細晶80W-Cu材料制備及力學性能研究

摘 要：利用霧化干燥法制粉燒結一種藥型罩用細晶W-Cu的材料，并對其室溫下的靜態和動態力學性能進行測試，結合SEM掃描電鏡觀察其斷口形態和組織沖擊變形形貌。結果表明，W含量80%的細晶W-Cu材料密度為15.57 g/cm3，致密度為99.18%；細晶材料晶粒形貌規則，大小約為10 μm，黏結相均勻包裹W顆粒。靜態拉伸強度最大達到659 MPa，延伸率為8%。應變率在1 500～5 000/s范圍內，細晶W-Cu沖擊壓縮強度最高達到1 450 MPa，壓縮試件的塑形變形主要體現為W顆粒壓扁形變。

關鍵詞：鎢銅；噴霧干燥；細晶；力學性能；微觀組織

中圖分類號：TG146 文獻標志碼：A 文章編號：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、組織均勻和細晶等特點[1-5]。W-Cu材料兼具Cu的延展性及W的高密度等優點，作為金屬藥型罩的潛力備選材料在國內外被廣泛研究[6-7]。目前，主要采用熔滲法[8]制備W-Cu藥型罩材料，但存在組織形態不均勻、W晶粒間連接度較高等問題。因此，如何改進W-Cu材料制備方法以提升其綜合力學性能成為藥型罩用W-Cu材料研究的主要內容之一。

劉迎彬等[9]采用機械活化W-Cu粉末的壓力燒結，制備了不同配比的W-Cu-Pb材料，但由于材料出現缺陷，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，拉伸強度達到822.4 MPa，但延伸率僅1.18%，侵徹效果低于預期。因此，針對藥型罩用W-Cu材料，不僅需要鎢晶粒細小且均勻分布，還要能在增加強度的同時保證一定的塑性。

霧化干燥法[12]是一種能夠獲得成分均勻且顆粒細小的金屬粉末制備方法。本文利用霧化干燥法制備超細粉末以避免鎢顆粒在燒結過程中快速長大，從而獲得一種均勻致密的細晶80W-Cu藥型罩材料，并對其在1 000～5 000/s應變率下的動態力學性能進行測試。

1 實驗

采用霧化干燥法制粉燒結了W含量為80%的細晶W-Cu材料。配置目標材料的鹽溶液，將配置的鹽溶液在噴霧干燥機中進行200 ℃物理干燥得到前驅粉體A，再將前驅粉體A在空氣中400 ℃條件下進行煅燒，以去除粉末中的陰離子，得到前驅粉體B，最后將前驅粉體B在氫氣等氣氛保護下800 ℃還原，得到目標粉體，其工藝流程圖如圖1所示。并加入活化劑以5 ℃/min的升溫速率進行加熱，加熱至1 400 ℃后保溫燒結3 h，之后隨爐冷卻，最終得到致密均勻的細晶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行對比。

采用阿基米德排水法測量材料密度，通過計算得出材料致密度。利用萬能拉伸試驗機測試材料的拉伸強度、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行動態壓縮性能測試；對原始組織及動態壓縮后的材料采用Thermo Scientific Apreo 2型掃描電子顯微鏡進行組織分析表征。

2 結果與討論

2.1 細晶80W-Cu材料組織表征

霧化干燥法制備出超細W-Cu粉末，如圖2所示，粉末細致均勻，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的細晶材料十分致密，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晶W-Cu材料W顆粒則被黏結相均勻地包裹，W與W顆粒之間的連接度相對較低，材料組織均勻，沒有偏析等缺陷，W顆粒大小約為10 μm。

2.2 靜態拉伸性能測試

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

如圖5所示，細晶W-Cu材料斷口電子背散射衍射圖中白亮區成分為W，而深色區為黏結相，細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W顆粒與黏結相之間的斷裂與大量W顆粒的解理斷裂，出現W顆粒解理斷裂說明其黏結相和W顆粒間結合強度很高。拉伸過程中變形與失效主要體現在W顆粒而非黏結相上使得細晶W-Cu材料具有較高的拉伸強度。

2.3 動態壓縮性能測試

細晶W-Cu材料動態壓縮性能如圖6所示，霧化干燥法制粉燒結的細晶W-Cu材料，其應變隨著應變率增加而增大。隨著應變率從1 600/s提升到4 400/s，應變則從0.12增加到0.43，強度在應變率3 400/s下達到最大，為1 450 MPa。

普通熔滲法的W-Cu材料動態壓縮性能如圖7所示，應變隨著應變率增加也增大，隨著應變率從1 200/s增加到5 100/s，應變則從0.1增加到0.47，強度在應變率4 100/s下達到最大，為1 050 MPa。

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

霍普金森桿實驗后高應變率動態壓縮下的W-Cu材料組織形貌如圖8、圖9所示。

從圖8、圖9可知，隨著霍普金森桿應變率的提升，細晶材料的W顆粒變形程度逐漸增大，在高應變率下，W顆粒出現了明顯的沿變形方向拉長的現象。而即使在高應變率下，應變相當時，普通熔滲法材料與細晶材料比，W顆粒變形也不明顯。高應變率下熔滲法霍普金森桿件極易被擊碎，材料表現出一定的脆性。在動態壓縮變形的過程中，細晶的W-Cu材料黏結相均勻包裹著W顆粒，這使得黏結相與W顆粒間的結合效果更強，阻礙了位錯運動與積塞，材料動態壓縮過程應力集中等現象更少，材料塑性更強，塑性變形主要體現在W顆粒的變形上。因此細晶的W-Cu材料W顆粒隨著應變率的增加而逐漸被拉長。而熔滲法材料由于黏結相結合效果較差，黏結相沒有均勻包裹著W顆粒，因此隨著應變率的升高，W顆粒變形遠沒有細晶W-Cu材料明顯，材料塑性更差。

3 結論

1）采用霧化干燥法制粉并燒結出的含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顆粒被黏結相均勻包裹。

2）細晶W-Cu靜態拉伸強度最大達到659 MPa，延伸率為8%，斷面收縮率達到3%。斷口處呈現W顆粒解理斷裂。動態壓縮時在相同應變率下，細晶W-Cu材料與普通熔滲法材料的應變十分接近，但是細晶材料動態壓縮下的強度高出了38%。在霍普金森桿動態壓縮下，隨著應變率的升高，細晶80W-Cu材料W顆粒變形，長徑比隨之提高。

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