吳煥龍, 彭科普，向 旭，王 威，宋久鵬

(1.重慶大學 機械工程學院，重慶 400044；2.四川石油射孔器材有限責任公司，四川 內江 642177;3.廈門鎢業(yè)股份有限公司國家鎢材料工程技術研究中心，福建 廈門 361026)

超細鎢銅復合粉末注射成型藥型罩研發(fā)及測試

吳煥龍1,2, 彭科普2，向 旭2，王 威3，宋久鵬3

(1.重慶大學 機械工程學院，重慶 400044；2.四川石油射孔器材有限責任公司，四川 內江 642177;3.廈門鎢業(yè)股份有限公司國家鎢材料工程技術研究中心，福建 廈門 361026)

W-Cu合金結合了鎢的高密度與銅的高動態(tài)延伸率，是一種前景廣闊的藥型罩材料.為獲得性能優(yōu)良的金屬射流，提高油氣井射孔彈的穿孔指標，對高致密均質W-Cu合金藥型罩進行了研發(fā).采用熱化學工藝開發(fā)了不同含銅率(質量分數為10%，15%，20%，25%)的亞微米級超細W-Cu復合粉末，選W-25Cu型復合粉末并采用注射近凈成型工藝技術制備了藥型罩，將脫脂件在H2氣氛中燒結，峰值溫度為1 200 ℃.采用SEM觀察發(fā)現，燒結藥型罩微觀結構為亞微米級的W粒子均勻地分布在Cu基體中，其實測密度高達14.75 g/cm3.拉伸試驗表明，所開發(fā)的藥型罩材料具有優(yōu)良的力學性能，極限抗拉強度達到822.4 MPa，屈服強度達807.5 MPa，延伸率為1.18%.破甲性能測試實驗證明，該類藥型罩具有極其穩(wěn)定的侵徹性能. 關鍵詞: W-Cu藥型罩；超細復合粉末；注射成型；組織和性能；混凝土侵徹

藥型罩作為聚能效應的能量載體，需具備密度高、延展性好的材料特性，以形成高能量密度、連續(xù)不易斷裂的射流來完成對目標靶的侵徹[1].W-Cu合金由于綜合了鎢的高密度和銅的高韌性而成為了諸多學者研究的熱點.然而，W和Cu不互溶，這就使得采用傳統(tǒng)的滲銅或粉末混合很難制備出微觀結構十分均勻的W-Cu偽合金，組織不均勻會嚴重影響聚能射流在形成和拉伸過程中的穩(wěn)定性，試驗表明其在小炸高條件下破甲深度可比純銅藥型罩提高30%左右，但在大炸高下性能迅速惡化.為解決這一問題，采用熱化學工藝開發(fā)了一種亞微米級W-Cu復合粉末，再采用金屬注射成型工藝研制獲得了Cu含量為25%的聚能裝藥藥型罩，其幾乎全致密，微觀結構呈現為亞微米級的W粒子均勻地分布在Cu基體中.

致密度越高，對藥型罩的材料微區(qū)密度差精度的要求也越高.因此，開發(fā)高致密均質W-Cu藥型罩的關鍵是解決材料微區(qū)密度均勻性的問題.采用超細的鎢銅復合粉末是解決這一問題的途徑之一[2].國內，以范景蓮、宋久鵬為代表的諸多學者此前對超細W-Cu復合粉末已開展過一些研究，但多停留在制備、燒結技術和物理力學性能研究層面[3-8]，尚未見到應用超細W-Cu復合粉制備藥型罩并測試破甲性能的報道.國外，美國的貝克休斯(Baker Hughes,Inc.)在其2005年的一份專利中提出采用金屬注射成形(Metal injection molding，MIM)技術制造石油射孔彈的藥型罩[9].張存信等在2006年報道了其用注射成型工藝制備W-Cu合金藥型罩的相關研究[10].本文在結合注射成型工藝、超細W-Cu復合粉末的基礎上研發(fā)出了一系列力學性能優(yōu)良的藥型罩，并對W-25Cu聚能罩裝藥進行了混凝土侵徹性能測試.

1 藥型罩制備

通過圖1所示熱化學工藝研制了Cu質量分數為10%、15%、20%和25%的超細W-Cu復合粉末，并對其中的Cu、N、O和C含量進行了分析.見表1.

圖1 熱化學法制備超細鎢銅復合粉末流程

Fig.1 Thermochemical process on preparing ultrafine composite W-Cu powder

表1 W-Cu超細復合粉末中的化學成分

Table 1 Chemical contents in ultrafine W-Cu composite powder (wt.%)

采用日本日立公司S3400N型掃描電鏡(SEM)觀察復合粉末的形貌，結果見圖2.用該方法制備的W-Cu超細復合粉末顆粒細小但高度團聚，平均尺寸約為400～800 nm.雖無法直接從SEM圖像中識別出W和Cu在復合粉末中的分布，但根據X 射線能譜分析儀(EDX)的分析可知，W和Cu單元同時存在于每一個復合粒子中，這意味著W和Cu均勻地分布在一個個團聚體中.有關復合粉末的物理性質參數見表2.采用英國Malvern公司Mastersizer 2000激光粒度分析儀可測得團聚體的粒度分布.

超細W-Cu復合粉作為藥型罩材料，其Cu含量尚需通過實驗與數值計算來優(yōu)化.作為一項應用于藥型罩材料方面的初探性研究，本文選擇了W-25Cu開展研究工作.在W-25Cu復合粉末中，Cu體積占比達到了42%，高含銅作為形成W-Cu粒子射流中的韌性基體至關重要.

選用石蠟-聚合物體系作為W-25Cu超細復合粉末注射成型喂料的粘結劑，其中石蠟的質量分數占到51%，聚丙烯30%，聚乙烯16%，硬脂酸3%.采用上?？苿?chuàng)公司XS-300型轉矩流變儀來確定混合物中金屬粉末的體積分數，其中腔室內攪拌溫度設置為155 ℃，螺桿轉速60 r/min.考慮到W-25Cu復合粉末流動性差，將875 gW-25Cu復合粉和80 g粘結劑加入到轉矩流變儀的攪拌室中，使金屬粉末體積占比初始值為40%，此后通過精確控制金屬粉末添加量使體積分數每次遞增1%，直至攪拌扭矩不平穩(wěn)或急劇增加.

將已混好的金屬粉末體積占比50%的W-25Cu給料注射進模具內用以制備拉伸試樣，試樣設計依據 ISO 2740:2009標準.試件成型選用德國Arburg公司的 Allrounder 360S型注塑機，注射坯樣依次進行溶劑脫脂與熱脫脂[11].其中，經10 h 37 ℃的庚烷氣氛溶劑脫脂，從成型試件中去除了49.2%(質量分數)的粘結劑.在氫氣氛下的熱脫脂工藝：以1.5 ℃/min的加熱速率經90 min升溫到500攝氏度，隨之以2 ℃/min的加熱速率升溫到900 ℃并保溫90 min.將脫脂試件在另一燒結爐中燒結，燒結峰值溫度1 200 ℃，保溫120 min，升溫速率約5 ℃/min，燒結氣氛為氫氣.對燒結件進行抗拉強度測試，并用SEM研究其顯微組織.

經過上述MIM工藝，W-25Cu超細復合粉末藥型罩按預先設計被制備出來.

圖2 復合粉末SEM圖像

表2 W-Cu超細復合粉末物性參數

2 力學性能測試

轉矩與捏合時間、轉矩與固相含量之間的曲線關系見圖3.從圖中可以看出，轉矩隨固相含量的上升而上升，且當固相體積占比達到52%時喂料已不能很好的混合.這表明，W-25Cu復合粉末喂料的臨界固相體積占比大約只有51%，固相含量低是因為W-25Cu超細復合粉末流動性差.粉末越細，表面積越大、團聚特性也越強，這會大大削減喂料的固相含量，但卻可以提升燒結性能.采用棒磨之類的解聚法可以增加喂料的固相含量，但考慮到喂料的穩(wěn)定性，建議批量生產時喂料固相含量選用50%.

圖3 超細W-25Cu復合粉末轉矩流變特性

采用注射成型工藝制作的拉伸試驗試樣見圖4，其中燒結件收縮率約為19%～22%.用優(yōu)化的注塑工藝參數制備的無缺陷藥型罩見圖5.

圖4 注射成型拉伸試驗試樣

Fig.4 Tensile test specimens made by MIM with W-25Cu ultrafine composite powder

圖5 W-25Cu超細復合粉末注射成型藥型罩

Fig.5 Shaped charge liners made by MIM with W-25Cu ultrafine composite powder

由于本研究中的W-25Cu藥型罩是采用超細復合粉末在注射成型工藝下開發(fā)的，所以材料接近全致密且組織均勻.應用SEM對燒結件進行研究，微觀結構如圖6所示.由于使用了超細W-Cu復合粉末，使得燒結溫度降到了1 200 ℃，因此W顆粒的長大不明顯，仍保持在亞微米級別，W顆粒均勻地分布在Cu基體中.

測得W-25Cu燒結件的力學性能參數見表3.可以看出，圖5所示的藥型罩力學性能非常優(yōu)良，可直接進行切削加工.對其進行切剖，可看到其斷面形貌光亮平整，這一點遠不同于常規(guī)的W-Cu粉末藥型罩、粉末燒結藥型罩.

圖6 不同放大倍數下W-25Cu超細復合粉末注射成型燒結件的SEM圖像

Fig.6 SEM images with different magnification for sintered W-25Cu parts produced by MIM with ultrafine composite powder

表3 W-25Cu超細復合粉末注射成型件的力學性能

3 破甲性能測試

超細復合粉末注射成型制備出的W-25Cu樣品藥型罩致密度很高，且出爐后表面有薄薄的黑灰色覆層，對其表面進行光潔處理后進行破甲性能測試，試驗用藥型罩見圖7，幾何參數見表4.將藥型罩、鈍化奧克托今、殼體壓裝成型，成型射孔彈裝藥量為30 g.

[12]，對W-25Cu超細復合粉末注射成型藥型罩在混凝土靶上的侵徹性能進行測試，炸高取12 mm，測試裝置結構見圖8. 測試7發(fā)射孔彈的侵徹深度測試數據為530、540、535、540、530、525、540 mm.

圖7 測試用藥型罩

圖8 測試試驗裝置

從測試結果看，一方面數據一致性極好，統(tǒng)計標準差σ僅為6，對于混凝土材質靶，這種侵徹性能的高度穩(wěn)定性是應用傳統(tǒng)粉末與制造工藝生產的藥型罩所不可企及的；另一方面，W-25Cu超細復合粉末注塑藥型罩成型裝藥的侵徹性能遠不及預期(期望值1 000 mm).

依據金屬射流侵徹理論，侵徹深度與單因素藥型罩密度呈正相關[13]，W-25Cu藥型罩致密度有大幅提升，所以侵徹深度不理想必須考慮其它因素.據張存信等的研究結論[9]，這與鎢顆粒太小有關，鎢顆粒間平均間距過小不能承受壓跨及射流的拉長，最終導致射流的發(fā)散，顯著降低了侵徹深度.從工藝來看，應通過控制燒結溫度來調整鎢粒的大小或提高含銅比例，以改善侵徹性能.高密度藥型罩需與之匹配較大的裝藥量，為藥型罩壓垮和射流拉伸提供足夠能量[14].此外，從對燒結件的力學性能測試數據來看，延伸率偏低也是侵徹效果不佳的主要因素[15].

表4 測試用藥型罩幾何參數

4 結 論

1)采用熱化學工藝開發(fā)了亞微米級超細W-Cu復合粉末，再采用注射成型工藝制備了W-25Cu超細復合粉末藥型罩，其材料微觀組織均勻、機械力學性能優(yōu)良.裝藥進行混凝土侵徹性能測試，試驗結果表明，超細復合粉末注射成型藥型罩侵徹穩(wěn)定性極好.

2)W-25Cu藥型罩高度致密均質取決于粉末性態(tài)、藥型罩制備工藝.由于鎢顆粒太小、延伸率偏低及某些尚不明確的因素，使得侵徹深度遠不及預期，可通過控制燒結溫度調整鎢粒大小或提高復合粉含銅率來提升侵徹性能.藥型罩密度增加后與裝藥量不匹配也是影響W-25Cu超細復合粉末藥型罩侵徹能力的重要因素.

3)金屬射流侵徹性能的影響因素多.就材料因素來看，由于種種條件限制，有關鎢顆粒大小、含銅率、孔隙度對該類藥型罩侵徹性能影響的研究，還有待相關學者進一步探究.

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(編輯 張積賓)

Development and performance test of tungsten-copper shaped charge liners by metal injection moulding of ultrafine composite powder

WU Huanlong1，3, PENG Kepu3，XIANG Xu3，WANG Wei2，SONG Jiupeng2

(1.College of Mechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China; 2.Sichuan Petroleum Perforating Materials Co.,Ltd,Neijiang 642177，China; 3.China National R&D Center for Tungsten Technology，Xiamen Tungsten Co.,Ltd，Xiamen 361026，China)

Tungsten-copper (W-Cu) is an attractive material for shaped charge liner due to the combination of the high density of W and the good plasticity of Cu. In order to improve penetration indexes of perforating charges by obtain metal jet with excellent performance，the W-Cu liner with high degree homogeneity and relative density was developed.A series of submicron W-Cu composite powder with different Cu content from 10%～25% has been developed by thermo-chemical process. With the utilization of metal injection moulding(MIM), a type of near net-shaping shaped charge liner in W-25Cu has been prepared.The debinded parts were then sintered in Hydrogen atmosphere at the peak temperature of 1 200 ℃.After being sintered,the measured density of W-25Cu liner reached 14.75 g/cm3.Tensile test indicated that the developed liner possessed excellent material mechanical properties，ultimate tensile strength 822.4 MPa, Yield strength 807.5 MPa, Elongation 1.18%.The resulted material observed by SEM has a microstructure with the submicron W particles distributing homogeneously in the Cu matrix.The ballistic test showed the shaped charge W-25Cu liner by metal injection moulding of ultrafine composite powder with a high stable performance to penetrating into concrete target.Keywords: W-Cu shaped charge liner;ultrafine composite powder; metal injection moulding; microstructures and properties;concrete penetration

2016-09-19. 網絡出版時間: 2017-07-07.

吳煥龍(1985—)，男，碩士，工程師.

吳煥龍，E-mail：whlliangtian@163.com.

10.11951/j.issn.1005-0299.20160309

TB331；TJ410.3+33；TE257+.1

A

1005-0299(2017)04-0091-06