如何改進鎢合金穿甲彈穿杆性能

目前，國外對穿甲彈芯材料技術的研究熱點主要集中在改進工藝技術提高鎢合金強韌性、研製新型絕熱剪切鎢合金、新型鎢纖維或晶須、增強複合彈芯材料及集束式鎢彈芯材料等方面。

1. 改進工藝提高材料性能

近 年來，美、英、法等國採用大變形強化技術有效地提高了鎢彈芯材料綜合性能。如美國陸軍研究實驗室(ARL)的 Wendy Leonard等人對成分分別是96W3.2Ni0.8Fe和93W4.5Ni1.5Co1Fe的兩種經燒結和熱處理的鎢合金坯料,用熱機械加工方法進行 了大變形強化處理，不但大幅度提高了材料的強度，並且保持了較好的延伸率。兩種材料在熱機械加工態的屈服強度、拉伸強度和延伸率分別為： 1399MPa、1454MPa、15％和1447MPa、1640MPa、13％。其具體工藝步驟是：將用不銹鋼包套密封的鎢合金坯料在空氣爐內加熱到 1000℃，然後拿到常規擠壓機上進行多次擠壓處理，變形量達到96％；經擠壓的坯料再經過一系列的中間鍛造和退火的迴圈熱處理過程，使最終變形量達到 97.5％。材料最終顯微組織主要是沿軸向平行排列的高度拉長的鎢晶粒，這種組織的存在被認為是使材料力學性能大幅度提高的原因。

最 近，英、法兩國也對鎢合金大變形強化技術進行了研究。英國防務研究署(DERA)的研究人員採用燒結後經過熱處理的92.5％W- Ni-Fe-Co合金進行了約90％以上大變形量鍛造加工，獲得了具有纖維狀顯微組織的鎢合金，其屈服強度、拉伸強度和延伸率分別為1330MPa、 1510MPa、19％，性能遠遠超過常規工藝鎢合金。法國研究人員對由粒徑1～15μm的鎢、鎳和鐵混合粉末燒結而成的並經過真空熱處理的 93W5Ni2Fe棒坯進行了多次迴圈加工，每次迴圈加工由變形加工和熱處理組成，變形可採用鍛錘來完成。經過多次這種迴圈加工過程，使鎢合金棒坯的顯微 組織發生了很大的改變，如產生了纖維狀和網狀組織，鎢合金的強度大幅度提高，並保持了一定的延伸率。當變形量約為30～50％，熱處理溫度為500或 900℃，熱處理時間為6～20小時時，該鎢合金的力學性能指標分別為：屈服強度1810MPa，拉伸強度1850MPa，延伸率5％。

2. 新型絕熱剪切鎢合金

有研究表明，相同品質和相同幾何形狀的貧鈾彈、鎢合金彈衝擊均質裝甲鋼板時，貧鈾合金的極限速度較鎢合金的低100m/sec，貧鈾合金的這種優異性能源於 貧鈾合金彈芯在侵徹過程中的絕熱剪切和自銳化行為。因此，研製能實現自銳型絕熱剪切破壞的新型鎢合金材料也是目前穿甲彈芯材料研究的主要方向之一。目前研究的有：
（1）鎢鈾合金，即70W30U，該合金密度可達100％，屈服強度達1183兆帕，在侵徹時發生絕熱剪切，侵徹性能與U- 0.75Ti相近；
（2）鎢鉿合金，有二種，即50W50Hf和74W26Hf,可採用流化床化學汽相沉積加固態固結工藝製成，准靜態壓縮力學性能與 90W7Ni3Fe合金相當；
（3）鎢－金屬間化合物，目前合成的有W－7％NiFeAl，該合金燒結密度達96％，平均晶粒尺寸為7μm，在動態壓縮試驗中，顯示了絕熱剪切特徵；
（4）鎢錳合金，有90W-Ni-Mn和95W-5Mn兩種，燒結密度達95％以上，在動態試驗中，均顯示了絕熱剪切特徵。

3. 鎢纖維或晶須增強複合彈芯材料

國 外有關穿甲彈芯材料的研究表明，使用複合材料可以提高彈芯的強度、密度和延性。這類複合材料主要以鎢合金或貧鈾作為母相，以下列成分作為增強相：金屬絲， 例如鎢絲；金屬晶須，例如鎢晶須；合金化元素以及陶瓷纖維如AL2O3、SiO2等。這類彈芯可通過粉末冶金、等離子沉積等技術製造。

據 1996年資料報導，德國迪爾(Diehl)公司採用冷鍛技術將鎢合金棒鍛至小於1mm直徑，製成鎢纖維複合材料彈芯。與鎢合金彈芯相比，該彈芯抗拉強度 增加，但韌性降低。隨後，該公司將改進的銅粘結方法用於鎢纖維結構，從而顯著增加了其靜態抗彎強度，各性能指標為：抗拉強度 2100～2400N/mm2（平方毫米），抗彎強度約2800N/mm2（平方毫米），邊緣纖維延伸率>20，密度18.2g/cm3（立方厘 米）。為了分析銅粘結鎢纖維彈芯的終點彈道性能，選擇傾斜雙層靶板結構和長徑比L/D＝20、直徑為12mm的彈芯，以1400m/s衝擊速度進行了試 驗。其中，靶板採用高強度軋製均質裝甲鋼，傾角為60°。彈芯有六種，分別為：DENSIMET D176鎢合金，20％延伸率；鎢合金，10％延伸率；鎢合金，10％延伸率，有鈦TiAl6V4包套；鎢纖維，銅粘結；鎢纖維，銅粘結，鈦包套；鎢纖 維，銅粘結，鋼包套。試驗結果表明，對於各類彈芯，包套都使其侵徹性能顯著下降，X射線照片顯示出包套與第二塊傾斜靶板之間發生強烈作用，導致韌性包套側 向剝離，進一步造成彈芯的破碎和側向加速。而無包套的鎢纖維彈芯，與鎢合金彈芯相比，其侵徹性能顯著提高，約高50％以上。因為，小纖維顆粒非常快速地從 損傷的彈頭部分離，在剩餘彈芯中幾乎沒有產生彎曲動量，從而避免了出現蘑菇狀頭部和彈芯彎曲，並增大了攻擊角，提高了侵徹性能。可見，銅粘結鎢纖維彈芯具 有很大的發展潛力。

英國皇家兵工廠也開發出一種穿甲彈芯用纖 維增強複合材料，即W-0.6%ThO2絲和W-1%ThO2絲增強複合材料，其模量、密度和強度均好於常規鎢合金彈芯材料。具體工藝為將W-5Ni- 2.5Fe粉和帶有SiO2包覆層的W絲混合物置於模具中於140～420MPa壓力下進行冷等靜壓，再於1500℃、氬氣氛中進行液相燒結半小時。

最 近，美國陸軍部研製出一種[100]晶向的單晶鎢晶須，並用這種晶須製成了穿甲彈芯用複合材料，據試驗表明，該材料具有較高的強度和侵徹性能，並在衝擊目 標時不形成蘑菇狀頭部。製造時，先在自製的專門設備上生產出單晶鎢晶須，然後在鎢晶須上塗覆塗料，鎢晶須與塗料兩種成分所占體積百分比分別為90％和 10％，此時，彈芯密度可達到最大。適用的塗料有：Fe-Ni，Fe-Ni-Co，Ni-Co，Ni-Cu，Cu，Co等。塗覆可採用化學汽相沉積、物理 汽相沉積或流化床工藝來完成。塗覆後，將帶有塗層的鎢[100]晶須以與彈芯縱向軸線相平行的方向放入陶瓷模，模腔形狀和尺寸與彈芯相同。將陶瓷模放入氫 氣氛中進行液相燒結。最佳燒結溫度根據塗料成分而定。例如，當使用Fe-Ni塗料時，燒結溫度可為1470～1570℃，燒結時間可為 1小時。

4. 集束式鎢彈芯材料

鎢合金彈芯在侵徹靶板時，其頭部或體部容易斷裂，這說明彈芯沿軸線方向上的強度不夠高。針對這種情況，日本制鋼所提出一種集束式彈芯，可保證在其軸線方向上得到較高的強度和延性，並且其密度可達到18.5g/cm3（立方釐米）以上。該彈芯主要製造工序如下：
（1）將直徑0.15mm高純度鎢絲裁成指定長度，並在鎢絲表面塗覆Ni-Fe粘結劑。在塗覆的鎢絲橫截面上，塗層所占面積為10％，鎢絲所占面積為90％。
（2）將塗覆後的鎢絲紮成束狀，並裝入橡皮包套進行冷等靜壓以制得預形坯。
（3）將預形坯在氫氣氛或真空中進行還原處理以除去氧、碳等雜質，然後在1500℃進行液相燒結。
（4）經過燒結的鎢合金再進行適當機械加工便可得到具有一定形狀的鎢集束式彈芯。
 

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