CN114959395A - 一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金及其制备方法，属于特种金属材料技术领域。所述钨合金中镍的质量分数为35～90％，钨的质量分数为10～60％，以镍为溶剂钨为溶质得到面心立方结构的镍基固溶体合金，其密度大于10g/cm3，相比现铜提高10％以上，屈服强度约为270～350MPa，伸长率达到53％以上，从而满足EPF药型罩在***爆轰的高温、高压、高应变速率的极端加载条件下，经历极大的塑性变形而不发生动态失效的使用要求，有效提高EFP的威力性能。所述钨合金采用粉末烧结法制备，能够根据药型罩的实际质量和结构设计，由生坯至最终产品的材料利用率高，利于批量生产，无毒无放射性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金及其制备方法，属于特种金属材料技术领域。
背景技术
***成型弹丸(EFP)战斗部药型罩作为EFP战斗部的关键部件之一，其材料特性直接影响EFP的性能。在***确定的条件下，通过提高药型罩材料密度的方式增大比动能，是提高EFP性能的有效措施。
传统的EFP药型罩材料主要包括铜、钽和钽合金，铜作为应用最为广泛的EFP药型罩材料，其性能潜力已开发殆尽；钽及其合金虽然具有很高的密度，但稀有金属高昂的物料和加工成本导致其难以进行大批量生产和装备。探寻密度高于铜且造价低廉的药型罩材料，已成为EFP战斗部设计和研制的迫切需求。随着材料设计和制备技术的不断发展，合金化已成为获取高密度材料的主要方式。根据Ding和Jiang等人发表的题为《Research onFeasibility of Several High Density Materials for EFP Liner and MaterialSelection Criteria》研究表明，绝大多数的高密度金属材料在***爆轰驱动变形的过程中发生断裂、破碎的动态失效现象，难以形成形态完整的侵彻体，不满足EFP药型罩材料使用需求。
钨合金具有密度高、强度高、机械加工性好等优异性能，是在医疗、油气开采等现代工业领域应用最为广泛的高密度合金。同时，钨的价格仅为相同质量钽的三十分之一左右，所以钨合金成为备受期待的EFP药型罩候选材料。现有技术中常用的高比重钨合金主要为多相复合材料，高比重多相钨合金在***载荷作用下的断裂模式主要为钨颗粒解理。由于钨为体心立方结构金属，具有明显的韧脆转变温度(约400℃)，按照使用的环境温度要求(-40℃～+50℃)，高比重钨多相合金作为EFP药型罩承受***爆轰产生的极端载荷，极容易发生脆性断裂。虽然增加除钨之外的基体相含量能够避免药型罩在加载瞬间即发生动态失效，但由于多相材料不同相界面处的位错塞积问题难以避免，多相钨合金作为EFP药型罩材料，随着变形的加剧，依旧会发生钨颗粒与基体界面分离的断裂问题。因此，无法满足EFP成型性的基本要求，不能作为EFP药型罩材料进行应用。
单相钨合金具有材料组织均匀、密度高、延展性好的优点，现有技术中，单相钨合金研究较少。中国专利CN 110835703A公开了一种单相钨合金及其制备方法，所述单相钨合金中以W、Ta、Nb和Ni为主要组分，但面心立方金属Ni的含量较低，质量分数仅为8～17％，体心立方金属W在合金中含量远高于其他金属，是一种以W为溶剂，其余金属为溶质得到的钨基固溶体合金，其断后伸长率仅为34.5％～36.5％；在EPF药型罩***加载瞬间，冲击压力可达20Gpa～50Gpa，应变超过300％，应变速率大于104s-1，所述单相钨合金塑性和延展性相对较低，韧脆转变温度较高，在高温、高压、高应变速率的极端加载条件下不易发生塑性形变形成完整侵彻体；同时由于所述钨合金含有较高的Ta含量，材料成本较高，相比于作为EFP药型罩材料，所述钨合金更适于作用聚能射流的药型罩材料；此外，所述单相钨合金由Ni、Co、Ta、Nb、Zr、Gd、Ce和W八种金属组成，合金金属组分多，不利于根据应用需要调控合金金属组分和含量从而调整合金性能。所述专利采用真空熔炼(包括真空电弧熔炼)的方法制备单相钨合金，炉内金属经熔炼熔化成金属溶液，冷却后会形成金属铸锭，由于热量传输需要时间，铸锭内部和外部的冷却速度并不一致，导致铸锭的内部和外部的微观组织存在差异，外层的微观组织很容易产生析出相等问题，铸锭在制备为工件过程中需要进行繁复的去皮、留心，工艺复杂、控制难度大，且由于铸锭尺寸是一定的，制备成最终产品需要经过复杂的变形和机械加工，导致材料损耗大，利用率低，极大地增加了最终产品的***格。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金。
本发明的目的之二在于提供一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金的制备方法。
本发明的目的之三在于提供一种EFP药型罩，所述EFP药型罩的材料为本发明所述的一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金。
为实现本发明的目的，提供以下技术方案。
一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金，以所述单相钨合金的总质量为100％计，各原料组分及其质量分数如下：W 10％～60％，Ni 35％～90％，Fe 0％～50％，Co0％～50％，Cu 0％～50％，Mo 0～30％。
优选的，所述钨合金的各原料组分及其质量分数如下：W 30％～45％，Ni 40％～55％，余量为Co。
优选的，所述钨合金的的各原料组分及其质量分数如下：W 30％～40％，Ni 45％～60％，余量为Fe。
优选的，所述钨合金的各原料组分及其质量分数如下：W 20％～35％，Ni 35％～50％，Fe 5～15％，余量为Mo。
优选的，所述钨合金的的各原料组分及其质量分数如下：W 25％～40％，Ni 45％～55％，Co 5～15％，余量为Fe。
更优选的，所述钨合金的的各原料组分及其质量分数如下：W 30％～40％，Ni40％～55％，Fe 0％～15％，Co 0％～20％，Mo 0～5％。
一种本发明所述用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金的制备方法，所述方法为粉末烧结法，具体步骤如下：
(1)混料：称取各原料组分金属粉末并混合均匀。
优选的，将金属粉末投入三维混料机中混合10小时～12小时，使金属粉末混合均匀；或将金属粉末投入球磨机中进行球磨，使金属粉末颗粒细化，从而实现原子尺度的混合均匀。
(2)压制：将混合均匀的金属粉末经模压压制为生坯；
(3)烧结：将压制好的生坯放入真空烧结炉中，保证炉内真空度不高于5×10-2Pa，先在1000℃～1200℃进行固相烧结，固相烧结时间为10分钟～20分钟；随后在1380℃～1530℃进行液相烧结，液相烧结时间为15分钟～60分钟，以保证钨及其他金属元素能够充分溶解于镍熔体中，得到一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金。
优选的，液相烧结温度为1420℃～1500℃，液相烧结时间为20分钟～60分钟。
一种本发明所述用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金的制备方法，所述方法也可以是传统熔炼法。
一种EFP药型罩，所述EFP药型罩的材料为本发明所述一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金。
一种本发明所述EFP药型罩的制备方法，所述方法步骤如下：
将液相烧结后得到的一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金冷却得到烧结坯，对冷却后的烧结坯进行变形加工，然后经热处理消除因变形加工而产生的内应力，得到单相钨合金的EFP药型罩毛坯，对药型罩毛坯进行机械加工，得到符合尺寸要求的EFP药型罩。
所述热处理为退火处理，退火温度为1100℃～1300℃，保温时间为60分钟～120分钟；优选的，退火温度为1150℃～1250℃，保温时间为60分钟～120分钟。
有益效果
1.本发明提供了一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金，所述单相钨合金中镍的质量分数为35～90％，钨的质量分数为10％～60％，通过对单相钨合金中镍、钨金属含量的设计，得到以镍为溶剂，钨为溶质的面心立方结构的镍基固溶体合金，面心立方结构使合金具有低韧脆转变温度，不存在低温脆性问题，避免了因第二相粒子存在对位错运动造成阻碍，消除了相界处因位错塞积而产生的应力集中，克服了高密度合金在***加载变形过程中发生断裂、破碎的缺陷，解决了合金材料作为EFP药型罩无法形成侵彻体的实际问题。
2.本发明提供了一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金，所述单相钨合金具有完全固溶体的微观单相组织，其密度大于10g/cm3，相比现阶段EFP材料使用的铜(8.96g/cm3)提高10％以上，屈服强度约为270MPa～350MPa，伸长率达到53％以上，在塑性和强度不能兼顾的情况下，使所述钨合金在满足EPF药型罩材料***加载基本承载强度需求的基础上，具有高密度、高塑性和延展性，在***爆轰驱动的极端加载和变形条件下，能够经历极大的塑性变形而不发生动态失效，顺利形成完整侵彻体，同时能够有效提高EFP的威力性能。
3.本发明提供了一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金，所述单相钨合金依据不同金属组分配比，可以形成三元或多元合金，添加少量铁、钴、铜和钼中的一种或多种来改变材料的组分及其相应的性能，可以根据相应EFP战斗部的作战目的、目标特性和战绩指标要求进行合金的成分选取，从而得到性能和造价适宜的药型罩材料。
4.本发明提供了一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金，所述单相钨合金相较于钽或钽合金具有更低的成本，主要元素钨相对于金、铼、汞和铀等高密度金属无毒无放射性。
5.本发明提供了一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金的制备方法，所述方法为粉末烧结法，相比现有技术中制备单相合金常用的的熔炼方法(真空电子束/电弧熔炼)，能够根据EFP药型罩的实际质量和结构设计生坯的形状和尺寸，预料少量加工余量即可进行材料制备，无需对铸锭进行去皮、留心、锻造等繁复的工艺，坯料经简单变形加工和机械加工即可得到药型罩成品，由生坯至最终产品的材料利用率高，极大的降低了制造成本。
6.本发明提供一种EFP药型罩及其制备方法，所述EFP药型罩的材料为本发明所述一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金；所述药型罩在***加载和变形过程中均能形成完整侵彻体，未发生断裂和破碎，满足EFP的成型性要求，能够显著提高EFP威力性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例来详述本发明，但不作为对本发明专利的限定。
对以下实施例制备得到的单相钨合金进行物理机械性能测试，其中密度采用排水法测量，屈服强度、抗拉强度和伸长率均按照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，采用WES-1000B型液压万能试验机测得。
实施例1
一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金，以所述单相钨合金的总质量为100％计，各原料组分及其质量分数如下：W 40％，Ni 40％，Co 20％。
一种本实施例所述用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金的制备方法，所述方法为粉末烧结法，具体步骤如下：
(1)混料：分别称取400g钨粉末、400g镍粉末和200g钴粉末，投入三维混料机中混合10小时，使金属粉末混合均匀；
(2)压制：将混合均匀的金属粉末装入模具，采用液压机压制为圆形平板生坯；
(3)烧结：将压制好的生坯装在陶瓷料舟内放入真空烧结炉中，保证炉内真空度不高于5×10-2Pa，现在1100℃进行固相烧结，固相烧结时间20分钟，随后在1500℃进行液相烧结，液相烧结时间60分钟，以保证钨及其它金属元素能够充分溶解于镍熔体中，得到一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金。
一种EFP药型罩，所述EFP药型罩的材料为本实施例所述的一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金。
一种本实施例所述EFP药型罩的制备方法，所述方法步骤如下：
将一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金自然冷却得到烧结坯，对自然冷却后的烧结坯进行变形轧制和冲压，然后在1250℃进行退火处理，保温时间60分钟，消除因变形加工而产生的内应力，得到单相钨合金的EFP药型罩毛坯，对上述药型罩毛坯进行机械加工，得到符合尺寸要求的EFP药型罩。
实施例2
一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金，以所述单相钨合金的总质量为100％计，各原料组分及其质量分数如下：W 30％，Ni 55％，Fe 15％。
一种本实施例所述用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金的制备方法，所述方法为粉末烧结法，具体步骤如下：
(1)混料：分别称取300g钨粉末、550g镍粉末和150g铁粉末，投入三维混料机中混合10小时，使金属粉末混合均匀；
(2)压制：将混合均匀的金属粉末装入模具，采用液压机压制为圆形平板生坯；
(3)烧结：将压制好的生坯装在陶瓷料舟内放入真空烧结炉中，保证炉内真空度不高于5×10-2Pa，现在1100℃进行固相烧结，固相烧结时间20分钟，随后在1450℃进行液相烧结，液相烧结时间40分钟，以保证钨及其它金属元素能够充分溶解于镍熔体中，得到一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金。
一种EFP药型罩，所述EFP药型罩的材料为本实施例所述的一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金。
一种本实施例所述EFP药型罩的制备方法，所述方法步骤如下：
将一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金自然冷却得到烧结坯，对自然冷却后的烧结坯进行变形轧制和冲压，然后在1200℃进行退火处理，保温时间80分钟，消除因变形加工而产生的内应力，得到单相钨合金的EFP药型罩毛坯，对上述药型罩毛坯进行机械加工，得到符合尺寸要求的EFP药型罩。
实施例3
一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金，以所述单相钨合金的总质量为100％计，各原料组分及其质量分数如下：W 35％，Ni 50％，Fe 10％，Mo 5％。
一种本实施例所述用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金的制备方法，所述方法为粉末烧结法，具体步骤如下：
(1)混料：分别称取350g钨粉末、500g镍粉末、100g铁粉末和50g钼粉末，投入三维混料机中混合12小时，使金属粉末混合均匀；
(2)压制：将混合均匀的金属粉末装入模具，采用液压机压制为圆形平板生坯；
(3)烧结：将压制好的生坯装在陶瓷料舟内放入真空烧结炉中，保证炉内真空度不高于5×10-2Pa，现在1100℃进行固相烧结，固相烧结时间20分钟，随后在1440℃进行液相烧结，液相烧结时间30分钟，以保证钨及其它金属元素能够充分溶解于镍熔体中，得到一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金。
一种EFP药型罩，所述EFP药型罩的材料为本实施例所述的一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金。
一种本实施例所述EFP药型罩的制备方法，所述方法步骤如下：
将一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金自然冷却得到烧结坯，对自然冷却后的烧结坯进行变形轧制和冲压，然后在1200℃进行退火处理，保温时间120分钟，消除因变形加工而产生的内应力，得到单相钨合金的EFP药型罩毛坯，对上述药型罩毛坯进行机械加工，得到符合尺寸要求的EFP药型罩。
实施例4
一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金，以所述单相钨合金的总质量为100％计，各原料组分及其质量分数如下：W 30％，Ni 45％，Co 15％，Fe 10％。
一种本实施例所述用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金的制备方法，所述方法为粉末烧结法，具体步骤如下：
(1)混料：分别称取300g钨粉末、450g镍粉末、150g钴粉末和100g铁粉末，投入三维混料机中混合12小时，使金属粉末混合均匀；
(2)压制：将混合均匀的金属粉末装入模具，采用液压机压制为圆形平板生坯；
(3)烧结：将压制好的生坯装在陶瓷料舟内放入真空烧结炉中，保证炉内真空度不高于5×10-2Pa，现在1100℃进行固相烧结，固相烧结时间20分钟，随后在1420℃进行液相烧结，液相烧结时间20分钟，以保证钨及其它金属元素能够充分溶解于镍熔体中，得到一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金。
一种EFP药型罩，所述EFP药型罩的材料为本实施例所述的一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金。
一种本实施例所述EFP药型罩的制备方法，所述方法步骤如下：
将一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金自然冷却得到烧结坯，对自然冷却后的烧结坯进行变形轧制和冲压，然后在1150℃进行退火处理，保温时间60分钟，消除因变形加工而产生的内应力，得到单相钨合金的EFP药型罩毛坯，对上述药型罩毛坯进行机械加工，得到符合尺寸要求的EFP药型罩。
对实施例1～4制备得到的单相钨合金物理机械性能进行表征，结果如表1所示，所述单相钨合金密度大于10g/cm3，相比现阶段主要作为EFP药型罩材料的铜(密度8.96g/cm3)，密度提高10％以上；同时所述单相钨合金的屈服强度约为270MPa～350MPa，抗拉强度高于480MPa、伸长率达到53％以上，在满足***加载基本承载强度需求的基础上，表现出优异的塑性和延展性，在***爆轰的高温、高压、高应变速率的极端加载条件下，能够经历极大的塑性变形而不发生动态失效，满足EFP药型罩材料使用要求。
表1实施例1～4制备得到的单相钨合金物理机械性能
采用静爆实验结合脉冲X光摄影技术，对实施例1～4中制备得到的EFP药型罩的成形性能进行了验证，通过***起爆装填有JH-2***的试验弹，以双通道脉冲X光获取不同时刻的单相合金EFP的成型状态，结果表明实施例1～4制备得到的药型罩在***加载和变形过程中均未发生断裂和破碎，均能形成完整侵彻体，满足EFP的成型性要求，能够显著提高EFP威力性能。
Claims (10)
1.一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金，其特征在于：以所述单相钨合金的总质量为100％计，各原料组分及其质量分数如下：W 10％～60％，Ni 35％～90％，Fe 0％～50％，Co 0％～50％，Cu 0％～50％，Mo 0～30％。
2.根据权利要求1所述一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金，其特征在于：各原料组分及其质量分数如下：W 30％～45％，Ni 40％～55％，余量为Co。
3.根据权利要求1所述一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金，其特征在于：各原料组分及其质量分数如下：W 30％～40％，Ni 45％～60％，余量为Fe。
4.根据权利要求1所述一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金，其特征在于：各原料组分及其质量分数如下：W 20％～35％，Ni 35％～50％，Fe 5～15％，余量为Mo。
5.根据权利要求1所述一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金，其特征在于：，各原料组分及其质量分数如下：W 25％～40％，Ni 45％～55％，Co 5～15％，余量为Fe。
6.根据权利要求1所述一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金，其特征在于：各原料组分及其质量分数如下：W 30％～40％，Ni 40％～55％，Fe 0％～15％，Co 0％～20％，Mo 0～5％。
7.一种如权利要求1～6中任意一项所述用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金的制备方法，其特征在于：所述方法为粉末烧结法，具体步骤如下：
(1)混料：称取各原料组分金属粉末并混合均匀；
(2)压制：将混合均匀的金属粉末经模压压制为生坯；
(3)烧结：将压制好的生坯放入真空烧结炉中，保证炉内真空度不高于5×10-2Pa，先在1000℃～1200℃进行固相烧结，固相烧结时间为10分钟～20分钟；随后在1380℃～1530℃进行液相烧结，液相烧结时间为15分钟～60分钟，得到一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金。
8.根据权利要求7所述一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金制备方法，其特征在于：将金属粉末投入三维混料机中混合10小时～12小时，或将金属粉末投入球磨机中进行球磨混合均匀；所述液相烧结温度为1420℃～1500℃，液相烧结时间为20分钟～60分钟。
9.一种EFP药型罩，其特征在于：所述EFP药型罩的材料为如权利要求1～6中任意一项所述用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金。
10.一种如权利要求9所述EFP药型罩的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
将液相烧结后得到的一种用于***成型弹丸药型罩的单相钨合金冷却得到烧结坯，对冷却后的烧结坯进行变形加工，然后经热处理得到单相钨合金的EFP药型罩毛坯，经进行机械加工，得到EFP药型罩；
所述热处理为退火处理，退火温度为1100℃～1300℃，保温时间为60分钟～120分钟。
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