湿化学法制备Cu-20%W药型罩材料的研究

刘海龙，曲家惠，杨明川，卢凤生，彭琳茜，李 岩

湿化学法制备Cu-20%W药型罩材料的研究

刘海龙1，曲家惠1，杨明川1，卢凤生2，彭琳茜1，李 岩1

(1.沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳 110159；2.北方华安工业集团有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161000)

采用湿化学法制备Cu-20%W(质量分数)纳米复合粉，经烧结制备了Cu-W药型罩材料。并用XRD、SEM对制备的复合粉体和合金进行了表征。结果表明，本方法制备的复合粉体中W的平均晶粒尺寸为44nm。Cu-20%W合金存在较多孔洞，W在铜基体中出现聚集，钨在铜基体上分布的均匀性需进一步提高。

湿化学；铜-钨假合金；药型罩材料

现有制式破甲弹的药型罩材料由紫铜制成,破甲威力已接近其极限,为进一步提高破甲弹的侵彻性能,许多国家进行了相关的研究。解决这一问题的关键在于控制射流的长度、形状、质量等[1]。根据侵彻流体动力学理论,药型罩要形成更长且稳定的射流其材料应具备高密度[2]、高声速、高动态断裂延伸率等性能,因此药型罩材料的选择是非常关键的[3]。

为此,许多种高密度材料被用于制备药型罩,并进行了破甲试验,比如用钨、钽等纯金属或合金[4]。英国研究局[5]研究纯钨药型罩的射流,发现用热压烧结后,经锻造切削成形工艺制造的药型罩,其射流长度比纯铜药型罩的长104mm;钽具有较高的密度,并且有良好的动态力学性能,与纯铜药型罩相比,其破甲深度提高27%～30%[6]。单质药型罩虽然提高了密度,并且很大程度上提高了金属射流长度和破甲深度,但是也增大了制造难度和成本,难以应用,为此开展了复合药型罩材料及工艺设计[7]。日本研制的Ta-Cu合金药型罩的破甲深度比常用的纯铜提高36%～54%[8]。刘迎彬等[9]采用机械合金化方法和旋模压制方法压制出80W-Cu合金药型罩,对603均质装甲钢进行侵彻试验,钨铜合金药型罩的穿深比纯铜提高45%。Ta-Cu合金与W-Cu合金虽然都很大程度上提高了破甲弹威力,但是钽的价格比钨昂贵,成本高,并且两种合金加工药型罩时,工艺复杂,成品率低。本文提出在铜中添加少量钨制备低成本的Cu-W合金,与传统的药型罩加工工艺相似,是很有前景的药型罩用材料。然而钨铜为不互溶合金,且密度相差很大,用普通的熔炼方法不能制备出Cu-W合金[10],现有制备钨铜合金的熔渗法,需要先烧结出钨骨架,W的含量在50%以上,因而本文采用湿化学法制备Cu-W复合粉,然后在氢气气氛烧结的方法制备Cu-20%W合金。

该方法能大批量生产,性价比高,且工艺简单、对环境污染小。本文探索用湿化学法制备Cu-20%W合金,并重点研究W在Cu中的分散性。由于含少量W的Cu-W合金与纯铜有相似的加工性能,一旦方法可行,就可以用现有的设备进行新型药型罩的生产,因此具有很强的应用背景。

1 实验方法

按比例称取相应质量的钨酸钠(纯度≥99.0%)、氯化铜(纯度≥99.0%)和氢氧化钠(纯度≥96.0%),然后在室温下将其溶入蒸馏水中,经沉淀、析出、烘干得到前驱体粉体,然后将前驱体粉经700℃还原得到Cu-20%W复合粉。再通过冷等静压成型和1050℃氢气烧结得到Cu-20%W合金。流程图如图1所示。

图1 Cu-20%W合金制备流程图

粉体制备在三足式离心机中进行,在纳博热管式炉中进行还原和烧结,用型号SSH-CIP-(200/1000/250)MPa的冷等静压机进行粉体成型,物相分析使用岛津XRD-7000S型衍射仪,用日立S-3400N扫描电子显微镜观察样品形貌。用型号为HV-1000的显微硬度仪测量合金的硬度。

2 实验结果与讨论

图2为Cu-20%W复合粉扫描电镜形貌图,图2a为高倍下的形貌图,图2b为低倍下的形貌图。从图2b中可以看到,复合粉颗粒呈多边形,颗粒大小从1μm至十几微米不等,部分颗粒仍为结晶状;照片中出现的大颗粒的形成,可能是由若干小颗粒团聚、合并而成;也可能是在较高的还原温度下,晶粒局部产生预烧结而形成的。图3为Cu-20%W在700℃下还原的X射线衍射谱,复合粉中含有bcc结构的钨单质、fcc结构的铜单质和少量的Cu2+1O,说明W已经全部被还原,还有少量的Cu没有被还原,以Cu2+1O形式存在,还原不够充分,说明要得到完全的铜、钨相还需进一步提高还原温度。

根据X 射线衍射线宽和Scherrer公式计算得到粉末中W 的平均晶粒度为44nm,铜的平均晶粒度为53nm。

图4为不同成分Cu-W复合粉压坯在1050℃下烧结2h后的SEM照片。图中白色物质为W颗粒,暗色为铜基体,黑色为孔洞。图4a为Cu-20%W形貌图,从图4a可以看到,钨分散在铜基体中,但是W出现聚集现象,主要聚集在孔洞周围;W颗粒的尺寸在0.5～2μm之间,样品表面有很多孔洞,并且大小不一,这是固相烧结扩散不充分造成的。由反应方程式:

可知，在粉体制备时，CuWO4与Cu(OH)2沉淀速度不同，可能出现偏析，并且由于CuWO4中Cu与W的质量比接近1∶3，而本文制备的Cu-20%W合金中Cu与W的质量比为4∶1，因而在CuWO4附近有大量Cu。

图4b为Cu-10%Ni-10%W合金SEM形貌图，从图4b中可以看到，W晶粒的尺寸很细并且均匀分布在铜基体内，基体上出现很多小的孔洞。与图4a相比，孔洞尺寸减小，钨的分布更加均匀。可能的原因为镍与铜完全互溶，并且钨在镍中有一定的溶解度，可以在钨颗粒的边缘形成一个扩散能力很强的边界层，这样就可以阻止钨颗粒之间的聚集长大。因此添加Ni对本方法制备Cu-W复合材料中W在铜中的分布起到促进作用。

图4 不同成分Cu-W复合粉压坯在1050℃下烧结2h后的背散射SEM照片

图5 Cu-W 合金表面不同打点位置对应的硬度值

图5为不同成分烧结样品(随机取点)测量的维氏硬度值，由图5可知，Cu-20%W合金硬度值波动从41Hv到66Hv，Cu-10%Ni-10%W的硬度值波动从66Hv到75Hv，并且大部分取点硬度值在70Hv附近。通过对比可知，Cu-20%W硬度值波动性大，而Cu-10%Ni-10%W的硬度值波动性小，从硬度值可以推出Cu-20%W样品表面均匀性很差，添加镍以后均匀性得到提高，硬度值也有提高。

本文还对两种成分的合金进行密度测量，Cu-20%W合金平均密度为6.740g/cm3,Cu-10%Ni-10%W合金平均密度为6.973 g/cm3。可知添加镍在1050℃下烧结对密度影响不大。

3 结论

(1)采用湿化学法结合氢还原工艺可以制备出W和Cu晶粒度分别为44nm和53nm的Cu-20%W复合粉。

(2)将复合粉体通过成型、烧结工艺制备W分布在铜基体中的Cu-20%W复合材料。目前制备的Cu-20%W复合材料孔洞较多，W在Cu基中出现聚集，均匀性不好。

(3)添加镍元素对钨在铜中分布的均匀性有很好的促进作用。

[1]陈赐君，刘天生.粉末药型罩材料在聚能破甲中的发展[J].科技致富向导，2012(5):24.

[2]吴成，廖莎莎，孙韬，等.钨合金药型罩材料的大破孔聚能战斗部研究[J].北京理工大学学报，2009，29(9):761-762.

[3]张孝全，姚懂，曹连忠，等.钨铜EFP药型罩的制备及成形性能[J].稀有金属与材料工程，2009,38(3):527-530.

[4]陈赐君，刘天生.粉末药型罩材料在聚能破甲中的发展[J].科技向导，2012(5):24.

[5]韩欢庆，陈飞，雄甘乐，等.钨在药型罩中的应用[J].中国钨业，2004,19(1):26-28.

[6]韩欢庆，姜伟，张鹏，等.金属粉末在药型罩中应用[J].粉末冶金工业，2004(3):1-4.

[7]侯秀成，蒋建伟，陈智刚.有效射流与药型罩材料的分配关系[J].兵工学报，2013,34(8):935-936.

[8]高晓军，徐宏，郭志俊，等.爆炸成形弹丸药型罩材料的现状和趋势[J].兵器材料科学与工程,2007,18(2):85-88.

[9]刘迎彬,沈兆武,刘天生，等.钨铜药型罩制备及其侵彻性能研究[J].实验力学,2012,27(5):618-621.

[10]王占磊，李晓杰，张程娇，等.爆炸烧结W-Cu合金药型罩材料及其性能[J].爆炸与冲击，2011，31(3):332-333.

(责任编辑:马金发)

Preparation of Cu-20%W Liner Material by Wet Chemical Method

LIU Hailong1，QU Jiahui1，YANG Mingchuan1，LU Fengsheng2,PENG Linxi1，LI Yan1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China；2.North Huaan Industries group Co.,Ltd.,Qiqihaer 161000,China)

Cu-W liner materials were sintered by Cu-20%W (mass fraction) nanocorposite powders prepared by wet chemical method.The composite powders and sintered alloys were characterized by XRD，SEM.It was showed that the average grain size of W in the composite powder prepared by this method was 44nm.There were many holes in the Cu-20%W alloy，W aggregates appeared in the copper matrix，the uniformity of the distribution of tungsten in the copper matrix should be further improved.

wet chemical;copper-tungsten immiscible alloy;liner material

2015-11-24

刘海龙(1989—)，男，硕士研究生；通讯作者:杨明川(1969—)，教授，研究方向:钨合金制备。

1003-1251(2017)01-0025-03

TG14

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