備了不同配比的W-Cu-Pb材料，但由于材料出現(xiàn)缺陷，侵徹性能隨著缺陷增加而降低。Zhao等[10]制備了W-16Cu-4Zn材料，其晶粒大小約為10 μm，W-W間連接度較高，雖然材料相比于80W-Cu強(qiáng)度有所提高，但其塑性顯著降低，侵徹1d4399263ad46752fc5ebe1ea9776c6563bbbd1d4e41971aa3c24207dfffe84d深度隨之減小。吳煥龍等[11]采用霧化干燥法制備75W-Cu粉末，注射成型后燒結(jié)的方法制備出致密均勻的75W-Cu材料，其晶粒大小約5 μm，拉伸強(qiáng)度達(dá)到822.4 MPa，但延伸率僅1.18%，侵徹效果低于預(yù)期。因此，針對(duì)藥型罩用W-Cu材料，不僅需要鎢晶粒細(xì)小且均勻分布，還要能在增加強(qiáng)度的同時(shí)保證一定的塑性。

霧化干燥法[12]是一種能夠獲得成分均勻且顆粒細(xì)小的金屬粉末制備方法。本文利用霧化干燥法制備超細(xì)粉末以避免鎢顆粒在燒結(jié)過程中快速長(zhǎng)大，從而獲得一種均勻致密的細(xì)晶80W-Cu藥型罩材料，并對(duì)其在1 000～5 000/s應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)

采用霧化干燥法制粉燒結(jié)了W含量為80%的細(xì)晶W-Cu材料。配置目標(biāo)材料的鹽溶液，將配置的鹽溶液在噴霧干燥機(jī)中進(jìn)行200 ℃物理干燥得到前驅(qū)粉體A，再將前驅(qū)粉體A在空氣中400 ℃條件下進(jìn)行煅燒，以去除粉末中的陰離子，得到前驅(qū)粉體B，最后將前驅(qū)粉體B在氫氣等氣氛保護(hù)下800 ℃還原，得到目標(biāo)粉體，其工藝流程圖如圖1所示。并加入活化劑以5 ℃/min的升溫速率進(jìn)行加熱，加熱至1 400 ℃后保溫?zé)Y(jié)3 h，之后隨爐冷卻，最終得到致密均勻的細(xì)晶W-Cu材料。并且相同條件下采用熔滲法制備了同成分材料進(jìn)行對(duì)比。

采用阿基米德排水法測(cè)量材料密度，通過計(jì)算得出材料致密度。利用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的拉伸強(qiáng)度、延伸率及斷面收縮率。將W-Cu材料試樣制備成3 mm×3 mm（直徑×高）的霍普金森壓桿件試樣，在不同初始載荷條件下使用霍普金森壓桿進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮性能測(cè)試；對(duì)原始組織及動(dòng)態(tài)壓縮后的材料采用Thermo Scientific Apreo 2型掃描電子顯微鏡進(jìn)行組織分析表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)晶80W-Cu材料組織表征

霧化干燥法制備出超細(xì)W-Cu粉末，如圖2所示，粉末細(xì)致均勻，平均粒徑約為0.5 μm。

材料組織如圖3所示，采用霧化干燥法制粉燒結(jié)的細(xì)晶材料十分致密，材料密度為15.57 g/cm3，致密度為99.18%，與普通熔滲法材料接近。2種材料原始組織如圖3所示，白亮部分是W顆粒而深色部分是Cu的黏結(jié)相，普通熔滲法的W-Cu材料中可以明顯看到W骨架的相連，W與W顆粒之間的連接度很高，黏結(jié)相沒有均勻地包裹W顆粒且分布不均勻，W顆粒大小約為15 μm。而采用噴霧干燥法制備的細(xì)晶W-Cu材料W顆粒則被黏結(jié)相均勻地包裹，W與W顆粒之間的連接度相對(duì)較低，材料組織均勻，沒有偏析等缺陷，W顆粒大小約為10 μm。

2.2 靜態(tài)拉伸性能測(cè)試

細(xì)晶W-Cu材料靜態(tài)拉伸性能如圖4所示，霧化干燥法制粉燒結(jié)的細(xì)晶材料拉伸強(qiáng)度最大達(dá)到659 MPa，延伸率8%，斷面收縮率達(dá)到3%。與之相比，普通熔滲法的試件拉伸強(qiáng)度僅為578 MPa，且延伸率平均小于8%。

如圖5所示，細(xì)晶W-Cu材料斷口電子背散射衍射圖中白亮區(qū)成分為W，而深色區(qū)為黏結(jié)相，細(xì)晶材料斷口處成分分布均勻，斷口微觀組織表明斷裂處呈現(xiàn)W顆粒與黏結(jié)相之間的斷裂與大量W顆粒的解理斷裂，出現(xiàn)W顆粒解理斷裂說明其黏結(jié)相和W顆粒間結(jié)合強(qiáng)度很高。拉伸過程中變形與失效主要體現(xiàn)在W顆粒而非黏結(jié)相上使得細(xì)晶W-Cu材料具有較高的拉伸強(qiáng)度。

2.3 動(dòng)態(tài)壓縮性能測(cè)試

細(xì)晶W-Cu材料動(dòng)態(tài)壓縮性能如圖6所示，霧化干燥法制粉燒結(jié)的細(xì)晶W-Cu材料，其應(yīng)變隨著應(yīng)變率增加而增大。隨著應(yīng)變率從1 600/s提升到4 400/s，應(yīng)變則從0.12增加到0.43，強(qiáng)度在應(yīng)變率3 400/s下達(dá)到最大，為1 450 MPa。

普通熔滲法的W-Cu材料動(dòng)態(tài)壓縮性能如圖7所示，應(yīng)變隨著應(yīng)變率增加也增大，隨著應(yīng)變率從1 200/s增加到5 100/s，應(yīng)變則從0.1增加到0.47，強(qiáng)度在應(yīng)變率4 100/s下達(dá)到最大，為1 050 MPa。

可以看出，在相同應(yīng)變率下，2種材料的應(yīng)變十分接近，但是霧化干燥法制粉燒結(jié)的細(xì)晶材料強(qiáng)度卻高出38%。高強(qiáng)度和好塑性都是藥型罩材料所需要的屬性，傳統(tǒng)方法在增加強(qiáng)度的同時(shí)往往伴隨著塑性的下降，而細(xì)晶材料在強(qiáng)度提高的同時(shí)應(yīng)變與同條件下的傳統(tǒng)方法接近，理論上可以有效地避免塑性降低對(duì)藥型罩侵徹性能的不良影響。研究表明細(xì)化晶粒使黏結(jié)相均勻地分布在W顆粒周圍，可以大大減少位錯(cuò)積塞的可能性，增強(qiáng)黏結(jié)相與W顆粒間協(xié)調(diào)變形能力，提高動(dòng)態(tài)強(qiáng)度[13-16]。細(xì)晶W-Cu材料，在承受壓縮之前黏結(jié)相就均勻地包裹著W顆粒，而普通熔滲法W顆粒卻沒有被黏結(jié)相均勻包裹，因此在高應(yīng)變率下細(xì)晶的W-Cu材料黏結(jié)相和基體間變形協(xié)調(diào)能力更強(qiáng)，材料在保持W顆粒細(xì)晶的同時(shí)材料成分分布更均勻，這也使得其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度更高。

霍普金森桿實(shí)驗(yàn)后高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)壓縮下的W-Cu材料組織形貌如圖8、圖9所示。

從圖8、圖9可知，隨著霍普金森桿應(yīng)變率的提升，細(xì)晶材料的W顆粒變形程度逐漸增大，在高應(yīng)變率下，W顆粒出現(xiàn)了明顯的沿變形方向拉長(zhǎng)的現(xiàn)象。而即使在高應(yīng)變率下，應(yīng)變相當(dāng)時(shí)，普通熔滲法材料與細(xì)晶材料比，W顆粒變形也不明顯。高應(yīng)變率下熔滲法霍普金森桿件極易被擊碎，材料表現(xiàn)出一定的脆性。在動(dòng)態(tài)壓縮變形的過程中，細(xì)晶的W-Cu材料黏結(jié)相均勻包裹著W顆粒，這使得黏結(jié)相與W顆粒間的結(jié)合效果更強(qiáng)，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與積塞，材料動(dòng)態(tài)壓縮過程應(yīng)力集中等現(xiàn)象更少，材料塑性更強(qiáng)，塑性變形主要體現(xiàn)在W顆粒的變形上。因此細(xì)晶的W-Cu材料W顆粒隨著應(yīng)變率的增加而逐漸被拉長(zhǎng)。而熔滲法材料由于黏結(jié)相結(jié)合效果較差，黏結(jié)相沒有均勻包裹著W顆粒，因此隨著應(yīng)變率的升高，W顆粒變形遠(yuǎn)沒有細(xì)晶W-Cu材料明顯，材料塑性更差。

3 結(jié)論

1）采用霧化干燥法制粉并燒結(jié)出的含W量80%的W-Cu材料，材料平均密度為15.57 g/cm3，致密度為99.18%。細(xì)晶W-Cu材料W顆粒約為10 μm，粒徑約為普通材料的66%，材料組織均勻，W與W顆粒之間連接度很低且W顆粒被黏結(jié)相均勻包裹。

2）細(xì)晶W-Cu靜態(tài)拉伸強(qiáng)度最大達(dá)到659 MPa，延伸率為8%，斷面收縮率達(dá)到3%。斷口處呈現(xiàn)W顆粒解理斷裂。動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)在相同應(yīng)變率下，細(xì)晶W-Cu材料與普通熔滲法材料的應(yīng)變十分接近，但是細(xì)晶材料動(dòng)態(tài)壓縮下的強(qiáng)度高出了38%。在霍普金森桿動(dòng)態(tài)壓縮下，隨著應(yīng)變率的升高，細(xì)晶80W-Cu材料W顆粒變形，長(zhǎng)徑比隨之提高。

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