我國穿甲彈用鎢合金研究的最新進展和展望(二)

1.2 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)的抗拉強度一般達900~1000Mpa,伸長率在20%~30%之間;而經過塑性形變強化以後,其強度可較大幅度地提高,塑性則有所下降。經過塑性變形加工後,鎢合金強度可超過1400MPa,伸長率也可保持在10%左右[9]。

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並保證一定韌性的有效方法,而且還可有效細化晶粒[10]。鍛造變形是提高鎢合金強度的常用工藝,常規的變形量為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[11]。軋制還可獲得較大的變形量並能保證變形的均勻性,且能使大的晶粒破碎成小晶粒,並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,提高生產效率和降低制造成本。但由於軋制一次變形量小且開坯溫度和終軋溫度都較高,材料表面氧化及汙染相對嚴重,能耗也較高,因此在實際生產中受到一定的極限。

旋轉鍛造也提高鎢合金的強度和穿甲效果,在經過多道次旋鍛後,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,有利於材料內部原有微觀孔隙的愈合,同時能夠細化顯微組織,有利於近淨成形、提高利用率、降低成本和提高產生效率[12]。鎢合金采用靜液擠壓形變強化並進行退火處理後,在材料中形成位錯密度很高的胞狀結構,其形變後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[13]。
 

1.3 絕熱剪切研究

絕熱剪切是材料或構件內剪應變高度集中的狹窄區域,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於各種金屬、岩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杆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,建立絕熱剪切變形局部化的失穩模型,探尋材料絕熱剪切失穩判據及絕熱剪切帶的擴展規律;第二,從微觀組織、結構出發探尋不同成分、組織的材料內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,采用計算機數值模擬技術對絕熱剪切帶的演化規律及其內應立場、應變場和溫度場進行研究[14]。

魏志剛等用分離式Hopkinson壓杆裝置對預扭轉後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[15]。許沭華等對預扭轉和未扭轉鎢合金杆彈彈道實驗後的殘餘彈體和碎片進行了細觀組織分析,發現鎢合金預扭轉後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於絕熱剪切變形和剪切破壞的發生。從殘餘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於自銳,這是預扭轉杆彈侵徹能力得到提高的根本原因[16]。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,並建立了相應的實驗測試系統,定量地解決了絕熱剪切敏感性地評價和測試問題[17]。(未完待續)

參 考

[9]張寶生,康志君。高密度鎢合金的穿甲特性及其應用[J]。中國鎢業,1999。14(5-6):178-185。

[10]王爾德,於洋,胡連喜,等。W-Ni-Fe系高密度鎢合金形變強化工藝研究進展[J]。粉末冶金技術,2004,22(5):303-307。

[11]史洪剛,齊志望,許傑,等。鍛造變形量對鎢合金材料性能德影響[J]。兵器材料科學與工程,1998,21(4):3-6。

[12]王換玉,才鴻年,錢學梅。液力擠壓強化技術研究[J]。先進材料與制造技術。1998,(5):1-5,25。

[13]劉志強,楊國毅,趙紅梅,等。高密度鎢合金靜液擠壓組織缺陷分析[J]。兵器材料科學與工程,2004,27(4):40-43。

[14]譚成文,王富恥,李樹奎。絕熱剪切變形局部化研究進展與發展趨勢[J]。兵器材料科學與工程,2003,26(5):62-67。

[15]魏志剛,胡時勝,李泳池。粉末燒結鎢合金材料的絕熱剪切變形局域化實驗研究[J]。金屬學報,1999,35(8):829-833。

[16]許沭華,張剛明,王肖軍,等。預扭轉鎢合金杆彈侵徹能力的細觀研究[J]。爆炸與沖擊,2000,20(2):143。

[17]譚成文,王富恥,劉遠宏,等。材料絕熱剪切敏感性表征及測試方法研究[J]。北京理工大學學報,2004,24(5):377-379。


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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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軍用鎢合金與反導武器

目前,反導武器主要采用AHEAD彈藥。目標來襲時,AHEAD彈藥到達預定距離後,被引爆,體內中的152粒鎢合金球被釋放出來,在目標前形成以10米到40米寬的子彈雲。AHEAD可攔截1.5km-2.5km間的導彈。

現在還有一種新型的AHEAD彈藥,該AHEAD彈藥比傳統的35mm的AHEAD彈藥口徑更大,能夠攜帶更多的鎢合金球,攜帶數量為180粒至220粒。該彈藥的軍用鎢合金不僅可以摧毀導彈,還可以摧毀裝甲車輛。AHEAD彈藥的火炮需要同目標搜索跟蹤雷達和火控計算機配合使用。火炮管口部的前端裝有三個相距一定距離的線圈,前兩個線圈是專門測定炮彈初速用的。火炮發射瞬間,被測定的炮彈初速傳送到火控計算機,計算機依據這一炮彈初速和雷達探測的來襲導彈參數,立即計算出炮彈與目標相遇點的飛行時間,並將炮彈飛行時間參數傳送到火炮炮口的第三個線圈。但炮彈經過第三個線圈時,AHEAD彈藥上的可編程時間引信就得到了精確的飛行時間指令。


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軍用鎢合金與(AHEAD)彈藥

軍用鎢合金可作為鎢合金球,用於AHEAD彈藥中的子彈球。

"先進命中效率與摧毀"(AHEAD)彈藥

AHEAD是"先進命中效率與摧毀"的縮小,是一種非常先進的35毫米高炮彈。AHEAD可表示前面的意思。AHEAD彈藥是集束式預制破片變脆引信子母彈。它能夠利用攜帶的大量預制破片,形成一個直接指向目標的高密度破片束,以攔截和毀傷控制目標。該彈藥不僅可以用於防禦巡航導彈、空對地導彈、攻擊機和無人機等空中目標,還能有效摧毀卡車,並且能夠壓制裝甲車輛的光學部件。AHEAD彈藥主要由彈體、152粒鎢合金球、拋射藥、可編程電子時間引信、數據接收線圈等部件構成。AHEAD彈藥是一種集束定向預制破片彈,裝有預制破片,可編程電子時間引信,拋射藥等。軍用鎢合金主要是作為鎢合金球,用於AHEAD彈藥上的預制破片。目前AHEAD彈藥廣泛用於防空武器。

以下是AHEAD彈藥結構示意圖



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鎢合金與軍事

不同的加工工藝促使鎢合金產品的特性有所區別。如果對鎢合金的抗拉強度以及硬度有較高的要求,那麼就需要對鎢合金進行旋鍛。鎢合金經過旋鍛之後可以用於軍事領域,例如鎢合金旋鍛棒可以用於制作穿甲彈,獵槍子彈,殺傷破片。經過燒結,鎢合金還能制作成鎢合金小方塊,鎢合金球等等。有時候,為了提高鎢合金的特性,我們還會在金屬粉末中加入其他金屬元素,比如鈷、鉬等。。如果用於制造海軍的武器裝備,則需要在鎢合金表面電鍍鉻,從而避免受到海鹽的腐蝕。

中鎢在線提供的高品質鎢合金產品已達到Mil-T-21014標准,甚至可以調整加工工藝以提供更高品質的鎢合金,比如高硬度(42HRC min),高抗拉強度(1400MPa min),高屈服強度(1300MPa min),高延伸率(8% min)等。如果客戶需要,中鎢在線也可以為其提供免費的標准檢測。


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鍍金鎢合金條的優勢

鍍金鎢合金條的密度與黃金相近。黃金的價格十分昂貴,而鍍金鎢合金條的價格相對較為低廉。所以,鍍金鎢合金條是黃金的最佳替代品。

鎢合金無毒性,耐磨性好,使用壽命長。此外鍍金鎢合金條的密度為19.25g/cm3,和黃金的密度十分相近(黃金的密度為19.3g/cm3),所以二者的質量沒有太大的區別。因此,鍍金鎢合金條可作為黃金的替代品。


镀金钨合金条


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鎢合金鉚釘頂棒的定位(二)

3.用噴槍將鉚釘推回原位並重新定位鉚釘頂棒,如果有必要,找到它與鉚釘的平衡點。 (重複步驟2和3,直到平衡點確定) 。通常,食指可以放在鉚釘頂棒的背面直接與鉚釘的尾部相對,充當正確位置的“傳感器”。



4.用噴槍將鉚釘推回原位並重新定位鉚釘頂棒,如果有必要,找到它與鉚釘的平衡點。 (重複步驟2和3,直到平衡點確定) 。通常,食指可以放在鉚釘頂棒的背面直接與鉚釘的尾部相對,充當正確位置的“傳感器”。



5. 鉚接的持續時間是由實驗與測試片或以往的經驗來確定。


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鎢合金穿甲彈芯的無損檢驗

在1977年9月召開的美國國防技術粉末冶金會議上,美國陸軍彈道研究所發表了“動能穿甲彈鎢合金彈芯的冶金分析和無損檢驗”的論文。該所在研究鵝合金彈芯(含鵝90%、鎳7%和鐵3%,是粉末冶金、熱處理、機加、並以12%減縮此型鍛制成的杆件,直徑為23 .7毫米,長431 .8毫米)的過程中,發現用這種彈芯試樣侵徹均質單層靶板和多層間隔裝甲靶板時,經常發生嚴重的斷裂。

因此,該所用標准的無損檢驗與破壞試驗方法對這種彈芯材料的冶金特性進行了分析研究。研究表明,無損檢驗是探測一織合全彈芯裂紋與孔隙等缺陷非常可靠的方法。 所用無損檢驗方法與檢驗結果如下: 1.目檢目檢型鍛的杆件表面,發現存在嚴重的裂紋和屑片。 2.X射線照相檢驗對72根杆件的檢驗表明,有17根沒有明顯的缺陷,其餘55根沿全長均有分布不規則的裂紋和孔隙,其尺寸在0.39一3.18毫米範圍內。 5.磁粉探傷發現在杆件的全長表面上都呈現程度不等的不連續性。


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M993鎢合金穿甲彈

M993鎢合金穿甲彈是在1992年美國的士兵增強計劃中開發的,目的是增強士兵對輕型裝甲車輛的打擊能力。與5。56mmM995同時研發,兩者尺寸不同但結構相同。在1997年4月對俄羅斯的BRDM-2裝甲車射擊結果表明:這兩種子彈擊穿裝甲車側裝甲後仍能有效殺傷人員。

M993鎢合金穿甲彈是在1992年美國的士兵增強計劃中開發的,目的是增強士兵對輕型裝甲車輛的打擊能力。與5.56mmM995同時研發,兩者尺寸不同但結構相同。在1997年4月對俄羅斯的BRDM-2裝甲車射擊結果表明:這兩種子彈擊穿裝甲車側裝甲後仍能有效殺傷人員。

M993的外部為軟鋼被甲,彈頭內部有一個鎢合金穿甲彈芯。次彈由瑞典博福斯CGAB生產,發射藥由Dynamit Noble生產。該彈可同於M240機槍,M60機槍,M24狙擊步槍等武器系統。


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鎢合金球在軍事領域的優勢

鎢合金球體積小,可以應用於導彈武器彈丸,穿甲彈,獵具,獵槍,預制碎片,導彈武器,彈藥穿甲彈的平衡力;石油測井的平衡力;還有一些精密儀器領域,如手機振動器,時鐘配重塊,手表手表配重件,手機振子,飛輪配重,鎢球等。高比重鎢合金球和鎢配重被廣泛用於配重和工廠,還有在軍事上。

鎢合金在軍事產品上面替代了鉛,由於密度較高使他們能夠更好,即使在極端條件下,保持其形狀。雖然鈾提供可比的密度,其波動性和放射性物質所需的特殊許可要求,使加工很難。鎢合金是一重綠色環保金屬材料,在使用和生產加工過程中不會產生有毒物質。在軍事工業不斷擴大的同時也要考慮到軍事武器使用後對環境的影響,鎢合金的環保性能使得它在軍事領域的優勢越來越突出。如鎢合金尾翼脫殼穿甲彈、鎢合金潛艇配重、鎢合金發動機配件等等。



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