我國穿甲彈用鎢合金研究的最新進(jìn)展
我國穿甲彈用鎢合金研究的最新進(jìn)展
高密度鎢合金是一類以鎢為基（鎢的質(zhì)量分?jǐn)?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(dá)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(qiáng)度高、硬度高、延性好、機(jī)械加工性能好、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)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(lǐng)域、軍事和民用工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，例如用作桿式動(dòng)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(qiáng)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(dòng)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(diǎn)，是當(dāng)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(jìn)展情況，分析目前存在的主要問題及其造成的原因，進(jìn)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(jìn)展
隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展和裝甲防護(hù)技術(shù)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(qiáng)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(qiáng)化后的強(qiáng)度和塑性是當(dāng)前的重要研究課題之一。近年來，為了進(jìn)一步提高鎢合金的強(qiáng)韌性，國內(nèi)在合金化、變形強(qiáng)化、絕熱剪切、數(shù)值模擬及制備工藝技術(shù)上進(jìn)行了大量研究，取得了明顯的進(jìn)步和眾多的科研成果。
1 微合金化研究
鎢金的強(qiáng)化機(jī)制主要有固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和界面強(qiáng)化等。固溶強(qiáng)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(jié)相中，從而達(dá)到對鎢基重合金的固溶強(qiáng)化，其中Hf的強(qiáng)化作用最大，其次為Ta，Nb和Re。
彌散強(qiáng)化包括直接強(qiáng)化和間接強(qiáng)化，直接強(qiáng)化主要來源于位錯(cuò)與彌散顆粒的相互作用，而間接強(qiáng)化主要是由于高密度位錯(cuò)網(wǎng)組成的亞晶粒相互作用提高合金的強(qiáng)度。界面強(qiáng)化主要是優(yōu)化晶界（提高晶界強(qiáng)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(qiáng)界面結(jié)合力和提高材料強(qiáng)度。另外，由于具有良好的界面，粘結(jié)相可通過界面將應(yīng)力傳遞給鎢顆粒，可有效的減輕粘結(jié)相的承載力，使粘結(jié)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(qiáng)度。沉淀強(qiáng)化方法有抑制沉淀相析出強(qiáng)化，第二相析出強(qiáng)化和鎢彌散強(qiáng)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(shí)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(qiáng)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(jié)合強(qiáng)度，從而提高合金的強(qiáng)度和延伸率。同時(shí)，加入的Co，在液相燒結(jié)的初期，優(yōu)先與鐵和鎳形成熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好的共晶，很好的促進(jìn)組分原子在液相中擴(kuò)散，從而加速液相燒結(jié)的進(jìn)程、細(xì)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(jié)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(jié)相起強(qiáng)化作用。馮慶芬等則對La、Ce對93WniFe合金的動(dòng)態(tài)拉伸性能進(jìn)行了研究 ，發(fā)現(xiàn)這2種元素可提高鎢合金的動(dòng)態(tài)性能，并有固溶強(qiáng)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(qiáng)的擴(kuò)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(jié)相和鎢/粘結(jié)相界面上導(dǎo)致氫脆，消除氫脆的主要方法是在保護(hù)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?yàn)镻很容易偏析到鎢/粘結(jié)相界面上使合金脆化，當(dāng)P含量超過其在W相或粘結(jié)相的極限溶解度時(shí)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(jié)相的界面上，在93W-4.9Ni-2.1Fe合金中，當(dāng)S含量達(dá)到0.01％時(shí)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(qiáng)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(huì)對合金性能產(chǎn)生很大的影響。
2 變形強(qiáng)化研究
目前，用粉末冶金方法制備的高密度鎢合金（燒結(jié)態(tài)）的抗拉強(qiáng)度一般達(dá)900～1000Mpa，伸長率在20％～30％之間；而經(jīng)過塑性形變強(qiáng)化以后，其強(qiáng)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(qiáng)度可超過1400MPa，伸長率也可保持在10％左右。
軋制、旋轉(zhuǎn)鍛造、扭轉(zhuǎn)變形、靜液擠壓等形變強(qiáng)化是提高鎢合金材料強(qiáng)度并保證一定韌性的有效方法，而且還可有效細(xì)化晶粒。鍛造變形是提高鎢合金強(qiáng)度的常用工藝，常規(guī)的變形量為15％左右。鎢合金材料的強(qiáng)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(dǎo)致斷裂向鎢顆粒轉(zhuǎn)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(yán)重，能耗也較高，因此在實(shí)際生產(chǎn)中受到一定的極限。旋轉(zhuǎn)鍛造也提高鎢合金的強(qiáng)度和穿甲效果，在經(jīng)過多道次旋鍛后，鎢合金的強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能較旋鍛前會(huì)有較大幅度的提高，但伸長率會(huì)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(xué)性能。靜夜擠壓技術(shù)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(qiáng)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(qiáng)度的特點(diǎn)。在靜液擠壓3向壓應(yīng)力作用下，不僅能有效防止材料在變形時(shí)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(shí)能夠細(xì)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(qiáng)化并進(jìn)行退火處理后，在材料中形成位錯(cuò)密度很高的胞狀結(jié)構(gòu)，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(qiáng)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(dá)50％左右。
3 絕熱剪切研究
絕熱剪切是材料或構(gòu)件內(nèi)剪應(yīng)變高度集中的狹窄區(qū)域，是高應(yīng)變率加載條件下材料變形、斷裂的特殊機(jī)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(yīng)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(qiáng)鎢合金桿彈的侵徹性能是目前的研究熱點(diǎn)之一。我國五二研究所、中科院力學(xué)所、中國科技大學(xué)和報(bào)價(jià)理工大學(xué)等單位對此進(jìn)行了一些研究。
半個(gè)世紀(jì)以來，對絕熱剪切變形的研究，主要集中在3個(gè)方面：第一，從材料的本構(gòu)關(guān)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(kuò)展規(guī)律；第二，從微觀組織、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特征以及其形核、長大的微觀影響因素；第三，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對絕熱剪切帶的演化規(guī)律及其內(nèi)應(yīng)立場、應(yīng)變場和溫度場進(jìn)行研究。
魏志剛等用分離式Hopkinson壓桿裝置對預(yù)扭轉(zhuǎn)后的斜圓柱試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，不僅觀察道絕熱剪切帶，同時(shí)觀察到如果最大剪切應(yīng)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(jié)相破壞、鎢-鎢界面分離和鎢-粘結(jié)相界面分離等幾種破壞機(jī)制共同作用的結(jié)果。許沭華等對預(yù)扭轉(zhuǎn)和未扭轉(zhuǎn)鎢合金桿彈彈道實(shí)驗(yàn)后的殘余彈體和碎片進(jìn)行了細(xì)觀組織分析，發(fā)現(xiàn)鎢合金預(yù)扭轉(zhuǎn)后鎢晶粒變形方向與最大剪應(yīng)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(yù)扭轉(zhuǎn)彈在侵徹過程中要比未扭轉(zhuǎn)彈更易于自銳，這是預(yù)扭轉(zhuǎn)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(jià)不同材料對絕熱剪切變形的敏感程度，采用絕熱剪切擴(kuò)展能－絕熱剪切敏感因子表征這一差異，并建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，定量地解決了絕熱剪切敏感性地評價(jià)和測試問題。
4 數(shù)值模擬計(jì)算研究
長期以來，對動(dòng)能彈體沖擊裝甲靶板的過程分析主要依靠大量的試驗(yàn)結(jié)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(yàn)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(yīng)穿甲過程中間參數(shù)和物理量的變化，利用計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬方法還可以直觀地圖示整個(gè)穿甲過程中各種參量（形狀、應(yīng)力、應(yīng)變等）的變化；此外，利用計(jì)算機(jī)程序可以選擇不同的物理參數(shù)和幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)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(yàn)分析結(jié)果。
黃偉等對鎢合金內(nèi)部應(yīng)力場的數(shù)值模擬結(jié)果表明，鎢合金并非只在粘結(jié)相中發(fā)生應(yīng)力集中，而是首先出現(xiàn)在高強(qiáng)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(jìn)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(dòng)能穿甲彈的侵徹和破碎性能，在建立鎢合金易碎動(dòng)能穿甲彈有限元分析模型的基礎(chǔ)上，模擬了具有不同拉-壓強(qiáng)度比的鎢合金穿甲彈在穿透靶板時(shí)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(shí)驗(yàn)，獲得鎢合金殼體危險(xiǎn)截面處的應(yīng)變-時(shí)間歷程曲線，為殼體設(shè)計(jì)提供侵徹模型和數(shù)值估算的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。任春雨等綜述了復(fù)合材料層合沖擊模型的研究進(jìn)展，為復(fù)合材料防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合優(yōu)化提出了新的思路。
5 制備技術(shù)研究
細(xì)化鎢顆粒成為高密度鎢合金研究的一個(gè)新的熱點(diǎn)，采用機(jī)械合金化法（MA）、冷凝干燥法、化學(xué)氣相沉淀法、噴霧干燥法、溶膠-凝膠法等方法制備的預(yù)合金粉，并采用適當(dāng)?shù)墓に嚳芍频梅浅＜?xì)的粉末。另外，采用噴霧反應(yīng)工藝可一步合成細(xì)晶粒、多成分、預(yù)合計(jì)化的鎢基合金粉，這種粉可在遠(yuǎn)低于粘結(jié)相熔點(diǎn)的溫度下燒結(jié)達(dá)到全密度。范景蓮等用MA工藝制備了納米晶鎢合金復(fù)合粉末在常壓氫氣氣氛中的燒結(jié)致密化和在燒結(jié)過程中的鎢顆粒長大行為，表明MA納米晶粉末可促進(jìn)致密化，使致密化溫度降低約100～200℃，在一般固相燒結(jié)溫度時(shí)可以得到晶粒尺寸為3～5μm的細(xì)晶高強(qiáng)度合金。他們還對納米鎢合金注射成形進(jìn)行了研究，表明在1350～1450℃時(shí)固相燒結(jié)即達(dá)到了全致密，最終合金的晶粒約為3μm，抗拉強(qiáng)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(jié)爐中加熱并保溫30min預(yù)氧化后，再經(jīng)不同溫度燒結(jié)；結(jié)果表明，鎢合金采用預(yù)氧化活化燒結(jié)，可以降低燒結(jié)溫度，減少合金變形，并得到致密的鎢合金，同時(shí)可提高鎢合金的抗拉強(qiáng)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(jìn)行了多方面的試驗(yàn)研究和機(jī)理探討，特別是對添加合金元素和形變強(qiáng)化等方面進(jìn)行了大量卓有成效的研究，這對促進(jìn)我國鎢合金穿甲彈的穿甲威力和趕超世界先進(jìn)水平產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)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(shù)的公開，一些院校和科研機(jī)構(gòu)也開展了有關(guān)研究，這大大地促進(jìn)了鎢合金材料性能的提高，但隨著研究范圍的擴(kuò)大，低水平重復(fù)研究的現(xiàn)象也日益嚴(yán)重。例如，一些單位大量重復(fù)專業(yè)研究院所已完成或已應(yīng)用的研究內(nèi)容，如鎢合金的組織與性能、機(jī)械合金化、超細(xì)粉或納米粉燒結(jié)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(xiàng)目列題開展穿甲彈用鎢合金研究，這不僅浪費(fèi)了可貴的科研經(jīng)費(fèi)，也浪費(fèi)了年輕學(xué)者的青春年華。尤為嚴(yán)重的是，一些研究論題并未充分論證，也不考慮實(shí)際應(yīng)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(jī)械加工的穿甲彈彈體也沒有實(shí)際意義，而國內(nèi)卻進(jìn)行了大量的試驗(yàn)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(cuò)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(diǎn)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(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。
未來的研究重點(diǎn)方向
目前，我國在鎢合金穿甲彈材料技術(shù)研制上已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展，但距國際先進(jìn)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(dá)國家。為此，在今后的穿甲彈用鎢合金研制中，應(yīng)著重進(jìn)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(biāo)，但這方面的研究相對較少，特別是彈-板作用機(jī)理方面的研究尚不夠深入，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)絕熱敏感性鎢合金材料的研究；
2）為提高防空導(dǎo)彈和穿甲彈的毀傷能力，應(yīng)開展鎢合金易碎彈彈體材料和穿燃復(fù)合功能彈體材料的系統(tǒng)研究；
3）高強(qiáng)韌鎢絲復(fù)合穿甲彈是未來超高速動(dòng)能穿甲彈的一個(gè)重要發(fā)展方向，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)超高速動(dòng)能穿甲彈用鎢絲束復(fù)合穿甲彈體材料的研究；
4）我國雖然是個(gè)富鎢國家，但儲(chǔ)量有限，應(yīng)大力加強(qiáng)彈用鎢合金和廢鎢屑的回收利用以及低原消耗工藝技術(shù)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(yù)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(yīng)有針對性地開展彈用鎢合金的腐蝕防護(hù)技術(shù)的研究。
結(jié)束語
高質(zhì)量穿甲彈用鎢合金是一個(gè)國家材料技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志，也是高性能動(dòng)能穿甲彈的重要材料，其研制水平將關(guān)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(yīng)針對目前存在的一些問題和實(shí)際需要，一方面大力加強(qiáng)軍用材料研制項(xiàng)目的管理與協(xié)調(diào)，另一方面也要進(jìn)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(bǔ)性的研究機(jī)制，并造就一支高水平的專業(yè)科研隊(duì)伍，以促進(jìn)我國彈用鎢合金材料技術(shù)研制向低投入、高產(chǎn)出、高水平和高實(shí)用性的方向發(fā)展。而且應(yīng)力爭在短時(shí)期內(nèi)在一些關(guān)鍵技術(shù)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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