防空反導戰斗部用鎢基高比重合金研究進展

全嘉林，梁爭峰，閆 峰

(西安近代化學研究所，西安 710065)

鎢質粉末冶金材料是一種高密度，高強度，力學性能優異的合金材料，在武器工業中應用廣泛。尤其采用鎢合金作為防空反導導彈戰斗部的主要毀傷元，是提高其威力的有效途徑。

然而在戰斗部實際應用中，還要解決破片在爆轟加載作用下變形甚至破裂影響侵徹性能等關鍵問題，既要保證破片有足夠的強度，又要保證破片的完整性與有效性。為解決這一關鍵問題，國內外學者展開了大量的相關研究。目前針對鎢合金的研究包括，包括鎢合金制備新工藝的探索、合金靜動態力學性能的測試、鎢合金在戰斗部應用中的侵徹威力與裝藥匹配性研究等等。

本研究分別從配方設計、制備工藝、顯微組織、力學特性和應用研究5個方面總結評述了鎢合金及其防空反導戰斗部應用的研究進展，并針對應用前景與研究現狀，提出了4點未來研究需要重點關注的趨勢。

1 鎢合金成分設計

鎢質粉末冶金材料是一種以鎢為基體，加入其他少量合金元素通過粉末冶金工藝制成的合金材料。主要材料體系包括W-Ni-Fe/Cu，W-Cu及部分其他合金體系等。

鎢的含量直接影響合金的密度和硬度，合金密度隨W含量增大而增大；在實際應用中，鎢含量一般控制在85～95wt%，其中93W鎢晶粒尺寸最佳，基相均勻分布，拉伸強度最大[1]。合金中Ni/Fe比對合金的內部結構與力學性能也有較大的影響。合理設計合金的Ni/Fe比能夠防止固相析出過程中化學成分的不均勻性，以免影響合金力學性能。通常情況下認為Ni/Fe比為7/3時達到最佳性能。

為改善鎢合金的性能，可以向合金中添加其他微量元素。Senthilnathan N等[2]發現添加1.0%鈷使鎢合金具有更高的屈服強度和拉伸強度，平均鎢晶粒尺寸由12.3 μm控制在11.5 μm內，顆粒鄰接性隨著鈷添加百分比的增加而降低。此外，Mo與Re等金屬也常被應用到鎢合金中，起固溶強化與細化晶粒的作用。

彌散強化是改進鎢合金性能的一種重要途徑，通過在材料中加入某些碳化物或氧化物硬質顆粒作為強化相，使其在基體內呈彌散分布，從而使合金強度與硬度明顯提高。目前常用強化相包括Y2O3、La2O3、TiC、ZrC 等。王瑞欣等[3]研究了Y2O3彌散強化95W合金的力學性能，得到鎢合金的顯微硬度可達HV532，并表現出較高的韌性。種法力[4]分析了TiC彌散增強鎢基復合材料的效果。結果發現TiC彌散相有效地抑制了W晶粒的長大，斷裂模式轉為穿晶斷裂，有效增強了W基合金材料的性能。

隨著戰斗部技術發展與功能拓展，對破片材料要求不再只限于力學性能的提升，近年來有學者將鎢合金和含能材料相結合，形成活性破片。陳鵬等[5]對含鎢活性破片的力學性能與反應特性進行了研究。活性破片發生反應的臨界吸收能量為40.9 J/g。王海福等[6]的研究表明，含鎢活性破片在1 500 m/s的速度下碰撞目標時，釋放的化學能約為動能的5倍。陳偉等[7]對比了鎢鋯合金、93W、易碎鎢合金3種材料破片對油箱的毀傷效果，其中鎢鋯破片由于破片飛散角大、小碎片燃燒形成多火點引燃等原因實現了對油箱的高效毀傷。含能破片材料的引入，有助于實現戰斗部侵徹-引燃-引爆的多重毀傷效應，為鎢合金配方設計提供了新思路。

2 鎢合金制備工藝

鎢的熔點高達3 390～3 430 ℃，制備方法以粉末冶金為主。其典型粉末制備工藝如圖1所示，主要包括粉末制備、壓制成型、燒結及后處理等。

2.1 粉末制備

合金粉末粒度對合金性能有較大的影響。于洋等[8]對比了納米晶鎢粉和微米顆粒鎢粉的燒結態鎢合金微觀組織及性能的差異,發現細鎢顆粒組織均勻彌散分布，力學性能相比更高。

制粉方法主要包括機械合金化法、噴霧干燥法和熱等離子體制粉等，目前研究更為廣泛和深入的仍是機械合金化法。Debata M等[9]采用雙驅動球磨機制備得到了最小晶粒尺寸18 nm的95W合金粉末，并研究了高速球磨對燒結密度、顯微組織和力學性能的影響。燒結后鎢合金密度相對較低，在理論值的97.1%～98.6%。但仍具有良好的硬度與彈性模量。田開文等[10]對高速球磨粉燒結鎢合金的力學性能進行了測試，較普通鎢合金有較大性能提升，但孔隙和雜質含量對合金密度等性能影響依舊很大。針對高速球磨合金化過程中對粉末團聚引入孔隙和雜質對合金性能的影響，目前主要解決方法為在制備過程中加入少量過程控制劑(PAC)以阻止粉末顆粒表面團聚[11]。

此外，其他超細鎢粉制備方法也在不斷涌現。Liu等[12]以甘氨酸為主要原料，以水為溶劑，用硝酸甘氨酸為主要原料制備超細W-Ni-Fe粉末。試驗結果表明，該法制備的超細95W粉末粒徑約為150 nm。粉末具有良好的燒結性能。燒結密度達99.3%，燒結后合金具有良好的力學性能。

2.2 燒結

燒結是決定鎢合金材料微觀結構與力學性能的關鍵工藝。燒結溫度、燒結時間、燒結氣氛等都會對鎢合金材料性能產生影響。楊勇斌等[13]研究了燒結溫度對鎢球壓縮性能的影響。結果表明，燒結溫度越高，晶粒度越大，鎢顆粒之間鄰接度越小。鎢球最高壓潰載荷出現在1 520 ℃下[14]。Chuvil’deev V.N[15]研究了95W的燒結機理。作為納米粉末和超細粉末燒結的重要參數，合金密度對燒結溫度關系是非單調的，在最佳燒結溫度下達到最大值。燒結過程分為密集致密化(第一階段)和緩慢致密化(第二階段)兩個規律的階段，在第二階段中金屬材料的密度變化很小，并發生密集的晶粒生長。結合活化能的計算結果分析可知，合金在200～250 ℃下，最佳燒結溫度較低的原因是由于晶界擴散活化能降低，α-W粒子表面層中鎳濃度發生變化，高能機械活化過程中鎢粒子表層形成鎳和鐵的非平衡固溶體造成的。加入超細粉體、延長機械活化過程、加快磨球的操作速度，可以降低燒結活化能和最佳燒結溫度。

放電等離子燒結技術(SPS)近幾年來發展迅速，具有燒結溫度低、燒結時間短、生產效率高，產品致密度高等優勢，是目前討論較多的燒結技術。Muthuchamy等[16]使用放電等離子體燒結法將W-Ni-Fe-Mo粉末在1 100 ℃和50 MPa壓力下混合并燒結，對合金的燒結參數進行了優化。放電等離子燒結鎢合金在高應變率壓縮過程中表現出高屈服強度和流動應力。然而新技術在發展過程中，也常面臨一些問題，如Shongwe等[17]在60 mm的SPS合金中，觀察到晶粒剝落，降低了材料的性能。

此外，激光燒結與微波燒結也是近年來常被提及的新技術。Wang X等[18]研究了激光燒結中激光功率、掃描速度、激光跟蹤寬度和掃描遍數對最終密度的影響。結果表明，隨著激光功率的增加和掃描速度的降低，可以獲得更高的密度，而掃描道寬度和掃描遍數對密度的影響不顯著。李波等[19]對比了傳統燒結和微波燒結下93W合金的微觀組織與力學性能，結果表明，微波燒結能有效抑制晶粒長大，組織分布更均勻，但存在一定數量的孔洞，致密度還未達到最高。說明目前微波燒結仍存在加熱溫度較低、保溫時間不夠等種種問題，可以通過進一步的工藝優化，實現更優秀的合金性能。

鎢合金實際應用價值的挖掘帶來了鎢合金粉末冶金工藝研究的不斷深入。合金制備的研究從最早研究合金元素配比開始，到冶金工藝的改進，通過形變等后處理技術強化材料，發展到現代，納米技術蓬勃發展，人們得以從分子、原子等更為細觀地觀察材料、處理材料，細晶鎢合金材料的各項性能相對傳統合金有了明顯改善，細晶化、納米化是未來鎢合金制備領域的重要方向。

3 鎢合金微觀結構研究

鎢合金由體心立方分布(bcc)的鎢顆粒和面心立方分布(fcc)的粘結相組成。高強度的鎢顆粒均勻分布于較軟的粘結相中。合金組分與制備工藝均會改變鎢合金的微觀結構，進而對合金性能造成影響。目前對鎢合金顯微組織的研究主要集中于微觀結構參數對力學性能的影響和對合金失效模態的觀察和研究。

3.1 微觀結構參數對鎢合金力學性能影響

鎢合金的微結構參數中，對鎢合金的性能影響較大的因素包括鎢含量、鎢顆粒鄰接度與鎢晶粒尺寸等。

鎢含量的變化導致合金內部微結構的改變。馬紅磊等[20]通過對93W和97W合金進行SHPB和原位拉伸試驗，發現在拉伸情況下，鎢合金含量的增加會使W-W間開裂變為鎢顆粒開裂，鎢含量的增加使材料由韌性變為脆性，鎢顆粒鄰接度被定義為同一體積內鎢鎢間連接面積與總表面積的比值。目前普遍認為鄰接度越小，合金屈服強度越大，韌性越好。孔慶強等[21]對比了相同牌號與尺寸的精磨態與燒結態鎢合金球的力學性能與損傷模式，兩者相比，燒結態鎢合金鎢顆粒鄰接度更低，力學性能更好，更適合應用于戰斗部中用作毀傷元。不過目前也有部分研究者指出，鄰接度的提升只會增強材料的韌性，而對屈服強度無明顯影響甚至降低其強度。鎢顆粒鄰接度提高導致鎢顆粒間連接面積增大，而鎢顆粒與粘結相間連接部分減少，當前者連接強度大于后者時，就會有鄰接度導致屈服強度提高的結論。

鎢晶粒的尺寸對鎢合金力學性能也有一定影響。馮海云等[22]比較了不同顆粒長徑比的鎢合金的力學性能，鎢合金屈服強度隨鎢顆粒長徑比加大而有所提高，顆粒的纖維化使基體材料分布更加均勻，鎢合金表現出更高的強度。另外，實驗表明[23]，鎢合金屈服強度與晶粒大小的關系服從Hall-Petch關系，即晶粒尺寸越小，材料強度越高。與此同時，有研究認為，鎢顆粒會阻礙剪切帶的形成，因此鎢顆粒尺寸越小，越利于絕熱剪切帶的形成，相應的侵徹能力就越強。這也是細晶化成為鎢合金制備研究重點的原因之一。

隨著觀測技術的進步，從細觀形貌觀察的角度研究鎢合金的顯微組織與力學性能間的聯系具有廣闊的前景。實驗結果對目前結論的印證與理論背景的完善是這方面后續研究的重點。

3.2 鎢合金失效模態研究

合金失效模態可以反映鎢合金加載過程中較為薄弱、容易發生破壞的部分，對鎢合金在高溫高應變率作用下行為預測有很大意義。可從抑制合金破壞的角度，尋求強化材料力學性能的途徑。鎢質粉末冶金材料有一定的孔隙度，韌性有限，服役過程中容易發生斷裂。鎢合金典型斷裂機制如圖1所示[24]。王迎春等[25-26]對比了93W與98W的破碎特性，并觀察了這兩種合金的斷裂形貌，提出用材料抗拉強度與抗剪強度的比值線性表征材料發生斷裂的概率。

A1-黏結相的穿晶延性斷裂；A2-氈結相的晶間斷裂；A3-W晶粒的穿晶解理斷裂；A4-W晶粒的晶間斷裂；A5-W與黏結相界面斷裂的W側；A6-W與黏結相界面斷裂的黏結相側

4 鎢合金的力學性能

4.1 鎢合金的準靜態力學性能

鎢合金材料在靜載下的力學響應可以反映材料的屈服極限、強度、彈性模量等各項力學性能。表1給出幾種常見的W-Ni-Fe材料的一些經典靜態力學性能參數[27]。

表1 常見W-Ni-Fe材料的靜態力學性能參數

金屬的靜態力學性能是材料工程應用中材料選擇與性能設計的重要參考因素之一。不同用途的材料力學性能要求也不盡相同。國家軍用標準中對于穿甲彈用鎢合金性能參數如表2所示。

表2 GJB中穿甲彈用鎢合金性能參數

防空反導戰斗部用鎢合金主要被制成各種類型微型殺傷破片，在爆轟驅動作用下容易發生破碎。針對鎢破片易碎的特性，工業界一般采取鎢球的壓潰性能作為指標要求。例如馬里諾·秋林通用有限股份公司關于直徑3 mm鎢合金珠的89-03-20.14129技術標準，即在4 900 MPa下，允許壓下量不大于0.8 mm，其中任選200顆珠子，在該壓力下破裂珠不少于21顆。張兆森等通過理論計算證明了滿足該標準的產品可以滿足工程設計要求[28]。以色列工程人員將壓至二分之一原高度不破裂作為鎢合金破片工程驗收標準。

4.2 鎢合金的動態力學性能

鎢合金在戰斗部的實際應用中經常面臨高應變率加載情況，很多學者在動態力學分析領域對鎢合金材料進行了大量試驗和數值仿真研究。鎢合金動態力學性能的測試技術主要包括壓力-剪切平板沖擊試驗，Kolsky桿壓縮、扭轉試驗，分離式霍普金森壓縮、扭轉、拉伸試驗等。通過試驗可以測得不同溫度不同應變率下鎢合金的應力應變關系曲線，分析相應的力學行為，擬合本構關系，對特定環境下鎢合金的力學行為做出預測。

93W在不同加載條件下的應力應變曲線如圖2[29]。隨應變增加，鎢合金先迅速發生屈服，應力增加到最大值，表現出應變強化效應。隨后應變增加到0.14后，應力逐漸下降，宏觀表現為熱軟化效應。出現這種現象的原因是塑性功轉化為熱量累積，熱軟化效應占主導地位。高溫條件下，鎢合金呈現比室溫更低的流變應力。隨著應變率的增加，鎢合金并沒有呈現出明顯的應變率硬化現象。

圖2 不同加載條件下93W-4.9Ni-2.1Fe的應力應變關系曲線

高應變率加載下，鎢合金材料的流變行為同時受到應變硬化、應變率硬化、熱軟化3種效應共同作用，相互競爭。陳青山等[30]采用萬能材料試驗機和分離式Hopkinson壓桿系統地測試了93W的壓縮性能，得到鎢合金塑性流動應力對應變率與溫度非常敏感，熱軟化與應變率硬化效果明顯的結論。當熱軟化效應占主導地位時，材料內部會產生不穩定的流變軟化，鎢合金出現絕熱剪切現象，進而產生自銳化，提高其侵徹能力。

綜合而言，鎢合金的動態力學響應受應變率溫度影響，分別有以下特征：

1)應變率對性能的影響：表現為鎢合金屈服強度與熱軟化的高應變率敏感度。鎢合金高應變率下表現出更高的流動應力、強度，而塑性形變能力更差；

2)溫度對性能的影響：溫度較高時，材料應變率敏感性較強。具體表現為溫度超過一定值后，鎢合金強度大大下降。另外在一定溫度范圍內(450～650 ℃)，反而出現強度隨溫度升高而增加的現象，即動態應變失效現象。

目前各種沖擊加載設備均已應用到了鎢合金的動態力學研究中，但針對實際服役條件的試驗并不豐富。拓展相應的研究，改善力學性能試驗加載技術，為鎢合金的戰斗部實戰服務，是鎢合金力學性能研究需要關注的重要方向。

5 鎢合金在防空反導戰斗部中的應用

將高性能合金材料制成毀傷元用于防空反導，是一種提高戰斗部威力行之有效的途徑。鎢合金相對于傳統鋼材料密度更高，強度更大，存速能力更強，具有更好的侵徹威力和表面積利用率，能更好地滿足破片殺傷戰斗部的要求,是優化戰斗部威力的一種高效而易實現的方法，具有廣闊的應用前景。

目前的各國戰斗部中，意大利MK84式76 mm預制破片彈，美國哈姆AGM-88高速反輻射導彈WDU-21B戰斗部與法國西北風ATAM空空導彈戰斗部等均裝填大量鎢球、鎢環或鎢立方體等代替鋼合金以提高其侵徹性能[31]。

針對鎢合金的殺傷戰斗部應用，很多學者從鎢破片的侵徹性能和裝藥匹配性兩方面開展了大量研究。

5.1 侵徹性能

破片對各種靶板的侵徹性能是衡量破片戰斗部殺傷威力的基本指標之一。目前這方面研究主要包括不同類型鎢破片侵徹靶板的極限貫深與貫速等侵徹性能、侵徹不同類型靶板侵徹模式和侵徹過程中呈現的現象及其中規律等。

鎢破片相對于鋼破片具有更好的侵徹性能。對比相同形狀的鎢破片和鋼破片，鎢破片有著更低的極限貫穿速度，且在相同的速度下，鎢破片貫穿深度更深。不同工藝不同組分鎢合金的侵徹能力也有所差異。宜晨虹等[32]定量比較了二級輕氣炮驅動下幾種常見鎢合金的侵徹性能，其中鍛造態97W在侵徹過程中出現了絕熱剪切破壞現象，導致自銳性，侵徹性能有著明顯優勢。

鎢破片形狀對侵徹性能也有一定影響，苗春壯等[33]通過破片侵徹鋼靶的數值模擬，得出在初速和質量相同的情況下，截面為正六邊形、正方形、菱形、三角形的破片殺傷威力由強到弱。

鎢合金侵徹不同靶板目標的侵徹參數也是鎢合金侵徹性能研究的重點。王帥等[34]研究了不同質量小鎢球侵徹單兵防護裝備的彈道極限，許俊祥等[35]通過數值仿真研究了鎢破片對艦艇裝甲薄弱處的毀傷效能。這些研究一方面有助于了解鎢合金的彈道極限，為鎢合金侵徹過程模型建立做基礎，另一方面可以為防護裝備的設計提供參考。董平等[36]通過有限元分析獲得了鎢合金侵徹靶板時速度變化和材料變形、損傷、破壞演化規律，分析了密度、屈服強度等力學性能對侵徹過程速度和破壞過程的影響。

5.2 裝藥匹配性

除了侵徹威力外，裝藥匹配性也是鎢合金材料用作破片戰斗部毀傷元材料的重要考慮因素之一。在炸藥爆炸驅動下破片將承受2～3 GPa壓力的沖擊加速，在此力作用下，預制破片將發生塑性變形，甚至可能破碎而失去有效毀傷能力。這種破碎一是與破片材料的韌性有關，二是與炸藥的猛度、爆速有關。對于前者，要獲得較高的侵徹能力就需要有較高的破片硬度，但金屬材料的硬度越高則韌性就越差。對于后者，要獲得較高的破片初速就需要裝藥有較高的爆速，但爆速越高破片就越易碎裂。這需要二者有良好的匹配性。

目前對于鎢合金裝藥匹配性的討論主要集中于鎢合金在裝藥爆轟驅動下的速度獲取情況與斷裂、破碎等現象。譚多望等[37]回收了兩種主裝藥爆轟驅動后的鎢珠，并統計了鎢珠的變形情況。直徑為6.5 mm和7.5 mm的鎢珠破碎率都在2%～3%，而直徑8.5 mm的鎢珠破碎率高達45%。

為解決粉末冶金制成的鎢合金材料在爆轟加載下易嚴重變形、侵蝕甚至破碎的匹配性問題，一般可以選擇采用含鋁炸藥，在提高炸藥爆速的同時，一定程度上降低炸藥爆壓，在保證侵徹威力的前提下避免裝藥爆轟產生過大的壓力造成鎢破片破碎。

目前對鎢合金侵徹過程的研究中對鎢合金的加載以低速、高速為主，2 000 m/s以上的超高速段報道較少，需要適應破片殺傷戰斗部越來越快的破片初速。且加載方式缺乏真實的炸藥裝藥爆轟驅動，裝藥適應性方面討論較少。對鎢合金破碎等現象應當結合鎢合金在高應變率下的動態力學響應情況綜合分析。

6 結論

隨著現代戰爭作戰環境多樣化，戰斗部技術高速發展，對鎢合金材料性能的要求越來越高。而目前鎢合金材料用作毀傷元時仍存在飛行過程中破碎損失能量等一系列問題，不能很好地滿足戰斗部毀傷任務的需要，成為影響戰斗部綜合毀傷威力的短板，仍需要后續研究解決。對防空反導戰斗部用鎢合金的研究與創新要立足于戰斗部應用情況。針對防空反導導彈戰斗部用鎢合金的進一步發展，提出未來鎢合金研究工作需重點關注的4個方向：

1)改進鎢合金的制備工藝，重視燒結工藝研究，結合細觀力學與燒結理論，建立燒結工藝與材料性能的對應關系，為特定鎢合金性能制定相應的制備方案。

2)完善鎢合金力學性能研究，重點結合鎢合金戰斗部爆轟驅動下的動態力學行為，針對實際應用提出合理性能參數標準。

3)深入探索鎢破片侵徹靶板的現象和相應的規律，結合材料力學性能、變形機理，使鎢合金的特性研究能服務于戰斗部侵徹性能的提高。

4)發展新的性能更強應用更廣的鎢合金材料體系，加入含能材料形成活性破片，實現破片的復合毀傷效應。