钨合金研究的最新研究进展和展望

HEATS · 发表于 2010-9-12 16:38:15

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　　高密度钨合金是一类以钨为基(钨的质量分数通常为80%~97%)，并添加有Ni、F、Mn、Co、Cu、Mo、Cr等于元素的合金，其密度高达16.5～19.0g/㎝3。高密度钨合金不仅密度大，而且还具有一系列优异的性能，例如强度高、硬度高、延性好、机械加工性能好、热膨胀系数小、导热系数大、抗氧化和抗腐蚀性能好、可焊性好等。这些优异的性能使其在尖端科技领域、军事和民用工业中得到了广泛的应用，例如用作杆式动能穿甲弹的弹芯材料、平衡配重元件、惯性元件、射线屏蔽材料等。随着主战坦克、舰船装甲及各种军事工事的日益加强化，对穿甲弹性能提出了越来越高的要求。高密度钨合金杆式动能穿甲弹，不仅具有良好的穿甲威力，而且与贫铀合金穿甲弹相比具有无毒性、无放射性污染等优点，是当今世界各国装备的主要穿甲弹用材料，也是穿甲弹今后发展的主要方向。为此，本文拟通过综述我国穿甲弹用高密度钨合金研制的最新进展情况，分析目前存在的主要问题及其造成的原因，进而探讨解决这些问题的具体措施和策略。

　　近年来的主要研究进展

　　随着科学技术日新月异的发展和装甲防护技术水平的不断提高，对弹用高密度钨合金的要求越来越高，尤其是要求在保证高密度的前提下兼有高的强度和良好的韧性。因此，如何提高和改善高密度钨合金形变强化后的强度和塑性是当前的重要研究课题之一。近年来，为了进一步提高钨合金的强韧性，国内在合金化、变形强化、绝热剪切、数值模拟及制备工艺技术上进行了大量研究，取得了明显的进步和众多的科研成果。

　　1微合金化研究

　　钨金的强化机制主要有固溶强化、弥散强化、沉淀强化和界面强化等。固溶强化的元素主要有Re，Me，Nb，Ta，Ir等。钨合金中的Mo，Ta，Re，Nb，Hf，V和Cr等元素具有与W相同的体心立方晶格；它们可以固溶于W，也可以在一定程度上固溶于粘结相中，从而达到对钨基重合金的固溶强化，其中Hf的强化作用最大，其次为Ta，Nb和Re。

　　弥散强化包括直接强化和间接强化，直接强化主要来源于位错与弥散颗粒的相互作用，而间接强化主要是由于高密度位错网组成的亚晶粒相互作用提高合金的强度。界面强化主要是优化晶界(提高晶界强度或减少杂质在晶界的偏聚)，而且若在界面上形成固溶体，可增强界面结合力和提高材料强度。另外，由于具有良好的界面，粘结相可通过界面将应力传递给钨颗粒，可有效的减轻粘结相的承载力，使粘结相和基体协调变形，减少沿晶裂纹的发生，从而提要材料的强度。沉淀强化方法有抑制沉淀相析出强化，第二相析出强化和钨弥散强化3种。抑制沉淀相析出是改善和提高钨合金性能的有效方法，一般采用固溶+淬火的热处理工艺来避免沉淀相析出，同时抑制杂质元素在界面上偏聚，以获得较洁净的钨／基体界面。在W-Ni-Fe高密度合金中添加少量Co可增强基体相对钨颗粒的润湿性，使钨颗粒表面更加圆滑，更加有利于塑性变形，更能提高合金的钨颗粒与基体相之间的界面结合强度，从而提高合金的强度和延伸率。同时，加入的Co，在液相烧结的初期，优先与铁和镍形成熔点低、流动性好的共晶，很好的促进组分原子在液相中扩散，从而加速液相烧结的进程、细化合金的显微组织。刘志国等成功地制备了新型W-Ni-Fe-TiB2合金，并发现TiB2均匀分布于粘结相中，添加2%的TiB2的合金较未添加TiB2的合金相对密度和硬度都较高，可对材料的粘结相起强化作用。冯庆芬等则对La、Ce对93WniFe合金的动态拉伸性能进行了研究，发现这2种元素可提高钨合金的动态性能，并有固溶强化和界面净化作用。

　　钨合金的杂质元素包括H，O，C，N，P，S和Si等。由于这些元素的原子半径较小，在钨合金中有很强的扩散能力，因而比较容易在晶界、相界等能量较高的位置发生偏聚，甚至生成脆性相，从而降低钨合金的性能。在这些杂质元素中危害较大的是H，它主要分布在粘结相和钨/粘结相界面上导致氢脆，消除氢脆的主要方法是在保护气氢(N2，Ar)下退火，其中尤以真空热处理效果最好。P是对钨合金危害较大的另一种元素，因为P很容易偏析到钨/粘结相界面上使合金脆化，当P含量超过其在W相或粘结相的极限溶解度时将发生P的偏析和产生NiP2沉淀。与P伴生的另一种杂质是S，它也能偏析在W/粘结相的界面上，在93W-4.9Ni-2.1Fe合金中，当S含量达到0.01%时合金的冲击韧性明显下降。另外，S还可以同K和O形成化合物，聚集在气孔的内表面上。Si和Na是原料钨粉中的另外2种常见杂质元素，它们通常以SiO2和NaSiO3形式存在。Si和Na的掺杂使合金的密度、抗拉强度、延伸率、颈缩率等均明显下降，其在钨合金中可允许的极限含量为：Si，210×10-6；Na，150×10-6；大于此极限含量就会对合金性能产生很大的影响。

　　2 变形强化研究

　　目前，用粉末冶金方法制备的高密度钨合金(烧结态)的抗拉强度一般达900～1000Mpa，伸长率在20%～30%之间；而经过塑性形变强化以后，其强度可较大幅度地提高，塑性则有所下降。经过塑性变形加工后，钨合金强度可超过1400MPa，伸长率也可保持在10%左右。

　　轧制、旋转锻造、扭转变形、静液挤压等形变强化是提高钨合金材料强度并保证一定韧性的有效方法，而且还可有效细化晶粒。锻造变形是提高钨合金强度的常用工艺，常规的变形量为15%左右。钨合金材料的强度随变形量增大而提高，变形量愈大钨颗粒变形程度愈大，且变形程度增大将导致断裂向钨颗粒转移。轧制还可获得较大的变形量并能保证变形的均匀性，且能使大的晶粒破碎成小晶粒，并能得到均匀分布的微观组织；轧制可提高钨棒的密度和减少空隙度，提高生产效率和降低制造成本。但由于轧制一次变形量小且开坯温度和终轧温度都较高，材料表面氧化及污染相对严重，能耗也较高，因此在实际生产中受到一定的极限。旋转锻造也提高钨合金的强度和穿甲效果，在经过多道次旋锻后，钨合金的强度和硬度等力学性能较旋锻前会有较大幅度的提高，但伸长率会将低。大变形使得球状钨颗粒被拉长变成纤维状组织，能较大幅度的提高材料的力学性能。静夜挤压技术是一种难变形材料塑性加工工艺，主要分冷静液挤压和热静液挤压，它是钨合金目前最为有效的形变强化方法之一，它具有一次变形即可获得较大变形量和可大幅度提高材料强度的特点。在静液挤压3向压应力作用下，不仅能有效防止材料在变形时钨颗粒的拉断和开裂，有利于材料内部原有微观孔隙的愈合，同时能够细化显微组织，有利于近净成形、提高利用率、降低成本和提高产生效率。钨合金采用静液挤压形变强化并进行退火处理后，在材料中形成位错密度很高的胞状结构，其形变后的钨颗粒呈方向性排列，且材料的破断方式以钨颗粒解理断裂为主。静液挤压工艺形变强化的各向受力均匀，变形过程中材料不易出现变形缺陷，不需加热，一次变形量大，93W的一次最大形变量可达50%左右。

　　3绝热剪切研究

　　绝热剪切是材料或构件内剪应变高度集中的狭窄区域，是高应变率加载条件下材料变形、断裂的特殊机制。绝热剪切变形局部化广泛存在于各种金属、岩土和高分子材料等在遭受爆炸、侵彻、高速碰撞、高速切削和高速磨损等高应变率载荷下的高速变形过程中，提高钨合金材料的绝热剪切性能以增强钨合金杆弹的侵彻性能是目前的研究热点之一。我国五二研究所、中科院力学所、中国科技大学和报价理工大学等单位对此进行了一些研究。

　　半个世纪以来，对绝热剪切变形的研究，主要集中在3个方面：第一，从材料的本构关系出发，建立绝热剪切变形局部化的失稳模型，探寻材料绝热剪切失稳判据及绝热剪切带的扩展规律；第二，从微观组织、结构出发探寻不同成分、组织的材料内的绝热剪切带的微观组织结构特征以及其形核、长大的微观影响因素；第三，采用计算机数值模拟技术对绝热剪切带的演化规律及其内应立场、应变场和温度场进行研究。

　　魏志刚等用分离式Hopkinson压杆装置对预扭转后的斜圆柱试件进行冲击试验，不仅观察道绝热剪切带，同时观察到如果最大剪切应力方向和钨颗粒的取向一致，则失效的是钨颗粒脆性断裂、粘结相破坏、钨-钨界面分离和钨-粘结相界面分离等几种破坏机制共同作用的结果。许沭华等对预扭转和未扭转钨合金杆弹弹道实验后的残余弹体和碎片进行了细观组织分析，发现钨合金预扭转后钨晶粒变形方向与最大剪应力方向接近，因此在弹靶冲击过程中有利于绝热剪切变形和剪切破坏的发生。从残余弹头上观察到的绝热剪切带说明，预扭转弹在侵彻过程中要比未扭转弹更易于自锐，这是预扭转杆弹侵彻能力得到提高的根本原因。谭成文等为了定量评价不同材料对绝热剪切变形的敏感程度，采用绝热剪切扩展能-绝热剪切敏感因子表征这一差异，并建立了相应的实验测试系统，定量地解决了绝热剪切敏感性地评价和测试问题。

　　4数值模拟计算研究

　　长期以来，对动能弹体冲击装甲靶板的过程分析主要依靠大量的试验结果，随着对穿甲现象研究的日益深入，其它一些方法也用于弹靶作用的分析，如经验法、理论分析法和数值模拟法等。其中，数值模拟法能较全面的反应穿甲过程中间参数和物理量的变化，利用计算机绘图技术设计的数值模拟方法还可以直观地图示整个穿甲过程中各种参量(形状、应力、应变等)的变化；此外，利用计算机程序可以选择不同的物理参数和几何参数进行计算，得到各种不同参数对弹、靶相互作用的影响程度，从而能给出更全面的试验分析结果。

　　黄伟等对钨合金内部应力场的数值模拟结果表明，钨合金并非只在粘结相中发生应力集中，而是首先出现在高强度的钨颗粒中。房文斌等用数值分析方法研究高密度钨合金热静液挤压过程，表明在高温下进行的热静液挤压，可大幅度降低挤压力和获得更大的挤压比。荣吉利等研究了钨合金易碎动能穿甲弹的侵彻和破碎性能，在建立钨合金易碎动能穿甲弹有限元分析模型的基础上，模拟了具有不同拉-压强度比的钨合金穿甲弹在穿透靶板时的侵彻和破碎过程。程兴旺等通过钨合金壳体垂直侵彻混凝土靶板的实验，获得钨合金壳体危险截面处的应变-时间历程曲线，为壳体设计提供侵彻模型和数值估算的验证标准。任春雨等综述了复合材料层合冲击模型的研究进展，为复合材料防护结构的设计合优化提出了新的思路。

　　5制备技术研究

　　细化钨颗粒成为高密度钨合金研究的一个新的热点，采用机械合金化法(MA)、冷凝干燥法、化学气相沉淀法、喷雾干燥法、溶胶-凝胶法等方法制备的预合金粉，并采用适当的工艺可制得非常细的粉末。另外，采用喷雾反应工艺可一步合成细晶粒、多成分、预合计化的钨基合金粉，这种粉可在远低于粘结相熔点的温度下烧结达到全密度。范景莲等用MA工艺制备了纳米晶钨合金复合粉末在常压氢气气氛中的烧结致密化和在烧结过程中的钨颗粒长大行为，表明MA纳米晶粉末可促进致密化，使致密化温度降低约100～200℃，在一般固相烧结温度时可以得到晶粒尺寸为3～5μm的细晶高强度合金。他们还对纳米钨合金注射成形进行了研究，表明在1350～1450℃时固相烧结即达到了全致密，最终合金的晶粒约为3μm，抗拉强度大于1200MPa。罗述东等研究了钨合金粉末在不同温度下的温压成形行为，表明温压能明显提高压坯密度，温压坯件的径向收缩小于常温坯件的径向收缩，而且温压可以改善钨合金的显微组织。李信等将冷等静压成形的试样埋在Al2O3粉中，置于空气烧结炉中加热并保温30min预氧化后，再经不同温度烧结；结果表明，钨合金采用预氧化活化烧结，可以降低烧结温度，减少合金变形，并得到致密的钨合金，同时可提高钨合金的抗拉强度和延伸率。

　　弹用钨合金研制存在的主要问题

　　近十几年来，我国材料科技工作者对穿甲弹用高密度钨合金进行了多方面的试验研究和机理探讨，特别是对添加合金元素和形变强化等方面进行了大量卓有成效的研究，这对促进我国钨合金穿甲弹的穿甲威力和赶超世界先进水平产生了巨大的推动作用。然而，由于多方面的原因，也存在各种各样的问题。首先，随着弹用钨合金技术的公开，一些院校和科研机构也开展了有关研究，这大大地促进了钨合金材料性能的提高，但随着研究范围的扩大，低水平重复研究的现象也日益严重。例如，一些单位大量重复专业研究院所已完成或已应用的研究内容，如钨合金的组织与性能、机械合金化、超细粉或纳米粉烧结研究等，有的院校甚至将此类研究作为研究生的毕业论文选题。其次，多口列题现象也很普遍，某些省份或院校也以基金项目列题开展穿甲弹用钨合金研究，这不仅浪费了可贵的科研经费，也浪费了年轻学者的青春年华。尤为严重的是，一些研究论题并未充分论证，也不考虑实际应用的可能性，如注射成形由于脱脂困难等原因，较难用于大口径钨合金穿甲弹制备，而且所谓的近净成形对需要变形并机械加工的穿甲弹弹体也没有实际意义，而国内却进行了大量的试验和研究。

　　这些现象的存在是多方面原因造成的，它反映处我国军用材料研制管理上的错位与不足，也反映出在研选题上存在着一定程度的盲目性和狭隘性，特别是反映处对于重点研究课题缺乏必要的协调和与用户的信息沟通，因而没有考虑到研究成果的实用价值和经济效益。

　　未来的研究重点方向

　　目前，我国在钨合金穿甲弹材料技术研制上已经取得了长足的进展，但距国际先进水平还有一定的差距，在某些方面还明显落后于西方发达国家。为此，在今后的穿甲弹用钨合金研制中，应着重进行以下几方面的研究：

　　1)穿甲性能是弹用钨合金最重要的性能指标，但这方面的研究相对较少，特别是弹-板作用机理方面的研究尚不够深入，同时还应加强绝热敏感性钨合金材料的研究；

　　2)为提高防空导弹和穿甲弹的毁伤能力，应开展钨合金易碎弹弹体材料和穿燃复合功能弹体材料的系统研究；

　　3)高强韧钨丝复合穿甲弹是未来超高速动能穿甲弹的一个重要发展方向，应进一步加强超高速动能穿甲弹用钨丝束复合穿甲弹体材料的研究；

　　4)我国虽然是个富钨国家，但储量有限，应大力加强弹用钨合金和废钨屑的回收利用以及低原消耗工艺技术的研究与开发。

　　5)我国的海岸线很长，为保卫沿海地域，预防盐雾、海水和潮湿环境对穿甲弹用钨合金的腐蚀问题已经提到日程上来，为此应有针对性地开展弹用钨合金的腐蚀防护技术的研究。结束语

　　高质量穿甲弹用钨合金是一个国家材料技术发展的重要标志，也是高性能动能穿甲弹的重要材料，其研制水平将关系到提高我国武器装备水平和能否打赢一场局部战争的需要。为此，应针对目前存在的一些问题和实际需要，一方面大力加强军用材料研制项目的管理与协调，另一方面也要进一步提高研究院所和高等院校的科研管理水平，从而形成一种具有高度系统性和互补性的研究机制，并造就一支高水平的专业科研队伍，以促进我国弹用钨合金材料技术研制向低投入、高产出、高水平和高实用性的方向发展。而且应力争在短时期内在一些关键技术上有所突破，以期能大幅度提高我国穿甲弹用钨合金材料的综合性能。

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