钨合金穿甲弹芯材料强化技术及材料技术国外研究分析

张明星，黄晓霞

(1.四川航天技术系统工程研究所，成都 610100; 2.中国兵器工业第五九研究所，重庆 400039)

钨是高密度难熔金属，具有体心立方原子晶格结构，一般钨重合金中的晶粒尺寸为几十微米，具有极为稳定的压缩动态塑性变形行为，这种稳定的塑性行为对动能穿甲弹材料来说不是一种理想的性能。但是，最近的研究表明，当钨重合金的晶粒尺寸减小超过一个数量级时，其动态机械性能就会发生重大改变，因而直接影响其穿甲性能。当超细晶粒和纳米晶在平均晶粒尺寸等于或小于250 nm 时，会出现形成动态剪切带的不稳定动态压缩塑性变形行为，特别是局部化绝热剪切变形性能，具有与贫铀材料相似的“自锐化”效应，因此它成为替代贫铀弹芯材料的一种新选择而得到国外的重视。

1 钨合金穿甲弹芯材料强化技术

1.1 大变形强化工艺技术

近十多年来，英、美、德等国均对钨合金大变形强化技术开展了研究，旨在通过对钨重合金坯料的大变形量加工，使其获得具有强化功能的纤维组织，从而大幅度提高材料的强度和韧性，并且仍能保持适当的延展性。

英国国防研究中心研究了92.5%W-Ni-Fe-Co 合金的大变形型锻技术，直径大于36 mm 的高纯钨合金棒坯经液相烧结和热处理之后，进行两次型锻加工和中间热处理。两次变形加工的总变形量截面减缩比大于90%。最终经热处理获得所要求的力学性能。

德国多尼尔公司利用反应喷射工艺制得细晶多元预合金化钨合金粉，经固相烧结，得到细晶组织。再经型锻加工和热处理，获得高强韧钨合金。型锻加工最大变形量截面减缩比为80%，钨颗粒被拉长，且出现无杂质的新界面，这种短纤维模式的钨颗粒有纤维增强作用，并使合金断裂方式由晶间转变为穿晶断裂。经适当调整工艺参数，钨合金的抗拉强度可超过1 700 MPa，延伸率大于10%。

美国陆军研究实验室对钨合金动能穿甲弹芯在两种不同工艺状态下的弹道进行了试验对比和金相学分析，发现大变形强化对弹芯的性能有重要影响。首先进行了弹道性能试验对比，制造了两组90W9Ni1Co 合金弹芯，其中一组保持烧结和热处理状态，另一组进行了截面锻压比为50%的锻造冷作加工和时效热处理，这两组工艺状态代表了90W9Ni1Co钨合金的两种常规极端情况。钨合金这两种工艺状态下的烧结态和锻造态的残余弹芯宏观照片分别见图1。在侵彻过程中，弹芯尾部基本上不变形，图1 左(b)证实了微观组织从原始态到烧蚀碎片所发生的变化，可以看到，钨颗粒逐渐拉长，从原始微观组织变成了大长细比组织，烧蚀碎片中的钨颗粒全都被极度拉长，图1 左(c)中的微观组织是在碎片中看到的典型组织，与图1 右中锻造钨合金对比，发生了局部化变形，形成剪切碎片。

图1 烧结态和锻造态钨合金残留弹芯宏观照片

研究认为，液相烧结的90W9Ni1Co 钨合金弹芯经过截面锻造比为50%的锻造冷作加工，随后进行时效热处理，可以提高对钢装甲的侵彻性能。相同质量和几何形状钨合金次口径长杆式弹芯经过这种冷作加工之后与加工前相比，对RHA 钢靶的极限穿透速度可以降低30 ～40 m/s。

1.2 其他强化工艺技术

近年来，国外研究的钨合金其他强化工艺技术有以下几种:等温退火+热机械加工;多次轧制+热处理工艺;化学气相沉积+动态压实等。下面是有关国家研究情况:

荷兰研究人员用“等温退火和热机械加工”方法获得了抗拉强度为1 700 MPa，延伸率10%，缺口冲击韧性值约100 J 的高力学性能钨合金材料。在该工艺中，由直径约1 ～5 μm 的钨、镍和钴粉末烧结成的钨合金坯料经过了至少一次等温退火和溶解退火，目的是使奥氏体γ 粘结相转化成金属间化合物类型的β 相。等温退火后，再进行溶解退火处理，使β 相晶体部分重溶，从而极大地提高烧结钨合金性能。

法国采用“多次轧制+热处理工艺”对烧结钨合金进行三次轧制和热处理，使含80% ～90%钨的WNiFe 合金抗拉强度达到1 300 ～2 000 MPa。

美国陆军研究实验室采用“化学气相沉积+动态压实”方法实现提高钨合金性能。为达到上述目的，研究人员用流化床化学气相沉积技术在直径不超过10 μm 的钨粉上均匀涂覆镍铁等粘结相元素的镀层，采用动态压实技术在低于钨合金液相烧结温度情况下将预涂覆粉末压实为钨合金棒坯。弹道试验研究表明，该合金弹芯侵彻半无限均质装甲钢的性能(侵彻深度)比传统钨合金弹芯高约11% ～13%。

2 钨合金穿甲弹芯材料技术

2.1 纳米钨弹芯材料技术

美国陆军研究实验室对纳米晶钨弹芯进行了弹道性能试验，并与常规钨合金弹芯性能进行了对比，纳米晶复合材料弹芯的密度比较低，但是其侵彻性能却明显优于常规钨重合金。

为了制造用于高性能动能穿甲弹芯的超细晶粒和纳米晶体钨材料，美国陆军研究了纳米晶钨粉末的烧结工艺。钨的致密化主要受到晶粒长大的支配。因此，为了强化超细晶粒钨和纳米晶粒钨，致密化工艺就应该提供极快的加热速率，以便减小晶粒生长。施加高压也是可取的办法，它提供了额外的致密化驱动力。一般情况下，加工时间越短，温度越低，对保持细晶粒结构就越有利。

2.2 非晶钨复合弹芯材料技术

非晶材料又称金属玻璃，它们没有有序排列的晶体结构。在一般温度下，金属玻璃处于一种深度冷却状态，即:当低于其玻璃转化温度时，金属玻璃的黏性会极高，原子都很稳定。但当高于玻璃转化温度时，金属玻璃的黏性会快速降低。当高于某一温度时，原子活动性提高，会形成晶体相，这时金属玻璃就会变得不透明。

金属玻璃总是拥有很高的弹性应变极限，并因此有很高的屈服强度。但是，超过其弹性极限，这些金属玻璃材料并不发生应变硬化，而且塑性变形会立即局限在剪切带中，即发生局部剪切变形，这种特性非常类似于贫铀穿甲弹芯的变形和失效方式，因此引起国外的极大关注，国外普遍对钨丝增强非晶复合材料进行了研究。

美国加利佛尼亚理工大学于2000年提出非晶态合金作基体相的钨丝复合材料穿甲弹芯技术。其主要特点是，该复合材料弹芯的弥散相是大量高长细比的重金属钨丝，这些钨丝被金属基体包围并润湿，形成一个整体弹芯。其中，基体金属具有在变形时形成局部剪切带的特性，而重金属弥散相主要是钨、钽、铪、铀及其合金等。

非晶态金属是一种很好的局部剪切带材料。弹芯的局部剪切带材料要求基体材料能够从熔融态以比较快的速度冷却下来，正是这些合金适用于弹芯，虽然有些合金不太容易保持非晶态，但可以在较低冷却速度下形成微晶态。非晶态和微晶态金属在变形时都会形成局部剪切带，都适合用做复合材料弹芯的基体材料。

2.3 新型钨基体弹芯材料技术

韩国科学技术学院材料科学与工程系、韩国原子能研究所和韩国国防发展局等单位联合进行了一项研究，针对提高穿甲弹芯钨合金材料对局部化剪切变形的敏感性问题，通过机械合金化粉末冶金工艺技术在钨合金中刻意形成偏聚基体相的方法。

最近，韩国原子能研究所等单位对机械合金化氧化物弥散钨合金的变形和断裂行为进行了实验研究。实验显示，利用机械合金化工艺可以制造氧化物弥散钨合金，钨颗粒尺寸会随着Y2O3含量的增加而下降，因为粗化速率下降。加入氧化物可以有效细化钨合金的微观组织。钨合金在800℃的高温压缩试验结果表明，机械合金化氧化物弥散钨合金的强度会随着氧化物的含量增加而增加。在高应变率剪切变形期间氧化物弥散钨合金具有过早断裂倾向，而不是局部变形。

2.4 单晶钨弹芯材料技术

美国陆军研究发现，如果单晶纯钨的晶向平行于冲击方向，则表现出来的侵彻能力与贫铀相同，美国阿伯丁试验场陆军研究实验室用1/4 比例大长径比晶向单晶钨弹芯射击76.2 mm 厚度扎制均质钢半无限靶的对比试验结果表明，该弹芯的侵彻性能超过93%钨合金弹芯，类似于U-0.75Ti 合金弹芯的性能，所以单晶钨弹芯是穿甲弹芯材料技术的一个重要发展方向。但是，单晶纯钨不能承受较高的火炮发射应力，缺乏足够的强度和韧性，不能保持发射的完整性。

美国研究了高强度单晶钨合金材料，与单晶纯钨相比，其强度和韧性都有所增加，这种单晶钨合金材料能够满足美国陆军所制定的高密度弹芯标准，能承受火炮发射应力。图2中的单晶钨合金弹芯为圆柱形，头部为圆锥形。长径比达到15∶1，用单晶材料可以加工成直径约25 mm，长度350 ～600 mm 的各类弹芯，这样的弹芯能够有效侵彻装甲。

图2 单晶钨合金弹芯

2.5 变性能钨弹芯材料技术

变性能弹芯是指在弹芯不同部位采用不同成分的材料或通过不同加工工艺制成的一种弹芯，以适应弹芯不同部位侵彻性能的要求。

早在1989年，奥地利就开始研究这种弹芯材料。他们通过控制W 合金或U 合金弹芯的头、中、尾三部分的冷锻变形量或局部热处理，可使W 合金弹芯头部的强度达1 100 ～2 000 MPa，中部达600 ～900 MPa，尾部达1 450 MPa。

之后，美国、德国、日本等国家都分别提出并实施了这项技术。但各国采用的工艺方法和材料等各不相同。美国和德国的方法是把具有不同成分、性能的弹芯的头、中、尾三部分材料通过焊接或扩散烧结方法结合在一起，形成一种变成分、变性能的弹芯。例如德国莱茵金属公司发明的变性能大长径比钨合金穿甲弹芯材料，头部和尾部采用韧性较好的高密度W 合金或U 合金，中部采用脆性W 合金或U 合金。而美国是利用扭转硬化工艺使弹芯获得变性能特点的。日本冶金公司提出的变性能弹芯是用传统烧结工艺制造而成。其特点是弹芯轴心部由97W -Ni -Fe 组成，具有较高密度、强度和硬度，外层由89W-Ni-Fe 组成，具有高韧性。

3 结束语

穿甲弹弹芯材料的发展对于穿甲弹来说具有重要的意义，密度大、硬度高、韧性好是弹芯材料的必备条件。考虑到贫铀合金的重金属化学毒性及放射性对人员的伤害和对环境的污染，目前各国关注的焦点是如何提高钨合金弹的穿甲威力，尤其是如何提高其绝热剪切能力。因此，发展新型钨合金复合材料，利用绝热剪切变形特性提高弹芯侵彻威力，取代贫铀合金并发展性能与贫铀合金相同甚至超过贫铀合金的新材料，是当前穿甲弹芯技术的主要发展趋势。钨合金弹芯材料将在继续提高强韧性和“自锐化”效应方面作出努力，重点发展纳米钨合金弹芯、非晶态基体钨丝复合材料和单晶或钨晶须增强复合材料弹芯材料等。

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