我國穿甲彈用鎢合金研究的最新進展和展望（一）

摘要：綜合介紹了我國近年來對穿甲彈用高度密鎢合金實施添加微量元素合金化強化和旋轉鍛造、扭轉變形、靜液擠壓等形變情話的研究進展，以及對於絕熱剪切機理和數值模擬計算的研究現狀，並介紹了機械合金化置備納米鎢合金複合粉末、溫壓成形及預氧化活化燒結等特種制備技術方面的最新試驗研究進展。通過全面分析目前我國穿甲彈用高密度鎢合金試驗研究中存在的一些主要問題，提出我國穿甲彈用高密度鎢合金今後研制的主攻方向，以及促進高性能穿甲彈用鎢合金研制應采取的策略與措施。

高密度鎢合金是一類以鎢為基（鎢的質量分數通常為80％~97%）,並添加有Ni、F、Mn、Co、Cu、Mo、Cr等於元素的合金，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、熱膨脹系數小、導熱系數大、抗氧化和抗腐蝕性能好、可焊性好等。這些優異的性能使其在尖端科技領域、軍事和民用工業中得到了廣泛的應用，例如用作杆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[1]。隨著主戰坦克、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。高密度鎢合金杆式動能穿甲彈，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、無放射性汙染等優點，是當今世界各國裝備的主要穿甲彈用材料，也是穿甲彈今後發展的主要方向。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。

1   近年來的主要研究進展

隨著科學技術日新月異的發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後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，國內在合金化、變形強化、絕熱剪切、數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。

1.1 微合金化研究

鎢金的強化機制主要有固溶強化、彌散強化、沉澱強化和界面強化等。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；它們可以固溶於W，也可以在一定程度上固溶於粘結相中，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[2]。

彌散強化包括直接強化和間接強化，直接強化主要來源於位錯與彌散顆粒的相互作用，而間接強化主要是由於高密度位錯網組成的亞晶粒相互作用提高合金的強度。界面強化主要是優化晶界（提高晶界強度或減少雜質在晶界的偏聚），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，由於具有良好的界面，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，使粘結相和基體協調變形，減少沿晶裂紋的發生，從而提要材料的強度[3]。沉澱強化方法有抑制沉澱相析出強化，第二相析出強化和鎢彌散強化3種。抑制沉澱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澱相析出，同時抑制雜質元素在界面上偏聚，以獲得較潔淨的鎢／基體界面[4]。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，更加有利於塑性變形，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[5]。劉志國等成功地制備了新型W-Ni-Fe-TiB2合金，並發現TiB2均勻分布於粘結相中，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[6]。馮慶芬等則對La、Ce對93WniFe合金的動態拉伸性能進行了研究 ,發現這2種元素可提高鎢合金的動態性能，並有固溶強化和界面淨化作用[7]。

鎢合金的雜質元素包括H,O,C,N,P,S和Si等。由於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生P的偏析和產生NiP2沉澱。與P伴生的另一種雜質是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，聚集在氣孔的內表面上。Si和Na是原料鎢粉中的另外2種常見雜質元素，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；大於此極限含量就會對合金性能產生很大的影響[8]。(未完待續)

參  考

［1］龐前列。高密度W-Ni-Fe合金的研究及發展[J].中國鎢業，2000，15(4)：34－36。

［2］王玉金，宋桂明，趙宇。合金元素及第二相對鎢合金性能的影響[J]。宇航材料工藝，1998，28(5)：11－18。

［3］張太全，王玉金，宋桂明，等。鎢及鎢合金的變形、斷裂及強化機制研究綜述[J。有色金屬，2004，56(1)：7－12。

［4］王輔忠，李榮華。高比重鎢合金沉澱強化的研究[J]。材料報導，2003,17(1):16－17。

［5］唐新文，羅述東，易健宏。添加鈷對W-Ni-Fe高密度合金性能的影響[J]。粉末冶金材料科學與工程，2003，8(3)：196－200。

［6］劉志國，張寶生，莊育智。新型W-Ni-Fe-TiB2合金[J]。中國有色金屬學報，1995，5(4)：107－111。

［7］馮慶芬，丁東華，方民憲，等。La,Ce對93WniFe合金動態拉伸性能的影響[J]。兵器材料科學與工程，2003，26(3)：7－10。

［8］周國安，劉勇，鄧欣，等。Si、Na摻雜的W-Ni-Fe高比重合金界面結構的影響[J]。兵器材料科學與工程，1999，22(3)：3－7。


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