爆炸燒結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

(大連理工大學工程力學系，遼寧 大連116024)

藥型罩材料是聚能效應能量的載體，其性能直接影響射流質量，如射流密度、射流速度和連續射流長度等。因此希望藥型罩具有破碎性好、侵徹力強、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，進而取代傳統的紫銅藥型罩材料，為適應未來戰爭的需要，許多研究者正在探索研究。復合藥型罩是把不同性能的金屬或合金按照藥型罩的設計復合來發揮綜合優勢，與單金屬藥型罩相比，其能量轉換與吸收機制更合理，化學能的利用率更充分，破甲性能更優越，造價也更低廉，具有廣泛的開發應用前景［5］。多相復合材料如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］，關鍵是W-Cu 復合粉的制備。通常采用機械合金化法，將金屬鎢粉和銅粉在高能量磨球的撞擊下，粉體間發生反復的破碎-冷焊-破碎過程，從而發生固態反應，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、均勻細小的W-Cu粉，然后是高致密度制造工藝，并實現材料微區密度均勻并且無缺陷。目前采用細化晶粒的方法來提高鎢合金的綜合力學性能和穿、破甲能力。采用納米技術制備鎢合金材料是研究發展新型高強韌鎢合金的發展方向。一些研究者正在著手研究具有超細晶粒結構的高密度鎢合金破甲藥型罩和納米鎢合金穿甲彈彈芯，以進一步提高穿、破甲威力。

爆炸粉末燒結技術是利用沖擊波對粉末絕熱壓縮瞬間所產生的高溫、高壓使粉末材料致密并燒結的工藝方法［7］。該工藝最顯著的特點［8］是:由于爆炸燒結在極短的時間內完成，因此復合界面幾乎沒有擴散或僅有程度很小的擴散。所以對機械合金化工藝制備的W-Cu 合金粉爆炸燒結，不僅可以克服W-Cu 合金偏析，而且由于在極短時間內完成，晶粒來不及長大，可以保留機械合金化粉的初始特征，這樣可以得到晶粒細小、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，對合金化粉末進行爆炸燒結成型，以期制取結構良好、高致密、質量(即密度)分布均勻、晶粒細小并且可以達到實用效果的藥型罩材料，分析合金材料結構內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。按質量分數w(W)/w(Cu)=65/35 的配比在QM-BP 行星球磨機上進行球磨。行星球磨機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，主機轉速為350 r/min，進行10、30、50 h 的高能球磨，以判斷合金化效果。

爆炸粉末燒結裝置如圖2 所示。裝填粉末的鋼管內、外徑分別為41、45 mm，兩端端塞各帶有1 個?2 mm 的小孔可進行通氫還原。將W-Cu 合金粉末均勻填滿裝置，油壓機上初壓后混合粉末相對密度達到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，腔內粉末在周圍爆炸壓力均勻作用下而達到高度致密。采用黑索今和硝酸銨炸藥混合調節，炸藥填充密度分別為0.9、1.1 g/cm3，炸藥相應爆速為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 爆炸粉末固結實驗裝置示意圖Fig.2 The experimental setup for explosive consolidation

2 實驗結果及分析

2.1 爆炸粉末燒結W-Cu 合金及其結構

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 復合粉末經高能球磨，粉末顆粒的組織結構發生明顯變化。從粉末經不同時間球磨后的X 射線衍射譜分析可以看出，隨著球磨時間的增加，Cu衍射峰的強度逐漸降低。這是由于Cu 擴散進入到W 相中，促使形成固溶體［9］。根據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構，所以粉末要達到較高的純度，必須進行充分的還原。

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構，需要對加工工藝參數有較高的要求，這些工藝參數包括粉末填充密度、炸藥爆速以及藥粉比等。藥粉比是指炸藥與壓實粉末質量的比值，反映了爆炸燒結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，也會產生馬赫孔，并且沖擊波持續時間變長，徑向膨脹波的作用使得試樣內部產生微裂紋，導致材料的微觀結構缺陷。

上述3 方面因素在共同作用的同時，又相互關聯。爆炸燒結后的樣品要達到實用化的程度，除了良好的結構外，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構缺陷的產生，實現起來比較困難?；诖?，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，粉末致密度達到了93%，接近正常材料密度，同時不會產生宏觀及微觀結構的缺陷，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，其宏觀結構良好，沒有馬赫孔及裂紋的出現。用排水法測得樣品相對致密度為99.6%，材料平均硬度為HV330。

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

將W-Cu 合金材料進行表面拋光處理，進行EPMA 實驗，見圖5。圖中顯示了樣品結構內部的成分及元素分布情況，由于瞬間固結，所以固結材料內部不存在成分偏析，有利于消除微區密度差。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

對燒結樣品作X 射線衍射分析，并與爆炸燒結前的粉末XRD 圖譜作比較，見圖6。由粉末爆炸燒結前后的XRD 圖譜的對稱性可以判斷，爆炸加工過程中沒有固態反應的發生。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，說明爆炸固結過程中沒有發生晶粒長大現象。

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，且內外表面均需用機械加工完成，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 合金材料已經達到了實用化的程度。

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，進行靜破甲實驗，如圖8 所示。

對實驗結果進行測量，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到最佳，這也將影響藥型罩的破甲效果。調整各實驗及加工工藝參數將可以進一步提高破甲性能。

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 論

通過機械合金化的方法制取納米W-Cu 合金化粉末，2 次爆炸燒結合金化粉末得到了接近理論密度的合金材料，材料宏觀及微觀結構良好。瞬間燒結有利于消除成分偏析及微區密度差，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構，細化晶粒有利于提高鎢合金的綜合力學性能和穿、破甲能力，采用納米技術制備鎢合金材料適應了新型高強韌鎢合金的發展方向。將燒結樣品進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 合金藥型罩進行靜破甲實驗，與錐角相同、質量相同的Cu 藥型罩相比較，其破甲深度提高了31.8%。

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