Zr質量分數(shù)對Cu-W合金的組織及力學性能的影響

摘""""" 要：利用粉末冶金法制備Cu-W-Zr_x（x=0，10%，15%，20%）合金，探究Zr元素的添加及其不同質量分數(shù)對合金的微觀組織、力學性能的影響規(guī)律。實驗結果表明：隨著Zr質量分數(shù)的增加，Cu-W的固溶程度有所增加且Cu-W-Zr_x合金的致密性有所提高；合金的硬度和耐磨性隨著Zr質量分數(shù)的增加而增加，且在20%時合金的平均硬度和耐磨性能均達到最大，但當Zr質量分數(shù)為20%時，實驗數(shù)據(jù)顯示合金的成分不均勻。隨后通過對合金的分離式霍普金森壓桿實驗表明，合金的動態(tài)屈服強度隨著合金所受的應變率的增加而增加，Cu-W-Zr₁₅時應變率達到最大且在高應變率的加載條件下，試樣未斷裂，表現(xiàn)出良好的韌性。

關" 鍵" 詞：粉末冶金；微觀組織；力學性能；最佳含量

中圖分類號：TG113.2""""" 文獻標志碼：Anbsp;""" 文章編號：1004-0935（2024）11-1685-04

金屬W具有較高的熔點，高達3 400 ℃、較高的密度高達19.3 g·cm^-3，良好的聲速和低的熱膨脹系數(shù)以及高的強度^[1]；而Cu的熔點為1 083 ℃，具有較低的密度為8.9 g·cm^-3，較高的聲速且塑性良好，有一定的強度的同時還具備優(yōu)異的延展性^[2]。而W-Cu復合材料兼具兩種金屬的優(yōu)點，在聚能裝藥戰(zhàn)斗部等高性能戰(zhàn)斗部上具有良好的應用前景^[3]。而隨著裝甲武器的迅猛發(fā)展，單一的Cu-W合金已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有的裝備需求，而Zr作為含能材料，可以利用本身的化學能進而對目標進行二次毀傷進而提高戰(zhàn)斗部的毀傷效果^[5]。據(jù)此，本研究采用粉末冶金法制備Cu-W-Zr_x合金，探究Zr元素的不同質量分數(shù)對合金微觀組織和各項性能的影響。

1" 實驗部分

1.1" 樣品制備

通過粉末冶金法制備樣品合金，實驗中的原材料采用Cu、W、Zr原始金屬粉末。球磨過程采用濕法球磨，可有效防止球磨過程中粉末的氧化且可以研磨的更充分^[6]。GCr15作為球磨珠，其中球料比為10∶1；無水乙醇為球磨介質；球磨的交替時間為50 min，間歇時間為10 min，球磨轉速為240 r·min^-1，球磨時間定為30 h。隨后利用真空干燥箱對球磨過后的粉末進行烘干。由于無水乙醇在真空下的沸點為49.8 ℃^[7]，且為了使復合粉末烘干充分，實驗選擇烘干溫度為60 ℃，時長為8 h。最后將烘干之后的粉末過篩，裝入真空袋備用。最后利用熱壓燒結爐將得到的金屬復合粉末進行熱壓燒結，壓力定為25 MPa，10 ℃·min^-1的速度升溫，溫度上升到350 ℃時保溫1 h，到達目標溫度900 ℃時，保溫1 h。粉末的原始尺寸及純度如表1所示，四組樣品具體成分質量比如表2所示。

1.2" 樣品的性能表征

利用X射線衍射儀（XRD）分析不同Zr質量分數(shù)下復合粉末的物相組成，測試時電流為40 mA，電壓為40 kV，衍射角為2θ=10°～90°，掃描速度為4 °·min^-1；利用維氏硬度計檢測四組合金樣品的維氏硬度；采用濟南益華MDW-02往復式摩擦磨損試樣機進行摩擦磨損實驗，往復5 mm，頻率為3 Hz，載荷為10 N。在進行磨損實驗前對樣品進行超聲清洗，時間為30 s。實驗過后記錄試樣的質量，進行磨損量的對比；利用分離式霍普金森壓桿（SHPB）進行材料的動態(tài)力學性能的測試^[8]，本實驗設定的實驗參數(shù)為：子彈長度為200 mm，入射桿和透射桿的長度為1 200 mm，直徑為13 mm，壓桿的彈性模量為211 GPa。實驗中設定氣壓的范圍為0.1～0.3 MPa，子彈速度為7.85 ～16.92 m·s^-1。本實驗中通過改變氣壓值得到不同的應變率下材料的動態(tài)沖擊響應。本實驗中在同一氣壓值下進行三次測試，以得到穩(wěn)定的應力應變曲線。

2" 結果與討論

2.1" 物相組成

根據(jù)圖1的X射線衍射圖可明顯看出：添加Zr元素之前，XRD圖譜中只含有兩種元素的峰；添加Zr元素之后，只多出現(xiàn)了Zr的衍射峰，這說明在利用行星球磨機制備復合粉末時未出現(xiàn)雜質。且隨著Zr元素質量分數(shù)的增加，Cu相的衍射峰逐漸降低，進而說明一部分的Cu相固溶于W相中，進而表明Zr的添加在一定程度上可以促進鎢銅的固溶。此外，在四種實驗中，銅、鎢、鋯三種元素的衍射角的位置變化不大，并未發(fā)生左移或者右移的現(xiàn)象，說明在機械合金化過程中并未引起W晶格的收縮，也未使W晶面間距減小。且隨著Zr元素質量分數(shù)的增加，衍射峰發(fā)生了一定程度的寬化，而造成衍射峰寬化是晶格畸變和晶粒細化的結果。而引起晶格畸變的原因主要有兩個：一是塑性變形引入了大量的位錯和空位；二是機械球磨過程中發(fā)生了強制固溶。進而再次表明，Zr元素的添加促進了金屬與金屬之間的固溶^[9]。

2.2" 合金的維氏硬度

圖2為制備出的合金樣品的維氏硬度的柱狀圖。從圖中可以看到，單一的Cu-W合金的硬度較低，而添加了Zr元素之后，隨著Zr元素質量分數(shù)的上升，合金的硬度相應的提高，且當Zr元素的質量分數(shù)為10%～15%時，合金的硬度值的漲幅最大，據(jù)此得出，添加了Zr元素之后的合金樣品，合金展現(xiàn)出高硬度性能。表3為在進行硬度測量時選取的三個點的數(shù)值，從表3可以明顯看出，Zr質量分數(shù)占整體質量的20%時，雖然平均硬度很大，但是測量出的三個點的硬度值偏差很大，表明該成分樣品的成分不均勻，據(jù)此可得，就合金成分的均勻性而言，當Zr質量分數(shù)15%時，為最佳成分。

2.3" 耐磨性能

圖3是不同Zr質量分數(shù)的Cu-W-Zr合金試樣在不同的時間下進行摩擦磨損實驗后的磨損量折線對比圖。黑色、紅色、綠色和藍色分別代表Zr質量分數(shù)分別為0%、10%、15%和20%的 Cu-W-Zr_x合金試樣。

由圖3得出，隨著摩擦磨損時間的增加，磨損的損失量也會相應地增加，大體上呈上升趨勢。在相同的摩擦時間下，隨著Zr元素含量的增加，從合金試樣上磨削下來的磨屑質量在減少。與質量分數(shù)分別為 0%、15%、20%的Zr元素的合金試樣磨損下來的磨屑量相比，Cu-W-Zr₂₀合金試樣在摩擦磨損實驗中磨損下來的磨屑量較少，因此具有較好的抗磨損性能。

2.4" 動態(tài)力學性能

圖4為四種不同Zr質量分數(shù)合金基于分離式霍普金森壓桿在不同應變率條件下的動態(tài)壓縮的真應力應變曲線。由圖4可以看出，即使設定相同的氣壓，但四種合金所得到的應變率有差異，這是由于四種合金的成分不同。由圖4（a）到4（d）可知，四種含量成分不同的合金在不同的應變率下的變化趨勢相似，而當向CuWZr₂₀合金施加的應變率高于2 400 s^-1時，試樣出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，由此圖4（d）中只繪制了兩條試樣在低應變率下的應力應變曲線。

由圖4可得，在合金的變形初期即在合金的彈性變形階段，隨著應變的增加應力也在隨之增大，表現(xiàn)出明顯的加工硬化效應^[10]；當超過合金的彈性屈服強度之后，合金進入塑性變形階段，發(fā)生塑性變形，且四種合金在不同的應變率下均出現(xiàn)了屈服平臺。此外，隨著應變率的增加合金的流動應力也在增加，表現(xiàn)出合金具有應變率強化效應^[11]。且CuW合金、CuWZr₁₀合金和CuWZr₁₅合金在不同應變率的加載下都發(fā)生了較大的變形，但試樣均未發(fā)生斷裂，表現(xiàn)出合金良好的韌性。

4" 結 論

利用粉末冶金法制備CuWZr_x合金，探究不同Zr質量分數(shù)對合金各項性能的影響，得出結論如下：

1）隨著Zr質量分數(shù)的增加，W的衍射峰發(fā)生寬化，Cu-W的固溶度增加。

2）合金的硬度和耐磨性能隨著Zr質量分數(shù)的增加而增加，但根據(jù)數(shù)據(jù)表明，CuWZr₂₀合金的成分不均，即Zr占整體的15%時為最佳質量分數(shù)。

3）隨著Zr元素和應變率的增加，合金的流動應力也隨之增加，且當Zr質量分數(shù)占比15%時，材料的動態(tài)力學性能達到最佳。

參考文獻：

[1] 薛天雨.熔鹽輔助合成過渡金屬高熵合金及高熵氧化物粉體[D]. 武漢：武漢科技大學，2023.

[2] 李樂凱. 銅基制動摩擦材料仿生結構設計、制備及干摩擦特性[D]. 長春： 吉林大學， 2023.

[3] 張姚瑤. 鋯基活性破片狀態(tài)對沖擊釋能的影響研究[D]. 太原： 中北大學， 2023.

[4] 倪兵瑩. 熵調控對多組元合金性能的影響[D]. 長春： 長春工業(yè)大學， 2023.

[5] 劉曉俊. 活性材料動態(tài)力學性能及沖擊反應機理研究[D]. 北京： 北京理工大學， 2017.

[6] 杜文浩， 肖卓豪， 崔久治， 等. 云母微晶玻璃的研究與應用進展[J]. 陶瓷學報， 2024， 45（1）： 46-57.

[7] 文敬濱，龔光碧，馮裕智，等.熱塑性彈性體研究進展[J].合成樹脂及塑料，2023，40（5）：76-82.

[8] 夏開文，王崢，吳幫標，等.流固耦合作用下深部巖石動態(tài)力學響應研究進展[J].煤炭學報， 2024， 49（1）： 454-478.

[9] 劉昊， 高強， 滿家祥， 等. 激光熔覆CoCrFeMnNiTix高熵合金涂層的微觀組織及性能研究[J]. 中國激光， 2022， 49（8）： 0802002.

[10] 楊雪梅， 閆學偉， 史曉楠， 等. 初始片層組織BT25y合金加工硬化行為研究[J]. 稀有金屬， 2023， 47（9）： 1213-1220.

[11] 楊東，姜紫薇，鄭志軍.高溫高應變率下鈦合金Ti6Al4V的動態(tài)力學行為及本構關系[J].高壓物理學報， 2024（1）：74-84.

Effect of Zr Mass Fraction on Microstructure and

Mechanical Properties of Cu-W Alloy

LI Zehua¹， ZHANG Xin²， ZHAO Hui¹

（1. Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110159， China;

2. Shenyang Two Rooms， Shenyang Liaoning 110004， China）

Abstract： Cu-W-Zr_x （x=0，10%，15%，20%） alloys were prepared by powder metallurgy method， the effect of Zr element addition and its different mass fractions on the microstructure and mechanical properties of the alloys was investigated. The final results of this experiment showed that，with the increase of Zr mass fraction， the solid solution degree of Cu-W increased， and the densification of Cu-W-Zr_x alloy was improved; the hardness and wear resistance of the alloy increased with the increase of Zr mass fraction， and the average hardness and wear resistance of the alloy reached the maximum at 20%， but the experimental data showed that the alloy was not homogeneous when the Zr mass fraction was 20%. Subsequent isolated Hopkinson compression bar tests on the alloy showed that the dynamic yield strength of the alloy increased with the increase of strain rate of the alloy， the strain rate reached the maximum at Cu-W-Zr₁₅， and the specimen did not fracture under the high strain rate loading conditions， demonstrating good toughness.

Key words： Powder metallurgy; Microstructure; Mechanical properties; Optimum content