劉海龍，曲家惠，楊明川，盧鳳生，彭琳茜，李 巖

濕化學(xué)法制備Cu-20%W藥型罩材料的研究

劉海龍1，曲家惠1，楊明川1，盧鳳生2，彭琳茜1，李 巖1

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽 110159；2.北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

采用濕化學(xué)法制備Cu-20%W(質(zhì)量分?jǐn)?shù))納米復(fù)合粉，經(jīng)燒結(jié)制備了Cu-W藥型罩材料。并用XRD、SEM對(duì)制備的復(fù)合粉體和合金進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，本方法制備的復(fù)合粉體中W的平均晶粒尺寸為44nm。Cu-20%W合金存在較多孔洞，W在銅基體中出現(xiàn)聚集，鎢在銅基體上分布的均勻性需進(jìn)一步提高。

濕化學(xué)；銅-鎢假合金；藥型罩材料

現(xiàn)有制式破甲彈的藥型罩材料由紫銅制成,破甲威力已接近其極限,為進(jìn)一步提高破甲彈的侵徹性能,許多國家進(jìn)行了相關(guān)的研究。解決這一問題的關(guān)鍵在于控制射流的長度、形狀、質(zhì)量等[1]。根據(jù)侵徹流體動(dòng)力學(xué)理論,藥型罩要形成更長且穩(wěn)定的射流其材料應(yīng)具備高密度[2]、高聲速、高動(dòng)態(tài)斷裂延伸率等性能,因此藥型罩材料的選擇是非常關(guān)鍵的[3]。

為此,許多種高密度材料被用于制備藥型罩,并進(jìn)行了破甲試驗(yàn),比如用鎢、鉭等純金屬或合金[4]。英國研究局[5]研究純鎢藥型罩的射流,發(fā)現(xiàn)用熱壓燒結(jié)后,經(jīng)鍛造切削成形工藝制造的藥型罩,其射流長度比純銅藥型罩的長104mm;鉭具有較高的密度,并且有良好的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,與純銅藥型罩相比,其破甲深度提高27%～30%[6]。單質(zhì)藥型罩雖然提高了密度,并且很大程度上提高了金屬射流長度和破甲深度,但是也增大了制造難度和成本,難以應(yīng)用,為此開展了復(fù)合藥型罩材料及工藝設(shè)計(jì)[7]。日本研制的Ta-Cu合金藥型罩的破甲深度比常用的純銅提高36%～54%[8]。劉迎彬等[9]采用機(jī)械合金化方法和旋模壓制方法壓制出80W-Cu合金藥型罩,對(duì)603均質(zhì)裝甲鋼進(jìn)行侵徹試驗(yàn),鎢銅合金藥型罩的穿深比純銅提高45%。Ta-Cu合金與W-Cu合金雖然都很大程度上提高了破甲彈威力,但是鉭的價(jià)格比鎢昂貴,成本高,并且兩種合金加工藥型罩時(shí),工藝復(fù)雜,成品率低。本文提出在銅中添加少量鎢制備低成本的Cu-W合金,與傳統(tǒng)的藥型罩加工工藝相似,是很有前景的藥型罩用材料。然而鎢銅為不互溶合金,且密度相差很大,用普通的熔煉方法不能制備出Cu-W合金[10],現(xiàn)有制備鎢銅合金的熔滲法,需要先燒結(jié)出鎢骨架,W的含量在50%以上,因而本文采用濕化學(xué)法制備Cu-W復(fù)合粉,然后在氫氣氣氛燒結(jié)的方法制備Cu-20%W合金。

該方法能大批量生產(chǎn),性價(jià)比高,且工藝簡單、對(duì)環(huán)境污染小。本文探索用濕化學(xué)法制備Cu-20%W合金,并重點(diǎn)研究W在Cu中的分散性。由于含少量W的Cu-W合金與純銅有相似的加工性能,一旦方法可行,就可以用現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行新型藥型罩的生產(chǎn),因此具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景。

1 實(shí)驗(yàn)方法

按比例稱取相應(yīng)質(zhì)量的鎢酸鈉(純度≥99.0%)、氯化銅(純度≥99.0%)和氫氧化鈉(純度≥96.0%),然后在室溫下將其溶入蒸餾水中,經(jīng)沉淀、析出、烘干得到前驅(qū)體粉體,然后將前驅(qū)體粉經(jīng)700℃還原得到Cu-20%W復(fù)合粉。再通過冷等靜壓成型和1050℃氫氣燒結(jié)得到Cu-20%W合金。流程圖如圖1所示。

圖1 Cu-20%W合金制備流程圖

粉體制備在三足式離心機(jī)中進(jìn)行,在納博熱管式爐中進(jìn)行還原和燒結(jié),用型號(hào)SSH-CIP-(200/1000/250)MPa的冷等靜壓機(jī)進(jìn)行粉體成型,物相分析使用島津XRD-7000S型衍射儀,用日立S-3400N掃描電子顯微鏡觀察樣品形貌。用型號(hào)為HV-1000的顯微硬度儀測(cè)量合金的硬度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2為Cu-20%W復(fù)合粉掃描電鏡形貌圖,圖2a為高倍下的形貌圖,圖2b為低倍下的形貌圖。從圖2b中可以看到,復(fù)合粉顆粒呈多邊形,顆粒大小從1μm至十幾微米不等,部分顆粒仍為結(jié)晶狀;照片中出現(xiàn)的大顆粒的形成,可能是由若干小顆粒團(tuán)聚、合并而成;也可能是在較高的還原溫度下,晶粒局部產(chǎn)生預(yù)燒結(jié)而形成的。圖3為Cu-20%W在700℃下還原的X射線衍射譜,復(fù)合粉中含有bcc結(jié)構(gòu)的鎢單質(zhì)、fcc結(jié)構(gòu)的銅單質(zhì)和少量的Cu2+1O,說明W已經(jīng)全部被還原,還有少量的Cu沒有被還原,以Cu2+1O形式存在,還原不夠充分,說明要得到完全的銅、鎢相還需進(jìn)一步提高還原溫度。

根據(jù)X 射線衍射線寬和Scherrer公式計(jì)算得到粉末中W 的平均晶粒度為44nm,銅的平均晶粒度為53nm。

圖4為不同成分Cu-W復(fù)合粉壓坯在1050℃下燒結(jié)2h后的SEM照片。圖中白色物質(zhì)為W顆粒,暗色為銅基體,黑色為孔洞。圖4a為Cu-20%W形貌圖,從圖4a可以看到,鎢分散在銅基體中,但是W出現(xiàn)聚集現(xiàn)象,主要聚集在孔洞周圍;W顆粒的尺寸在0.5～2μm之間,樣品表面有很多孔洞,并且大小不一,這是固相燒結(jié)擴(kuò)散不充分造成的。由反應(yīng)方程式:

可知，在粉體制備時(shí)，CuWO4與Cu(OH)2沉淀速度不同，可能出現(xiàn)偏析，并且由于CuWO4中Cu與W的質(zhì)量比接近1∶3，而本文制備的Cu-20%W合金中Cu與W的質(zhì)量比為4∶1，因而在CuWO4附近有大量Cu。

圖4b為Cu-10%Ni-10%W合金SEM形貌圖，從圖4b中可以看到，W晶粒的尺寸很細(xì)并且均勻分布在銅基體內(nèi)，基體上出現(xiàn)很多小的孔洞。與圖4a相比，孔洞尺寸減小，鎢的分布更加均勻?？赡艿脑?yàn)殒嚺c銅完全互溶，并且鎢在鎳中有一定的溶解度，可以在鎢顆粒的邊緣形成一個(gè)擴(kuò)散能力很強(qiáng)的邊界層，這樣就可以阻止鎢顆粒之間的聚集長大。因此添加Ni對(duì)本方法制備Cu-W復(fù)合材料中W在銅中的分布起到促進(jìn)作用。

圖4 不同成分Cu-W復(fù)合粉壓坯在1050℃下燒結(jié)2h后的背散射SEM照片

圖5 Cu-W 合金表面不同打點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的硬度值

圖5為不同成分燒結(jié)樣品(隨機(jī)取點(diǎn))測(cè)量的維氏硬度值，由圖5可知，Cu-20%W合金硬度值波動(dòng)從41Hv到66Hv，Cu-10%Ni-10%W的硬度值波動(dòng)從66Hv到75Hv，并且大部分取點(diǎn)硬度值在70Hv附近。通過對(duì)比可知，Cu-20%W硬度值波動(dòng)性大，而Cu-10%Ni-10%W的硬度值波動(dòng)性小，從硬度值可以推出Cu-20%W樣品表面均勻性很差，添加鎳以后均勻性得到提高，硬度值也有提高。

本文還對(duì)兩種成分的合金進(jìn)行密度測(cè)量，Cu-20%W合金平均密度為6.740g/cm3,Cu-10%Ni-10%W合金平均密度為6.973 g/cm3?？芍砑渔囋?050℃下燒結(jié)對(duì)密度影響不大。

3 結(jié)論

(1)采用濕化學(xué)法結(jié)合氫還原工藝可以制備出W和Cu晶粒度分別為44nm和53nm的Cu-20%W復(fù)合粉。

(2)將復(fù)合粉體通過成型、燒結(jié)工藝制備W分布在銅基體中的Cu-20%W復(fù)合材料。目前制備的Cu-20%W復(fù)合材料孔洞較多，W在Cu基中出現(xiàn)聚集，均勻性不好。

(3)添加鎳元素對(duì)鎢在銅中分布的均勻性有很好的促進(jìn)作用。

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(責(zé)任編輯:馬金發(fā))

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

劉海龍(1989—)，男，碩士研究生；通訊作者:楊明川(1969—)，教授，研究方向:鎢合金制備。

1003-1251(2017)01-0025-03

TG14

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