如何改进钨合金穿甲弹穿杆性能

目前，国外对穿甲弹芯材料技术的研究热点主要集中在改进工艺技术提高钨合金强韧性、研制新型绝热剪切钨合金、新型钨纤维或晶须、增强复合弹芯材料及集束式钨弹芯材料等方面。

1. 改进工艺提高材料性能

近 年来，美、英、法等国采用大变形强化技术有效地提高了钨弹芯材料综合性能。如美国陆军研究实验室(ARL)的 Wendy Leonard等人对成分分别是96W3.2Ni0.8Fe和93W4.5Ni1.5Co1Fe的两种经烧结和热处理的钨合金坯料,用热机械加工方法进行 了大变形强化处理，不但大幅度提高了材料的强度，并且保持了较好的延伸率。两种材料在热机械加工态的屈服强度、拉伸强度和延伸率分别为： 1399MPa、1454MPa、15％和1447MPa、1640MPa、13％。其具体工艺步骤是：将用不锈钢包套密封的钨合金坯料在空气炉内加热到 1000℃，然后拿到常规挤压机上进行多次挤压处理，变形量达到96％；经挤压的坯料再经过一系列的中间锻造和退火的循环热处理过程，使最终变形量达到 97.5％。材料最终显微组织主要是沿轴向平行排列的高度拉长的钨晶粒，这种组织的存在被认为是使材料力学性能大幅度提高的原因。

最 近，英、法两国也对钨合金大变形强化技术进行了研究。英国防务研究署(DERA)的研究人员采用烧结后经过热处理的92.5％W- Ni-Fe-Co合金进行了约90％以上大变形量锻造加工，获得了具有纤维状显微组织的钨合金，其屈服强度、拉伸强度和延伸率分别为1330MPa、 1510MPa、19％，性能远远超过常规工艺钨合金。法国研究人员对由粒径1～15μm的钨、镍和铁混合粉末烧结而成的并经过真空热处理的 93W5Ni2Fe棒坯进行了多次循环加工，每次循环加工由变形加工和热处理组成，变形可采用锻锤来完成。经过多次这种循环加工过程，使钨合金棒坯的显微 组织发生了很大的改变，如产生了纤维状和网状组织，钨合金的强度大幅度提高，并保持了一定的延伸率。当变形量约为30～50％，热处理温度为500或 900℃，热处理时间为6～20小时时，该钨合金的力学性能指标分别为：屈服强度1810MPa，拉伸强度1850MPa，延伸率5％。

2. 新型绝热剪切钨合金

有研究表明，相同质量和相同几何形状的贫铀弹、钨合金弹冲击均质装甲钢板时，贫铀合金的极限速度较钨合金的低100m/sec，贫铀合金的这种优异性能源于 贫铀合金弹芯在侵彻过程中的绝热剪切和自锐化行为。因此，研制能实现自锐型绝热剪切破坏的新型钨合金材料也是目前穿甲弹芯材料研究的主要方向之一。目前研究的有：
（1）钨铀合金，即70W30U，该合金密度可达100％，屈服强度达1183兆帕，在侵彻时发生绝热剪切，侵彻性能与U- 0.75Ti相近；
（2）钨铪合金，有二种，即50W50Hf和74W26Hf,可采用流化床化学汽相沉积加固态固结工艺制成，准静态压缩力学性能与 90W7Ni3Fe合金相当；
（3）钨－金属间化合物，目前合成的有W－7％NiFeAl，该合金烧结密度达96％，平均晶粒尺寸为7μm，在动态压缩试验中，显示了绝热剪切特征；
（4）钨锰合金，有90W-Ni-Mn和95W-5Mn两种，烧结密度达95％以上，在动态试验中，均显示了绝热剪切特征。

3. 钨纤维或晶须增强复合弹芯材料

国 外有关穿甲弹芯材料的研究表明，使用复合材料可以提高弹芯的强度、密度和延性。这类复合材料主要以钨合金或贫铀作为母相，以下列成分作为增强相：金属丝， 例如钨丝；金属晶须，例如钨晶须；合金化元素以及陶瓷纤维如AL2O3、SiO2等。这类弹芯可通过粉末冶金、等离子沉积等技术制造。

据 1996年资料报道，德国迪尔(Diehl)公司采用冷锻技术将钨合金棒锻至小于1mm直径，制成钨纤维复合材料弹芯。与钨合金弹芯相比，该弹芯抗拉强度 增加，但韧性降低。随后，该公司将改进的铜粘结方法用于钨纤维结构，从而显著增加了其静态抗弯强度，各性能指标为：抗拉强度 2100～2400N/mm2（平方毫米），抗弯强度约2800N/mm2（平方毫米），边缘纤维延伸率>20，密度18.2g/cm3（立方厘 米）。为了分析铜粘结钨纤维弹芯的终点弹道性能，选择倾斜双层靶板结构和长径比L/D＝20、直径为12mm的弹芯，以1400m/s冲击速度进行了试 验。其中，靶板采用高强度轧制均质装甲钢，倾角为60°。弹芯有六种，分别为：DENSIMET D176钨合金，20％延伸率；钨合金，10％延伸率；钨合金，10％延伸率，有钛TiAl6V4包套；钨纤维，铜粘结；钨纤维，铜粘结，钛包套；钨纤 维，铜粘结，钢包套。试验结果表明，对于各类弹芯，包套都使其侵彻性能显著下降，X射线照片显示出包套与第二块倾斜靶板之间发生强烈作用，导致韧性包套侧 向剥离，进一步造成弹芯的破碎和侧向加速。而无包套的钨纤维弹芯，与钨合金弹芯相比，其侵彻性能显著提高，约高50％以上。因为，小纤维颗粒非常快速地从 损伤的弹头部分离，在剩余弹芯中几乎没有产生弯曲动量，从而避免了出现蘑菇状头部和弹芯弯曲，并增大了攻击角，提高了侵彻性能。可见，铜粘结钨纤维弹芯具 有很大的发展潜力。

英国皇家兵工厂也开发出一种穿甲弹芯用纤 维增强复合材料，即W-0.6%ThO2丝和W-1%ThO2丝增强复合材料，其模量、密度和强度均好于常规钨合金弹芯材料。具体工艺为将W-5Ni- 2.5Fe粉和带有SiO2包覆层的W丝混合物置于模具中于140～420MPa压力下进行冷等静压，再于1500℃、氩气氛中进行液相烧结半小时。

最 近，美国陆军部研制出一种[100]晶向的单晶钨晶须，并用这种晶须制成了穿甲弹芯用复合材料，据试验表明，该材料具有较高的强度和侵彻性能，并在冲击目 标时不形成蘑菇状头部。制造时，先在自制的专门设备上生产出单晶钨晶须，然后在钨晶须上涂覆涂料，钨晶须与涂料两种成分所占体积百分比分别为90％和 10％，此时，弹芯密度可达到最大。适用的涂料有：Fe-Ni，Fe-Ni-Co，Ni-Co，Ni-Cu，Cu，Co等。涂覆可采用化学汽相沉积、物理 汽相沉积或流化床工艺来完成。涂覆后，将带有涂层的钨[100]晶须以与弹芯纵向轴线相平行的方向放入陶瓷模，模腔形状和尺寸与弹芯相同。将陶瓷模放入氢 气氛中进行液相烧结。最佳烧结温度根据涂料成分而定。例如，当使用Fe-Ni涂料时，烧结温度可为1470～1570℃，烧结时间可为 1小时。

4. 集束式钨弹芯材料

钨合金弹芯在侵彻靶板时，其头部或体部容易断裂，这说明弹芯沿轴线方向上的强度不够高。针对这种情况，日本制钢所提出一种集束式弹芯，可保证在其轴线方向上得到较高的强度和延性，并且其密度可达到18.5g/cm3（立方厘米）以上。该弹芯主要制造工序如下：
（1）将直径0.15mm高纯度钨丝裁成指定长度，并在钨丝表面涂覆Ni-Fe粘结剂。在涂覆的钨丝横截面上，涂层所占面积为10％，钨丝所占面积为90％。
（2）将涂覆后的钨丝扎成束状，并装入橡皮包套进行冷等静压以制得预形坯。
（3）将预形坯在氢气氛或真空中进行还原处理以除去氧、碳等杂质，然后在1500℃进行液相烧结。
（4）经过烧结的钨合金再进行适当机械加工便可得到具有一定形状的钨集束式弹芯。

德国莱茵金属公司也研制出了另一种形状的集束式弹芯，其心部由束状钨丝构成，周围是烧结钨合金。该弹芯基本制造工序为：

（1）在陶瓷棒周围放上钨合金粉并压制成预形坯。
（2）将预形坯连同芯棒一起进行烧结。烧结后退出芯棒便得到管形件。
（3）把集束式钨丝放入管件内腔，将二者一起锻造便制得高密度、高强度弹芯。束状钨丝所以不进行烧结，是为了避免钨丝性能下降。必须注意的是，集束式钨丝在压实之前具有一定的孔隙度，应当在加工过程中予以消除，保证使弹芯材料达到最高密度。

 

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