一种具有优异穿甲性能的钨合金及其制备方法和应用与流程

本发明涉及钨合金制备，特别涉及一种具有优异穿甲性能的钨合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、高密度钨合金主要由钨相和粘结相组成，其中钨相的含量在85-97％之间，而γ粘结相的主要由fe、ni、cu等元素组成，主要的材料体系分为w-ni-fe、w-ni-cu以及w-hf等。一般情况下，贫铀合金弹芯的侵彻能力在同等情况下较钨合金弹芯高约10-15％，二者的主要区别在于贫铀合金材料的临界绝热剪切应变率和临界绝热剪切应变值较低，易于发生绝热剪切断裂，具有“自锐”效应，而钨合金弹芯在轴向侵彻力作用下，头部呈“蘑菇状”，导致侵彻阻力增大，侵彻能力降低，高密度钨合金在穿甲过程中易产生“蘑菇头效应”而削弱了其穿甲威力。

2、穿甲弹对装甲的侵彻是一个高应变率下的变形和破坏过程，穿甲弹的弹芯在与靶板的相互作用中受到很大的冲击压力(大于5gpa)而发生塑性变形。由于塑性变形时速度极高，生成的热量来不及传导出去，只限定在一个狭窄的区域内，致使其金属内部温度升高，使得材料软化、强度降低，当材料因温升而导致强度降低的程度超过了因材料变形强化而提高的强度时，就会产生绝热剪切带。贫铀合金具有高的绝热剪切敏感性，在较低的应变率下就会产生绝热剪切带，裂纹沿剪切带扩展，弹芯头部边缘材料容易发生塌落，相当于削尖了弹头，能够使弹靶之间一直保持一个很小的作用面积，减小了侵彻阻力并延长了作用时间，使侵彻深度得以显著提高。

3、对于动能穿甲弹材料而言，当穿甲弹的形状被确定以后，保证其具有良好穿甲性能的主要有两个方面的因素：一是良好的力学性能，如高强度、良好的韧性和塑性，以确保穿甲在发射和着落的时候能够完整；二是要具备良好的“自锐化”能力，使其在穿甲过程中边缘部分的材料能沿着绝热剪切带剥落，保证穿甲效果。如图1所示，图1为贫铀合金和钨合金的穿甲过程的示意图，由于高的绝热剪切带形成能力，贫铀合金具有高的穿甲性能，而钨合金由于较强的应变率敏感性，很难发生绝热剪切破坏，在穿甲过程中易形成蘑菇头，严重降低其穿甲性能。因此，如何提高钨合金在穿甲过程中的“自锐化”能力、促使剪切应变发生，提高绝热剪切敏感性，就成了提高钨合金穿甲弹之穿甲性能的核心技术。

4、目前国内研究方向为采用添加合金元素在钨合金的制备过程中，与钨相和粘结相组元形成强化作用，如固溶强化、弥散强化、沉淀强化，通过改变和优化微观组织，从而促进钨合金在动态加载条件下绝热剪切带形成，提高自锐化效应，如在合金中添加难熔金属mo、ta、nb等，因这些元素可与钨相发生固溶，从而降低了钨向粘结相扩散，有效的抑制了在烧结过程中钨晶粒的长大，从而细化晶粒，提高强度性能，然而在提高强度的同时，也容易使钨合金变得“硬而脆”，穿甲效果提升有限。另一研究方向是添加微量稀土元素氧化物，如添加ceo2、zro2、la2o3、tho2、v2o3等在合金中弥散分布，实现弥散强化，提高合金的强度和硬度，但添加后合金的力学性能有明显下降，强度和伸长率也会明显降低。

5、中国专利cn111057926a公开了一种钨合金及其制备方法，该钨合金的表达式为w100％-tniaxbyczd，其中，x代表fe、cu、cr、co、mn中的一种或者几种，y代表al2o3、y2o3、zro2、sio2中的一种或几种，z代表tic、cr3c2、vc、wc中的一种或几种。a取值范围0.2-4.0％，b取值范围0.05-3.0％，c取值范围0.05-2.0％，d取值范围0.05-3.0％，t为a、b、c、d之和，取值范围1.5-5.5％。在该专利中，添加ni和x成分有利于合金组织的形成，提高粘结相和钨基体间的结合强度，同时促使合金组织有较高的致密度，满足钨合金材料作为弹芯使用时应当具备的发射及侵彻所需强度，y成分有利于在合金组织中形成分布硬而脆的金属氧化物粒子，能有效提高钨合金材料的抗压强度，提高钨合金的脆性，降低钨合金的延伸率，弹芯在穿甲过程中，在应力波作用下，这些金属氧化物粒子与粘结相之间的界面处首先萌生微裂纹，裂纹扩展使界面分离，最终形成了金属氧化物粒子与粘结相的分离断裂，致使大量破片的产生，从而形成大量破片，达到二次毁伤效果，成分能有效细化晶粒，并与粘接相形成硬而脆的金属间化合物，使钨合金材料的硬度增加，提高了钨合金弹芯的穿甲威力。该专利没有从提高钨合金自锐化能力和绝热剪切敏感性这一核心角度来提高钨合金的穿甲性能，其对钨合金的穿甲性能提升有限。

技术实现思路

1、本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种具有优异穿甲性能的钨合金及其制备方法和应用，本发明通过在钨合金中添加氧化硅来显著提高材料的剪切应变特性、自锐化能力，同时利用特殊添加工艺使氧化硅在钨合金中均匀分布，使在钨合金中部分钨晶粒被氧化硅与粘接相隔开，出现钨晶粒、氧化硅晶粒与粘接相邻接现象，改变钨合金动态应变特性，避免了材料在受力时产生较大的塑性变形，并最后才发生断裂现象的问题。另外，本发明通过添加y来清除残留氧，在起到弥散强化的作用同时，降低了钨相和粘结相界面处氧含量，提高了合金的动态力学性能和绝热剪切敏感性，整体上使钨合金具备优异的穿甲性能。

2、本发明采用的技术方案如下：一种具有优异穿甲性能的钨合金，按质量百分数计，所述钨合金由以下原料制备得到：93％的w粉、3-4.8％的ni粉、1-2％的fe粉、0.8-1.5％的co粉、0.3-1.0％的sio2粉，0.1-0.3％的y，余量为不可避免的杂质，合计为100％。

3、进一步，所述w粉的粒径为1-2μm，所述fe粉的粒径为2-5μm，所述co粉的粒径为1-2μm，所述二氧化硅粉的粒径为2-5μm。

4、进一步，所述二氧化硅粉由硅酸盐粉制备得到；原料金属钇通过钇复合络酸盐溶液来提供。

5、进一步，所述钨合金中，sio2含量为0.5-1.0％，y含量为0.3％。

6、进一步，所述钨合金中，sio2含量为1.0％，y含量为0.3％。

7、进一步，本发明还包括一种具有优异穿甲性能的钨合金的制备方法，包括如下步骤：

8、a、混合料制备，将w粉、ni粉、fe粉、co粉、sio2粉加入球磨筒内，球磨后过筛网，然后过滤干燥得到掺胶料；

9、b、将掺胶料与钇复合络酸盐溶液于混合器内混合，混合器抽真空，向混合器内注入保护性气体，然后旋转混合，并置于微波-超声波复合场中进行微波-超声波协同处理，混合结束后卸料得到初混物；

10、c、压制烧结，对初混物进行压制成型，得到试样毛坯，将试样毛坯装入钼舟中，在h2气氛的马弗炉中进行一次性烧结，得到的试样进行喷砂处理；

11、d、真空回火、热旋锻和多重热处理，将烧结、喷砂处理的试样放入真空炉中进行高温回火和真空脱氢，之后将试样进行热旋锻，将锻打后的试样进行多次真空热处理，重复热处理次数为3-4次，每次的淬火温度逐次提高，淬后不回火，即得。

12、进一步，在步骤c中，烧结工艺为：试样脱蜡时间为3-4h，烧结温度为1460-1500℃，高温烧结时间为1.5-2.0h。

13、进一步，在步骤d中，高温脱氢和回火温度为1100-1200℃，保温时间为2h，真空度为0.05-0.1pa；热旋锻温度为900-1000℃，在n2气氛保护下进行，径向尺寸旋锻后变形量为20-30％。

14、进一步，在步骤d中，真空热处理工艺参数为：真空度为5-10pa，温度为1050-1300℃，保温时间为1.5-2h，水淬。

15、进一步，本发明还包括一种具有优异穿甲性能的钨合金在军事装备中的应用，将所述钨合金用作制备穿甲弹的原材料，其中，所述钨合金由制备方法制备得到。

16、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

17、1、本发明提供了一种通过在钨合金制备过程中添加氧化硅和钇来显著提高材料的剪切应变特性和“自锐化”能力，从而使钨合金具备优异的穿甲性能，本发明利用特殊添加工艺使氧化硅在钨合金中均匀分布，从而在钨合金中部分钨晶粒被氧化硅与粘接相隔开，出现钨晶粒、氧化硅晶粒与粘接相邻接现象，钨合金在受到应力变形时，前期受力阶段，氧化硅晶粒起到了一定的固溶强化和弥散强化作用，提高了钨合金的强度，当应力达到一定临界值时，因氧化硅晶粒的存在，氧化硅晶粒将钨晶粒与粘接相部分隔开，从而急剧降低了钨晶粒与粘接相原有的结合强度，导致裂纹在钨晶粒与氧化硅晶粒之间快速产生，并在钨晶粒与粘接相、氧化硅晶粒之间急剧扩展；同时，因为氧化硅晶粒在粘接相中的存在，当应力达到临界点时，无需粘接相产生较大的应变，在氧化硅晶粒与粘接相之间裂纹得以快速产生，并急剧扩展，材料整体表现出较强的剪切应变特性，不至于材料在受力时产生较大的塑性变形而最后才发生断裂现象；

18、2、本发明在添加氧化硅的同时，还添加有钇，有助于在烧结过程中钇与钨合金中的残留氧发生反应生成氧化物，起到弥散强化的作用同时，降低了钨相和粘结相界面处氧含量，提高了钨合金的动态力学性能和绝热剪切敏感性；

19、3、本发明在对合金配方进行改进的同时，配合本发明提出的多重热处理工艺，强化和稳定了氧化硅、y和w在粘接相中的溶解存在，增加了粘接相的强度，从而使得钨合金在具备较高的强度的同时，又具备敏感的剪切应变特性，即在一定应变后材料表现出脆性断裂，从而使钨合金具备优异的穿甲性能。