[学习]纯钨药型罩材料技术

[定义]
　 纯钨药型罩材料技术是指用纯钨材料制造破甲弹药型罩，充分发挥纯钨的高密度效应来提高破甲威力的技术。由于提高破甲弹威力是从增加有效射流长度和采用高密度药型罩材料实现的。国外研究发现，高密度多相复合材料药型罩很难解决材料微区密度均匀性的问题。例如钨-铜(W-Cu)、铼-铜(Re-Cu)、钽-铜(Ta-Cu)、钨-镍-铁(W-Ni-Fe)等复合材料药型罩，虽然在小炸高条件下其破甲深度可比纯铜药型罩提高30%左右，但在大炸高下性能迅速恶化，不能获得延性射流，因此不能实用化。关键问题是材料密度越高，对药型罩的材料微区密度差精度要求也越高，使制造难度增大。但是从提高破甲弹威力发展需求考虑，人们一直希望得到密度高于常规铜药型罩8.96克/立方厘米(g/cmht的新型药型罩材料。所以90年代初期，美、英、法等国开始更多地探索纯钨药型罩的可行性，并对纯钨药型罩的应用前景看好，美国陆军还在1998年科学技术计划中确定了2005年～2013年实现用钨药型罩取代铜药型罩的计划目标。
　 国外研究认为，钨具有适中的声速4.03公里/秒(km/s）和较高的材料密度19.3公里/秒(g/cm3) ，是有前景的新型药型罩材料。钨的高声速是获得高连续射流头部速度所必需的，而钨的高材料密度是提高破甲弹侵彻威力所必需的。根据侵彻流体动力学理论，侵彻能力与材料密度关系可用平方根定律描述。而药型罩射流中由于存在速度梯度，会带来更高的的侵彻效益。例如根据射流侵彻深度与连续射流的头部速度v下标0和尾部速度v下标f的函数关系，当v下标0=v下标f时纯钨和铜药型罩射流对钢靶的侵彻深度比值为P下标W /P下标Cu=1.47， 而v下标0=3v下标f时P下标W/P下标Cu=2.05。 药型罩材料声速越高，射流头部速度越高。钨的常温声速为4.03km/s，而铜的声速为3.94km/s。如果钨射流具有较高的头部速度，就能更有效地对抗反应装甲，缩短贯穿时间。在掠飞攻顶侵彻情况下更希望有尽可能快的射流速度。但是由于钨是高强度难熔金属，很难进行铸造。国外研究制备纯钨药型罩的常用方法主要是化学汽相沉积和粉末烧结锻造切削加工技术。

[相关技术] 破甲弹技术

[技术难点]
　 1、 化学汽相沉积制备纯钨药型罩的技术；
　 2、 纯钨药型罩的高能率制造技术；
　 3、 纯钨射流的断裂行为和相关因素研究；
　 4、 纯钨药型罩工艺、材料行为与射流性能关系；
　 5、 纯钨药型罩性能表征技术。

[国外概况]
　 1993年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室采用化学汽相沉积工艺(CVD) 成功制造了直径为28毫米(mm)厚度0.33mm和直径为81mm厚度为1.07mm，锥角为42°的纳米级细晶纯钨药型罩。X射线衍射结果表明，药型罩晶粒尺寸约为800埃，具有柱状晶和细小等轴晶结构，并存在0.25％的残余应变。
　 美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室采用的基本方法是通过氢还原六氟化钨(WF6)实现钨的化学汽相沉积。化学汽相沉积药型罩的装置包括旋转感应加热不锈钢圆锥形芯轴和在沉积过程中提供刷擦的装置，刷擦可以增大形核速率和防止形成柱状晶，从而获得细小等轴晶。控制化学汽相沉积纯度的方法包括采用高真空技术、液氮排放口止回阀、惰性结构材料和高纯度氢。为解决钨药型罩化学汽相沉积随直径增加出现粘附不锈钢芯轴引起碎裂的问题，有必要在芯轴和钨沉积层之间采用一个0.127mm厚旋压铜套，铜套可在药型罩脱离芯轴后腐蚀掉。
　 沉积成型的钨药型罩最后要经过1100℃真空退火1h(小时)以减少弹性应变。主要工艺影响因素包括：芯轴材料和温度、WF6流速、室压、芯轴转速、钨丝刷转速等。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室采用的工艺参数如下：温度550℃；WF6流速220立方厘米/分(cc／min)；氢气(H2)流速1000立方厘米(cc／min)；室压40吨(t)；芯轴转速为每分钟30转(RPM)；钨丝刷转速200RPM；沉积速率3.43微米/分钟(μm／min)；
　 1996年法-德圣路易研究院在法国国防部赞助下，采用化学汽相沉积工艺制备了纯钨药型罩，并对钨药型罩的射流断裂行为进行了研究。结果表明，化学汽相沉积工艺可以制备纯度达99.95～99.98%的高纯度钨药型罩。一般为细晶显微组织，晶粒尺寸可以控制在1μm～100μm。Ｘ射线照片证实，用化学汽相沉积技术制备的纯钨药型罩能够产生出延性断裂行为的钨射流，45°锥形药型罩得到的延性射流段长径比为5～6。为获得最大钨射流头部速度，用40°锥形药型罩进行了试验，结果得到了速度稍高于10km/s的连续钨射流。60°锥形药型罩的显微组织尽管较粗大，但是X射线照片仍显示所获得的射流性能比化学汽相沉积的96%钨4%铼药型罩射流延性更好。
　 另外，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室还采用烧结锻造纯钨药型罩工艺制备81mm、120mm和148mm直径钨药型罩。方法是采用99.975％纯钨粉，等静压成型，然后分两级锻成预型坯，在惰性气氛中再结晶处理后，对药型罩表面进行精密切削和检测。
　 美国陆军军械研究、发展和工程中心采用的高能率成形技术将棒料锻造成药型罩。共经过六次锻造得到接近成品的药型罩预型坯，通过再结晶可以获得几乎是等轴状的细晶粒（～25μm），晶粒尺寸从药型罩锥顶部（～21μm）到底部(～30μm)增加。药型罩最终进行切削加工，壁厚差不超过0.007mm。药型罩的切削加工难度较大，底部边缘区易于开裂。
　 美国Tracor Aerospace制备的纯钨药型罩烧结锻坯采用高品质粉末（主要杂质铁和镍含量低于15百万分率(ppm)，氮和碳含量低于10 ppm，氧含量为13～32 ppm）。烧结圆柱状坯在燃气炉中加热到1320℃，然后用曲柄连杆式压力机镦粗，使高度收缩25%，然后于燃炉中去应力处理15min，在蛭石粉中冷却至室温后，切削加工成底部与凹锻模轮廓一致的锥形。再将坯件放在燃炉中加热到1200℃后，送入凹模中多次锤击形成最终预成形药型罩。预成形药型罩坯件的平均密度是19.29±1.04g/cm上标3,晶粒尺寸在各个圆周平面上都是均匀的，药型罩底部晶粒被拉长，顶部区晶粒是等轴状的。维氏硬度约451～476，平均为463±8，在典型的冷变形钨硬度范畴。在截面上硬度的变化最明显，从内表面到外表面硬度逐渐减小。材料还具有典型的晶面“100”和“111”织构。主要杂质发现是氧（最大含量平均120ppm），杂质大部分沉积在预型药型罩的内外壁上。预型药型罩坯件最后进行切削加工，规定公差范围在±0.0025毫米（mm）。

[影响]
　 目前，纯钨药型罩材料技术仍处于研究阶段，国外研究已证实可以实现纯钨药型罩的制造，射流性能也优于纯铜药型罩，提高破甲威力的应用前景看好。例如：
　 1996年英国国防研究局研究对比了重金属药型罩的性能，其中用热压烧结后切削成形工艺制造的纯钨药型罩（晶粒直径约～15μm）的射流断裂时间为221.5μs，射流长度为881.0mm，性能优于纯铜药型罩（晶粒直径约～10μm，射流断裂时间142.0μs，射长度671.0mm）。
　 美国陆军军械研究、发展和工程中心研究证实了用高能率成形技术制造的锻造纯钨药型罩能够成功获得延性射流，认为这是由于钨在射流形成时的升温条件下出现了韧脆转化，有利于提高延性。研究发现钨药型罩射流断裂时间对射流速度的变化不敏感，而铜药型罩射流的断裂时间会随射流速度而变化，得到的钨射流的总断裂时间稍低于高品质铜药型罩射流的总断裂时间，但是他们认为由于钨射流密度增加了，钨药型罩的侵彻深度仍然比较高。


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提供单位：兵器工业总公司
责任者：王宝生
[em10][定义]
　 纯钨药型罩材料技术是指用纯钨材料制造破甲弹药型罩，充分发挥纯钨的高密度效应来提高破甲威力的技术。由于提高破甲弹威力是从增加有效射流长度和采用高密度药型罩材料实现的。国外研究发现，高密度多相复合材料药型罩很难解决材料微区密度均匀性的问题。例如钨-铜(W-Cu)、铼-铜(Re-Cu)、钽-铜(Ta-Cu)、钨-镍-铁(W-Ni-Fe)等复合材料药型罩，虽然在小炸高条件下其破甲深度可比纯铜药型罩提高30%左右，但在大炸高下性能迅速恶化，不能获得延性射流，因此不能实用化。关键问题是材料密度越高，对药型罩的材料微区密度差精度要求也越高，使制造难度增大。但是从提高破甲弹威力发展需求考虑，人们一直希望得到密度高于常规铜药型罩8.96克/立方厘米(g/cmht的新型药型罩材料。所以90年代初期，美、英、法等国开始更多地探索纯钨药型罩的可行性，并对纯钨药型罩的应用前景看好，美国陆军还在1998年科学技术计划中确定了2005年～2013年实现用钨药型罩取代铜药型罩的计划目标。
　 国外研究认为，钨具有适中的声速4.03公里/秒(km/s）和较高的材料密度19.3公里/秒(g/cm3) ，是有前景的新型药型罩材料。钨的高声速是获得高连续射流头部速度所必需的，而钨的高材料密度是提高破甲弹侵彻威力所必需的。根据侵彻流体动力学理论，侵彻能力与材料密度关系可用平方根定律描述。而药型罩射流中由于存在速度梯度，会带来更高的的侵彻效益。例如根据射流侵彻深度与连续射流的头部速度v下标0和尾部速度v下标f的函数关系，当v下标0=v下标f时纯钨和铜药型罩射流对钢靶的侵彻深度比值为P下标W /P下标Cu=1.47， 而v下标0=3v下标f时P下标W/P下标Cu=2.05。 药型罩材料声速越高，射流头部速度越高。钨的常温声速为4.03km/s，而铜的声速为3.94km/s。如果钨射流具有较高的头部速度，就能更有效地对抗反应装甲，缩短贯穿时间。在掠飞攻顶侵彻情况下更希望有尽可能快的射流速度。但是由于钨是高强度难熔金属，很难进行铸造。国外研究制备纯钨药型罩的常用方法主要是化学汽相沉积和粉末烧结锻造切削加工技术。

[相关技术] 破甲弹技术

[技术难点]
　 1、 化学汽相沉积制备纯钨药型罩的技术；
　 2、 纯钨药型罩的高能率制造技术；
　 3、 纯钨射流的断裂行为和相关因素研究；
　 4、 纯钨药型罩工艺、材料行为与射流性能关系；
　 5、 纯钨药型罩性能表征技术。

[国外概况]
　 1993年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室采用化学汽相沉积工艺(CVD) 成功制造了直径为28毫米(mm)厚度0.33mm和直径为81mm厚度为1.07mm，锥角为42°的纳米级细晶纯钨药型罩。X射线衍射结果表明，药型罩晶粒尺寸约为800埃，具有柱状晶和细小等轴晶结构，并存在0.25％的残余应变。
　 美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室采用的基本方法是通过氢还原六氟化钨(WF6)实现钨的化学汽相沉积。化学汽相沉积药型罩的装置包括旋转感应加热不锈钢圆锥形芯轴和在沉积过程中提供刷擦的装置，刷擦可以增大形核速率和防止形成柱状晶，从而获得细小等轴晶。控制化学汽相沉积纯度的方法包括采用高真空技术、液氮排放口止回阀、惰性结构材料和高纯度氢。为解决钨药型罩化学汽相沉积随直径增加出现粘附不锈钢芯轴引起碎裂的问题，有必要在芯轴和钨沉积层之间采用一个0.127mm厚旋压铜套，铜套可在药型罩脱离芯轴后腐蚀掉。
　 沉积成型的钨药型罩最后要经过1100℃真空退火1h(小时)以减少弹性应变。主要工艺影响因素包括：芯轴材料和温度、WF6流速、室压、芯轴转速、钨丝刷转速等。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室采用的工艺参数如下：温度550℃；WF6流速220立方厘米/分(cc／min)；氢气(H2)流速1000立方厘米(cc／min)；室压40吨(t)；芯轴转速为每分钟30转(RPM)；钨丝刷转速200RPM；沉积速率3.43微米/分钟(μm／min)；
　 1996年法-德圣路易研究院在法国国防部赞助下，采用化学汽相沉积工艺制备了纯钨药型罩，并对钨药型罩的射流断裂行为进行了研究。结果表明，化学汽相沉积工艺可以制备纯度达99.95～99.98%的高纯度钨药型罩。一般为细晶显微组织，晶粒尺寸可以控制在1μm～100μm。Ｘ射线照片证实，用化学汽相沉积技术制备的纯钨药型罩能够产生出延性断裂行为的钨射流，45°锥形药型罩得到的延性射流段长径比为5～6。为获得最大钨射流头部速度，用40°锥形药型罩进行了试验，结果得到了速度稍高于10km/s的连续钨射流。60°锥形药型罩的显微组织尽管较粗大，但是X射线照片仍显示所获得的射流性能比化学汽相沉积的96%钨4%铼药型罩射流延性更好。
　 另外，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室还采用烧结锻造纯钨药型罩工艺制备81mm、120mm和148mm直径钨药型罩。方法是采用99.975％纯钨粉，等静压成型，然后分两级锻成预型坯，在惰性气氛中再结晶处理后，对药型罩表面进行精密切削和检测。
　 美国陆军军械研究、发展和工程中心采用的高能率成形技术将棒料锻造成药型罩。共经过六次锻造得到接近成品的药型罩预型坯，通过再结晶可以获得几乎是等轴状的细晶粒（～25μm），晶粒尺寸从药型罩锥顶部（～21μm）到底部(～30μm)增加。药型罩最终进行切削加工，壁厚差不超过0.007mm。药型罩的切削加工难度较大，底部边缘区易于开裂。
　 美国Tracor Aerospace制备的纯钨药型罩烧结锻坯采用高品质粉末（主要杂质铁和镍含量低于15百万分率(ppm)，氮和碳含量低于10 ppm，氧含量为13～32 ppm）。烧结圆柱状坯在燃气炉中加热到1320℃，然后用曲柄连杆式压力机镦粗，使高度收缩25%，然后于燃炉中去应力处理15min，在蛭石粉中冷却至室温后，切削加工成底部与凹锻模轮廓一致的锥形。再将坯件放在燃炉中加热到1200℃后，送入凹模中多次锤击形成最终预成形药型罩。预成形药型罩坯件的平均密度是19.29±1.04g/cm上标3,晶粒尺寸在各个圆周平面上都是均匀的，药型罩底部晶粒被拉长，顶部区晶粒是等轴状的。维氏硬度约451～476，平均为463±8，在典型的冷变形钨硬度范畴。在截面上硬度的变化最明显，从内表面到外表面硬度逐渐减小。材料还具有典型的晶面“100”和“111”织构。主要杂质发现是氧（最大含量平均120ppm），杂质大部分沉积在预型药型罩的内外壁上。预型药型罩坯件最后进行切削加工，规定公差范围在±0.0025毫米（mm）。

[影响]
　 目前，纯钨药型罩材料技术仍处于研究阶段，国外研究已证实可以实现纯钨药型罩的制造，射流性能也优于纯铜药型罩，提高破甲威力的应用前景看好。例如：
　 1996年英国国防研究局研究对比了重金属药型罩的性能，其中用热压烧结后切削成形工艺制造的纯钨药型罩（晶粒直径约～15μm）的射流断裂时间为221.5μs，射流长度为881.0mm，性能优于纯铜药型罩（晶粒直径约～10μm，射流断裂时间142.0μs，射长度671.0mm）。
　 美国陆军军械研究、发展和工程中心研究证实了用高能率成形技术制造的锻造纯钨药型罩能够成功获得延性射流，认为这是由于钨在射流形成时的升温条件下出现了韧脆转化，有利于提高延性。研究发现钨药型罩射流断裂时间对射流速度的变化不敏感，而铜药型罩射流的断裂时间会随射流速度而变化，得到的钨射流的总断裂时间稍低于高品质铜药型罩射流的总断裂时间，但是他们认为由于钨射流密度增加了，钨药型罩的侵彻深度仍然比较高。


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提供单位：兵器工业总公司
责任者：王宝生
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