我國穿甲彈用鎢合金研究的最新進展
我國穿甲彈用鎢合金研究的最新進展
高密度鎢合金是一類以鎢為基（鎢的質(zhì)量分數(shù)通常為80％~97%），并添加有Ni、F、Mn、Co、Cu、Mo、Cr等于元素的合金，其密度高達16.5～19.0g/㎝3。高密度鎢合金不僅密度大，而且還具有一系列優(yōu)異的性能，例如強度高、硬度高、延性好、機械加工性能好、熱膨脹系數(shù)小、導熱系數(shù)大、抗氧化和抗腐蝕性能好、可焊性好等。這些優(yōu)異的性能使其在尖端科技領域、軍事和民用工業(yè)中得到了廣泛的應用，例如用作桿式動能穿甲彈的彈芯材料、平衡配重元件、慣性元件、射線屏蔽材料等。隨著主戰(zhàn)坦克、艦船裝甲及各種軍事工事的日益加強化，對穿甲彈性能提出了越來越高的要求。高密度鎢合金桿式動能穿甲彈，不僅具有良好的穿甲威力，而且與貧鈾合金穿甲彈相比具有無毒性、無放射性污染等優(yōu)點，是當今世界各國裝備的主要穿甲彈用材料，也是穿甲彈今后發(fā)展的主要方向。為此，本文擬通過綜述我國穿甲彈用高密度鎢合金研制的最新進展情況，分析目前存在的主要問題及其造成的原因，進而探討解決這些問題的具體措施和策略。
近年來的主要研究進展
隨著科學技術日新月異的發(fā)展和裝甲防護技術水平的不斷提高，對彈用高密度鎢合金的要求越來越高，尤其是要求在保證高密度的前提下兼有高的強度和良好的韌性。因此，如何提高和改善高密度鎢合金形變強化后的強度和塑性是當前的重要研究課題之一。近年來，為了進一步提高鎢合金的強韌性，國內(nèi)在合金化、變形強化、絕熱剪切、數(shù)值模擬及制備工藝技術上進行了大量研究，取得了明顯的進步和眾多的科研成果。
1 微合金化研究
鎢金的強化機制主要有固溶強化、彌散強化、沉淀強化和界面強化等。固溶強化的元素主要有Re， Me， Nb， Ta， Ir等。鎢合金中的Mo， Ta， Re， Nb， Hf， V和Cr等元素具有與W相同的體心立方晶格；它們可以固溶于W，也可以在一定程度上固溶于粘結相中，從而達到對鎢基重合金的固溶強化，其中Hf的強化作用最大，其次為Ta，Nb和Re。
彌散強化包括直接強化和間接強化，直接強化主要來源于位錯與彌散顆粒的相互作用，而間接強化主要是由于高密度位錯網(wǎng)組成的亞晶粒相互作用提高合金的強度。界面強化主要是優(yōu)化晶界（提高晶界強度或減少雜質(zhì)在晶界的偏聚），而且若在界面上形成固溶體，可增強界面結合力和提高材料強度。另外，由于具有良好的界面，粘結相可通過界面將應力傳遞給鎢顆粒，可有效的減輕粘結相的承載力，使粘結相和基體協(xié)調(diào)變形，減少沿晶裂紋的發(fā)生，從而提要材料的強度。沉淀強化方法有抑制沉淀相析出強化，第二相析出強化和鎢彌散強化3種。抑制沉淀相析出是改善和提高鎢合金性能的有效方法，一般采用固溶+淬火的熱處理工藝來避免沉淀相析出，同時抑制雜質(zhì)元素在界面上偏聚，以獲得較潔凈的鎢／基體界面。在W-Ni-Fe高密度合金中添加少量Co可增強基體相對鎢顆粒的潤濕性，使鎢顆粒表面更加圓滑，更加有利于塑性變形，更能提高合金的鎢顆粒與基體相之間的界面結合強度，從而提高合金的強度和延伸率。同時，加入的Co，在液相燒結的初期，優(yōu)先與鐵和鎳形成熔點低、流動性好的共晶，很好的促進組分原子在液相中擴散，從而加速液相燒結的進程、細化合金的顯微組織。劉志國等成功地制備了新型W-Ni-Fe-TiB2合金，并發(fā)現(xiàn)TiB2均勻分布于粘結相中，添加2％的TiB2的合金較未添加TiB2的合金相對密度和硬度都較高，可對材料的粘結相起強化作用。馮慶芬等則對La、Ce對93WniFe合金的動態(tài)拉伸性能進行了研究 ，發(fā)現(xiàn)這2種元素可提高鎢合金的動態(tài)性能，并有固溶強化和界面凈化作用。
鎢合金的雜質(zhì)元素包括H，O，C，N，P，S和Si等。由于這些元素的原子半徑較小，在鎢合金中有很強的擴散能力，因而比較容易在晶界、相界等能量較高的位置發(fā)生偏聚，甚至生成脆性相，從而降低鎢合金的性能。在這些雜質(zhì)元素中危害較大的是H，它主要分布在粘結相和鎢/粘結相界面上導致氫脆，消除氫脆的主要方法是在保護氣氫（N2，Ar）下退火，其中尤以真空熱處理效果最好。P是對鎢合金危害較大的另一種元素，因為P很容易偏析到鎢/粘結相界面上使合金脆化，當P含量超過其在W相或粘結相的極限溶解度時將發(fā)生P的偏析和產(chǎn)生NiP2沉淀。與P伴生的另一種雜質(zhì)是S，它也能偏析在W/粘結相的界面上，在93W-4.9Ni-2.1Fe合金中，當S含量達到0.01％時合金的沖擊韌性明顯下降。另外，S還可以同K和O形成化合物，聚集在氣孔的內(nèi)表面上。Si和Na是原料鎢粉中的另外2種常見雜質(zhì)元素，它們通常以SiO2和NaSiO3形式存在。Si和Na的摻雜使合金的密度、抗拉強度、延伸率、頸縮率等均明顯下降，其在鎢合金中可允許的極限含量為：Si，210×10-6；Na，150×10-6；大于此極限含量就會對合金性能產(chǎn)生很大的影響。
2 變形強化研究
目前，用粉末冶金方法制備的高密度鎢合金（燒結態(tài)）的抗拉強度一般達900～1000Mpa，伸長率在20％～30％之間；而經(jīng)過塑性形變強化以后，其強度可較大幅度地提高，塑性則有所下降。經(jīng)過塑性變形加工后，鎢合金強度可超過1400MPa，伸長率也可保持在10％左右。
軋制、旋轉鍛造、扭轉變形、靜液擠壓等形變強化是提高鎢合金材料強度并保證一定韌性的有效方法，而且還可有效細化晶粒。鍛造變形是提高鎢合金強度的常用工藝，常規(guī)的變形量為15％左右。鎢合金材料的強度隨變形量增大而提高，變形量愈大鎢顆粒變形程度愈大，且變形程度增大將導致斷裂向鎢顆粒轉移。軋制還可獲得較大的變形量并能保證變形的均勻性，且能使大的晶粒破碎成小晶粒，并能得到均勻分布的微觀組織；軋制可提高鎢棒的密度和減少空隙度，提高生產(chǎn)效率和降低制造成本。但由于軋制一次變形量小且開坯溫度和終軋溫度都較高，材料表面氧化及污染相對嚴重，能耗也較高，因此在實際生產(chǎn)中受到一定的極限。旋轉鍛造也提高鎢合金的強度和穿甲效果，在經(jīng)過多道次旋鍛后，鎢合金的強度和硬度等力學性能較旋鍛前會有較大幅度的提高，但伸長率會將低。大變形使得球狀鎢顆粒被拉長變成纖維狀組織，能較大幅度的提高材料的力學性能。靜夜擠壓技術是一種難變形材料塑性加工工藝，主要分冷靜液擠壓和熱靜液擠壓，它是鎢合金目前最為有效的形變強化方法之一，它具有一次變形即可獲得較大變形量和可大幅度提高材料強度的特點。在靜液擠壓3向壓應力作用下，不僅能有效防止材料在變形時鎢顆粒的拉斷和開裂，有利于材料內(nèi)部原有微觀孔隙的愈合，同時能夠細化顯微組織，有利于近凈成形、提高利用率、降低成本和提高產(chǎn)生效率。鎢合金采用靜液擠壓形變強化并進行退火處理后，在材料中形成位錯密度很高的胞狀結構，其形變后的鎢顆粒呈方向性排列，且材料的破斷方式以鎢顆粒解理斷裂為主。靜液擠壓工藝形變強化的各向受力均勻，變形過程中材料不易出現(xiàn)變形缺陷，不需加熱，一次變形量大，93W的一次最大形變量可達50％左右。
3 絕熱剪切研究
絕熱剪切是材料或構件內(nèi)剪應變高度集中的狹窄區(qū)域，是高應變率加載條件下材料變形、斷裂的特殊機制。絕熱剪切變形局部化廣泛存在于各種金屬、巖土和高分子材料等在遭受爆炸、侵徹、高速碰撞、高速切削和高速磨損等高應變率載荷下的高速變形過程中，提高鎢合金材料的絕熱剪切性能以增強鎢合金桿彈的侵徹性能是目前的研究熱點之一。我國五二研究所、中科院力學所、中國科技大學和報價理工大學等單位對此進行了一些研究。
半個世紀以來，對絕熱剪切變形的研究，主要集中在3個方面：第一，從材料的本構關系出發(fā)，建立絕熱剪切變形局部化的失穩(wěn)模型，探尋材料絕熱剪切失穩(wěn)判據(jù)及絕熱剪切帶的擴展規(guī)律；第二，從微觀組織、結構出發(fā)探尋不同成分、組織的材料內(nèi)的絕熱剪切帶的微觀組織結構特征以及其形核、長大的微觀影響因素；第三，采用計算機數(shù)值模擬技術對絕熱剪切帶的演化規(guī)律及其內(nèi)應立場、應變場和溫度場進行研究。
魏志剛等用分離式Hopkinson壓桿裝置對預扭轉后的斜圓柱試件進行沖擊試驗，不僅觀察道絕熱剪切帶，同時觀察到如果最大剪切應力方向和鎢顆粒的取向一致，則失效的是鎢顆粒脆性斷裂、粘結相破壞、鎢-鎢界面分離和鎢-粘結相界面分離等幾種破壞機制共同作用的結果。許沭華等對預扭轉和未扭轉鎢合金桿彈彈道實驗后的殘余彈體和碎片進行了細觀組織分析，發(fā)現(xiàn)鎢合金預扭轉后鎢晶粒變形方向與最大剪應力方向接近，因此在彈靶沖擊過程中有利于絕熱剪切變形和剪切破壞的發(fā)生。從殘余彈頭上觀察到的絕熱剪切帶說明，預扭轉彈在侵徹過程中要比未扭轉彈更易于自銳，這是預扭轉桿彈侵徹能力得到提高的根本原因。譚成文等為了定量評價不同材料對絕熱剪切變形的敏感程度，采用絕熱剪切擴展能－絕熱剪切敏感因子表征這一差異，并建立了相應的實驗測試系統(tǒng)，定量地解決了絕熱剪切敏感性地評價和測試問題。
4 數(shù)值模擬計算研究
長期以來，對動能彈體沖擊裝甲靶板的過程分析主要依靠大量的試驗結果，隨著對穿甲現(xiàn)象研究的日益深入，其它一些方法也用于彈靶作用的分析，如經(jīng)驗法、理論分析法和數(shù)值模擬法等。其中，數(shù)值模擬法能較全面的反應穿甲過程中間參數(shù)和物理量的變化，利用計算機繪圖技術設計的數(shù)值模擬方法還可以直觀地圖示整個穿甲過程中各種參量（形狀、應力、應變等）的變化；此外，利用計算機程序可以選擇不同的物理參數(shù)和幾何參數(shù)進行計算，得到各種不同參數(shù)對彈、靶相互作用的影響程度，從而能給出更全面的試驗分析結果。
黃偉等對鎢合金內(nèi)部應力場的數(shù)值模擬結果表明，鎢合金并非只在粘結相中發(fā)生應力集中，而是首先出現(xiàn)在高強度的鎢顆粒中。房文斌等用數(shù)值分析方法研究高密度鎢合金熱靜液擠壓過程，表明在高溫下進行的熱靜液擠壓，可大幅度降低擠壓力和獲得更大的擠壓比。榮吉利等研究了鎢合金易碎動能穿甲彈的侵徹和破碎性能，在建立鎢合金易碎動能穿甲彈有限元分析模型的基礎上，模擬了具有不同拉-壓強度比的鎢合金穿甲彈在穿透靶板時的侵徹和破碎過程。程興旺等通過鎢合金殼體垂直侵徹混凝土靶板的實驗，獲得鎢合金殼體危險截面處的應變-時間歷程曲線，為殼體設計提供侵徹模型和數(shù)值估算的驗證標準。任春雨等綜述了復合材料層合沖擊模型的研究進展，為復合材料防護結構的設計合優(yōu)化提出了新的思路。
5 制備技術研究
細化鎢顆粒成為高密度鎢合金研究的一個新的熱點，采用機械合金化法（MA）、冷凝干燥法、化學氣相沉淀法、噴霧干燥法、溶膠-凝膠法等方法制備的預合金粉，并采用適當?shù)墓に嚳芍频梅浅＜毜姆勰Ａ硗猓捎脟婌F反應工藝可一步合成細晶粒、多成分、預合計化的鎢基合金粉，這種粉可在遠低于粘結相熔點的溫度下燒結達到全密度。范景蓮等用MA工藝制備了納米晶鎢合金復合粉末在常壓氫氣氣氛中的燒結致密化和在燒結過程中的鎢顆粒長大行為，表明MA納米晶粉末可促進致密化，使致密化溫度降低約100～200℃，在一般固相燒結溫度時可以得到晶粒尺寸為3～5μm的細晶高強度合金。他們還對納米鎢合金注射成形進行了研究，表明在1350～1450℃時固相燒結即達到了全致密，最終合金的晶粒約為3μm，抗拉強度大于1200MPa。羅述東等研究了鎢合金粉末在不同溫度下的溫壓成形行為，表明溫壓能明顯提高壓坯密度，溫壓坯件的徑向收縮小于常溫坯件的徑向收縮，而且溫壓可以改善鎢合金的顯微組織。李信等將冷等靜壓成形的試樣埋在Al2O3粉中，置于空氣燒結爐中加熱并保溫30min預氧化后，再經(jīng)不同溫度燒結；結果表明，鎢合金采用預氧化活化燒結，可以降低燒結溫度，減少合金變形，并得到致密的鎢合金，同時可提高鎢合金的抗拉強度和延伸率。
彈用鎢合金研制存在的主要問題
近十幾年來，我國材料科技工作者對穿甲彈用高密度鎢合金進行了多方面的試驗研究和機理探討，特別是對添加合金元素和形變強化等方面進行了大量卓有成效的研究，這對促進我國鎢合金穿甲彈的穿甲威力和趕超世界先進水平產(chǎn)生了巨大的推動作用。然而，由于多方面的原因，也存在各種各樣的問題。首先，隨著彈用鎢合金技術的公開，一些院校和科研機構也開展了有關研究，這大大地促進了鎢合金材料性能的提高，但隨著研究范圍的擴大，低水平重復研究的現(xiàn)象也日益嚴重。例如，一些單位大量重復專業(yè)研究院所已完成或已應用的研究內(nèi)容，如鎢合金的組織與性能、機械合金化、超細粉或納米粉燒結研究等，有的院校甚至將此類研究作為研究生的畢業(yè)論文選題。其次，多口列題現(xiàn)象也很普遍，某些省份或院校也以基金項目列題開展穿甲彈用鎢合金研究，這不僅浪費了可貴的科研經(jīng)費，也浪費了年輕學者的青春年華。尤為嚴重的是，一些研究論題并未充分論證，也不考慮實際應用的可能性，如注射成形由于脫脂困難等原因，較難用于大口徑鎢合金穿甲彈制備，而且所謂的近凈成形對需要變形并機械加工的穿甲彈彈體也沒有實際意義，而國內(nèi)卻進行了大量的試驗和研究。
這些現(xiàn)象的存在是多方面原因造成的，它反映處我國軍用材料研制管理上的錯位與不足，也反映出在研選題上存在著一定程度的盲目性和狹隘性，特別是反映處對于重點研究課題缺乏必要的協(xié)調(diào)和與用戶的信息溝通，因而沒有考慮到研究成果的實用價值和經(jīng)濟效益。
未來的研究重點方向
目前，我國在鎢合金穿甲彈材料技術研制上已經(jīng)取得了長足的進展，但距國際先進水平還有一定的差距，在某些方面還明顯落后于西方發(fā)達國家。為此，在今后的穿甲彈用鎢合金研制中，應著重進行以下幾方面的研究：
1）穿甲性能是彈用鎢合金最重要的性能指標，但這方面的研究相對較少，特別是彈-板作用機理方面的研究尚不夠深入，同時還應加強絕熱敏感性鎢合金材料的研究；
2）為提高防空導彈和穿甲彈的毀傷能力，應開展鎢合金易碎彈彈體材料和穿燃復合功能彈體材料的系統(tǒng)研究；
3）高強韌鎢絲復合穿甲彈是未來超高速動能穿甲彈的一個重要發(fā)展方向，應進一步加強超高速動能穿甲彈用鎢絲束復合穿甲彈體材料的研究；
4）我國雖然是個富鎢國家，但儲量有限，應大力加強彈用鎢合金和廢鎢屑的回收利用以及低原消耗工藝技術的研究與開發(fā)。
5）我國的海岸線很長，為保衛(wèi)沿海地域，預防鹽霧、海水和潮濕環(huán)境對穿甲彈用鎢合金的腐蝕問題已經(jīng)提到日程上來，為此應有針對性地開展彈用鎢合金的腐蝕防護技術的研究。
結束語
高質(zhì)量穿甲彈用鎢合金是一個國家材料技術發(fā)展的重要標志，也是高性能動能穿甲彈的重要材料，其研制水平將關系到提高我國武器裝備水平和能否打贏一場局部戰(zhàn)爭的需要。為此，應針對目前存在的一些問題和實際需要，一方面大力加強軍用材料研制項目的管理與協(xié)調(diào)，另一方面也要進一步提高研究院所和高等院校的科研管理水平，從而形成一種具有高度系統(tǒng)性和互補性的研究機制，并造就一支高水平的專業(yè)科研隊伍，以促進我國彈用鎢合金材料技術研制向低投入、高產(chǎn)出、高水平和高實用性的方向發(fā)展。而且應力爭在短時期內(nèi)在一些關鍵技術上有所突破，以期能大幅度提高我國穿甲彈用鎢合金材料的綜合性能
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