反應結構材料(reactivestructuralmaterials,RSMs)是一種兼具結構強度和釋能效應的結構-功能一體化材料,最早由Hugh等[1]以反應破片(reactivefragments)的形式提出。RSMs在常規狀態下保持穩定,但在極端載荷(如高溫,高速撞擊等)作用下,可以誘發組元間以及組元與環境間的高放熱反應,產生強烈的燃燒甚至類爆轟效果[2-3]。用RSMs來代替傳統戰斗部中的惰性部件,如殼體、破片等,可以實現動能侵徹與化學能相結合的雙重毀傷效果,大幅提升傳統戰斗部的毀傷威力[4]。由于RSMs在軍事裝備方面較高的應用價值,成為當前高效毀傷領域的一個研究熱點。特殊的服役環境要求反應結構材料具備以下特點:(1)足夠高的強度和一定的塑性,確保材料在爆炸驅動和侵徹目標過程中的完整性;(2)足夠高的密度,確保材料在飛行末端保持優良的侵徹能力;(3)盡量大的活性元素占比,確保材料在反應過程中提供有效的二次毀傷增益。因此,綜合性能優異的高密度RSMs在新一代武器裝備發展中有著強烈的需求。根據材料成分特點,目前RSMs主要分為3類:金屬/聚合物型,代表體系如Al-PTFE[5]和Zr-PTFE[6];金屬/金屬氧化物型(鋁熱劑型),代表體系如Al/Fe2O3 [7]和Al/CuO[8];金屬合金型,如Al基多元合金[9-10]、非晶合金[11]等。其中,金屬/聚合物型和金屬/金屬氧化物型RSMs雖然具有優良的能量釋放特性,但是密度和強度較低,限制了其實際應用[12-13]。相比之下,金屬合金型RSMs的強度、密度調控空間大,且釋能特性優良,更具應用潛力[14]。W-Zr合金屬于典型的金屬合金型RSMs,其組元W具備很高的密度和強度,可以確保材料在飛行末端足夠的侵徹能力,組元Zr則具備較高的燃燒熱值和絕熱火焰溫度,是W-Zr合金能量釋放的主要來源,兩組元結合得到的W-Zr合金RSMs兼具高密度、高強度、高反應釋能等優點,受到國內外研究人員的廣泛關注[15]。W-Zr合金RSMs作為一種極具應用潛力的釋能-結構一體化材料,已成為多功能毀傷材料領域的一個重要發展方向。鋯棒廠家，結合(he)(he)相關(guan)行業資訊(xun)，將鎢鋯合(he)(he)金(jin)的(de)(de)制備方(fang)法及(ji)工(gong)(gong)藝流(liu)程，整(zheng)理如(ru)下。重點回顧W-Zr合(he)(he)金(jin)的(de)(de)主要制備方(fang)法及(ji)工(gong)(gong)藝流(liu)程,并(bing)對不同工(gong)(gong)藝制備合(he)(he)金(jin)的(de)(de)力學性能(neng)(neng)進行了統(tong)計(ji)對比,重點關(guan)注W-Zr合(he)(he)金(jin)在(zai)侵徹(che)能(neng)(neng)力以及(ji)釋能(neng)(neng)特性上的(de)(de)表現(xian),梳(shu)理出(chu)影響W-Zr合(he)(he)金(jin)進一步推廣應用的(de)(de)關(guan)鍵問題,并(bing)在(zai)此(ci)基(ji)礎上提(ti)出(chu)了未來W-Zr合(he)(he)金(jin)RSMs的(de)(de)發展思路,以供后續研究者參考。

1、制備工藝

1.1粉末冶金法

元素W的(de)熔點(dian)高(gao)(3422℃)、流(liu)動性(xing)差(cha),很難(nan)通過(guo)熔煉工藝制(zhi)備得到成(cheng)分(fen)均勻的(de)W-Zr合(he)(he)金。粉末(mo)冶金法是(shi)當前(qian)制(zhi)備W-Zr合(he)(he)金RSMs的(de)主要(yao)方(fang)法,可分(fen)為(wei)壓制(zhi)-燒結兩(liang)步法、熱壓法以及(ji)機械合(he)(he)金化法。

1.1.1壓制-燒(shao)結兩步(bu)法(fa)

壓(ya)制(zhi)(zhi)(zhi)-燒結(jie)(press-sinter)兩(liang)步(bu)法(fa)(fa)工藝(yi)簡單、適用性(xing)(xing)強(qiang)、易于實現試件(jian)的(de)(de)批(pi)量(liang)生產,在(zai)復合(he)材料(liao)的(de)(de)生產制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)中(zhong)有著廣泛的(de)(de)應用。張將等[16]采用壓(ya)制(zhi)(zhi)(zhi)-燒結(jie)兩(liang)步(bu)法(fa)(fa)制(zhi)(zhi)(zhi)得密(mi)度9.45g/cm 3、致密(mi)度超過(guo)90%的(de)(de)W-Zr合(he)金(jin),合(he)金(jin)展現出(chu)優異的(de)(de)動態強(qiang)度及反應特性(xing)(xing)。李朋輝[17]采用模壓(ya)制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)圓(yuan)柱狀(zhuang)坯體后(hou),在(zai)氬氣氛圍下升溫至1600℃保(bao)溫2h得到不(bu)同(tong)配比(bi)的(de)(de)W-Zr合(he)金(jin)(W20/Zr80和W57/Zr43),但密(mi)度測(ce)試結(jie)果顯示兩(liang)類合(he)金(jin)致密(mi)度均在(zai)75%左右,存(cun)在(zai)大(da)量(liang)缺陷,嚴重影(ying)響(xiang)合(he)金(jin)的(de)(de)強(qiang)度。由于壓(ya)制(zhi)(zhi)(zhi)-燒結(jie)兩(liang)步(bu)法(fa)(fa)為(wei)無壓(ya)燒結(jie),在(zai)燒結(jie)過(guo)程(cheng)中(zhong)

缺(que)少外在(zai)的(de)(de)致(zhi)密(mi)驅動力(li),要實現(xian)W-Zr合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)近(jin)全致(zhi)密(mi),燒結(jie)(jie)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)應當(dang)接近(jin)或高(gao)(gao)(gao)于Zr的(de)(de)熔點溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(1822℃)。 秦(qin)穎(ying)楠等(deng)[18]采用冷(leng)等(deng)靜(jing)壓制坯,將燒結(jie)(jie)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)提(ti)升至2200℃,保溫(wen)(wen)(wen)(wen)3h,成(cheng)(cheng)功制備(bei)(bei)出致(zhi)密(mi)度(du)較(jiao)(jiao)高(gao)(gao)(gao)且(qie)力(li)學性能滿足相應指標的(de)(de)W/Zr基RSMs,但是2200℃的(de)(de)成(cheng)(cheng)型溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)對于燒結(jie)(jie)設備(bei)(bei)提(ti)出了(le)(le)較(jiao)(jiao)高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)要求。Das等(deng)[19]報道了(le)(le)一種在(zai)較(jiao)(jiao)低溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)下制備(bei)(bei)細(xi)晶W-Zr合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)方法,實驗(yan)將納米Cr2O3顆(ke)粒引入W和Zr混合(he)(he)粉末,并通過20h的(de)(de)球磨活(huo)化以降(jiang)低燒結(jie)(jie)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)。結(jie)(jie)果(guo)顯示,球磨活(huo)化后的(de)(de)混合(he)(he)粉末經500MPa壓實后,在(zai)1500℃保溫(wen)(wen)(wen)(wen)2h得到了(le)(le)致(zhi)密(mi)度(du)91.46%的(de)(de)W-Zr合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)。

1.1.2熱壓法

熱(re)壓(ya)(ya)(hotpressing,HP)燒結(jie),又稱加壓(ya)(ya)燒結(jie),是(shi)將壓(ya)(ya)制和燒結(jie)兩個工(gong)序(xu)一(yi)起完成,在(zai)加熱(re)的(de)同時施加外部壓(ya)(ya)力,強化燒結(jie)過程,因而可以(yi)在(zai)較(jiao)低溫度下實現(xian)材料的(de)全致密化。此(ci)外,熱(re)壓(ya)(ya)燒結(jie)還(huan)可以(yi)在(zai)一(yi)定程度上抑制晶粒長大,是(shi)制備高性能難熔金(jin)屬基復合材料最為常用的(de)工(gong)藝[20]。

Xie等(deng)[21]為(wei)獲得高強、高延展性的(de)W-Zr合金,在2200℃/70MPa的(de)條件下保溫(wen)10h得到全(quan)致密的(de)W-Zr-Y2O3合金,經(jing)150℃軋制強化后(hou),材料(liao)的(de)極限拉伸強度(du)為(wei)911MPa,斷裂伸長(chang)率達到3.2%,展現出(chu)良(liang)好的(de)綜合力學(xue)性能。劉曉俊等(deng)[15]采用熱(re)壓燒結(jie)方法制備了不同(tong)配比的(de)W-Zr合金,燒結(jie)工藝(yi)為(wei)1500℃/20MPa,2~3h保溫(wen)時間,燒結(jie)后(hou)樣品致密度(du)為(wei)87.5%~99.2%,材料(liao)的(de)準靜態壓縮強度(du)達到1000MPa以(yi)上。

可以發現,壓力的施加極大地降低了W-Zr合金的致密溫度。Shang等[22]同樣選取1500℃/20MPa作為熱壓工藝參數,保溫時間延長至8h,獲得的W25.8-Zr74.2合金長桿密度7.83g/cm³,致密度(du)提升至99.6%,說(shuo)明延長保(bao)溫時(shi)間同樣有(you)助于提升W-Zr合金樣品的致密度(du)。由此可見,在W-Zr合金RSMs的制備上,熱壓(ya)燒結(jie)相較于無壓(ya)燒結(jie)所須(xu)致密溫度(du)更(geng)低,并且致密度(du)普遍增加(jia),更(geng)具加(jia)工優勢。另外,燒結(jie)溫度(du)的降低還(huan)可以有(you)效減(jian)少W2Zr,ZrC等化合物(wu)的生成,有(you)助于保(bao)留合金的釋(shi)能潛力。

1.1.3機械合金化法

機械合(he)金(jin)化(mechanicalalloying,MA),也被(bei)稱為高(gao)能(neng)球磨,是通過(guo)磨球對混合(he)粉末長(chang)時間(jian)的(de)高(gao)速撞擊(ji)碾壓,促(cu)使不同組(zu)元之間(jian)發生原子擴散和(he)固相反應,進而實現合(he)金(jin)化[23]。MA屬(shu)于非平(ping)衡加(jia)工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝(yi),并且是在室(shi)溫或低溫條件(jian)下進行,跳過(guo)了熔化、凝固等(deng)加(jia)工(gong)(gong)過(guo)程,因此往往可以生產出(chu)平(ping)衡加(jia)工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝(yi)無法制(zhi)備(bei)的(de)高(gao)性能(neng)材(cai)料(liao)體系,在制(zhi)備(bei)高(gao)熔點合(he)金(jin)、亞穩態納米復合(he)材(cai)料(liao)等(deng)方面具(ju)備(bei)獨特的(de)優勢(shi)[24-25]。

由(you)于(yu)MA過程中(zhong)(zhong)(zhong)粉(fen)(fen)(fen)末(mo)顆粒不斷破碎并重新組合(he)(he)(he),最(zui)終獲得(de)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)每個微粒都(dou)是包含所有組分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)納米粒子(zi)簇(cu)。Coverdill[26]為(wei)增加W,Zr組元的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)接觸面積(ji),以Zr的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)燃燒熱(re)(re)實(shi)(shi)現W的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)引燃,采用MA工(gong)(gong)藝(yi)制(zhi)備多種成分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)W-Zr混(hun)合(he)(he)(he)粉(fen)(fen)(fen)末(mo)。表征分(fen)(fen)析中(zhong)(zhong)(zhong)發現,W和Zr粉(fen)(fen)(fen)末(mo)經長時間球磨處理(li)后(hou),Zr的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)衍射峰(feng)顯(xian)著弱化(hua),說明MA過程中(zhong)(zhong)(zhong)可能(neng)出現Zr向W的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)固溶。改(gai)性粉(fen)(fen)(fen)末(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)靜爆實(shi)(shi)驗結果(guo)顯(xian)示,實(shi)(shi)驗中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)總能(neng)量釋放(fang)要(yao)高于(yu)合(he)(he)(he)金中(zhong)(zhong)(zhong)Zr所含化(hua)學能(neng),顯(xian)然,部分(fen)(fen)W被(bei)引燃并參與了釋能(neng)反(fan)應。Zhao等[27]系統開展(zhan)(zhan)了機(ji)械合(he)(he)(he)金化(hua)制(zhi)備W-Zr亞穩(wen)態合(he)(he)(he)金粉(fen)(fen)(fen)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究工(gong)(gong)作,并對(dui)W-Zr合(he)(he)(he)金粉(fen)(fen)(fen)末(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)固溶度擴展(zhan)(zhan)機(ji)制(zhi)、熱(re)(re)穩(wen)定性機(ji)理(li)等均做(zuo)了較為(wei)詳細(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)報道。整體來(lai)看(kan),MA工(gong)(gong)藝(yi)在調控W-Zr合(he)(he)(he)金性能(neng)方面展(zhan)(zhan)現出一定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用潛力,但是該工(gong)(gong)藝(yi)主(zhu)要(yao)應用在W-Zr粉(fen)(fen)(fen)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)制(zhi)備,后(hou)續(xu)仍(reng)需要(yao)借助熱(re)(re)壓、放(fang)電等離(li)子(zi)燒結(sparkplasmasintering,SPS)等燒結工(gong)(gong)藝(yi)才能(neng)實(shi)(shi)現W-Zr合(he)(he)(he)金材料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)致密成型。

綜上(shang),機械合(he)金(jin)化法(fa)在制備W-Zr合(he)金(jin)粉體方面展現出良好(hao)的(de)(de)應用(yong)潛(qian)力,并且制備得到的(de)(de)納米晶合(he)金(jin)粉體為(wei)超(chao)飽(bao)和固溶體結(jie)構或無(wu)序非晶結(jie)構,以此為(wei)原(yuan)料,有望(wang)獲(huo)得性能(neng)更(geng)加優(you)異的(de)(de)W-Zr合(he)金(jin)。熱壓(ya)法(fa)相較于壓(ya)制-燒結(jie)兩步法(fa),可以降低燒結(jie)溫度(du)、提(ti)升(sheng)燒結(jie)致密度(du)和合(he)金(jin)強度(du),在W-Zr合(he)金(jin)的(de)(de)制備中更(geng)具優(you)勢。

1.2電弧熔煉法

電(dian)弧熔(rong)(rong)煉是指(zhi)通過持續的高能集束等離子體擊打原(yuan)(yuan)料表面,將能量傳(chuan)遞給原(yuan)(yuan)料,從而促使原(yuan)(yuan)料加熱至熔(rong)(rong)融(rong)狀態(tai),待合(he)金(jin)(jin)(jin)原(yuan)(yuan)料形成液池后自行或在電(dian)磁攪拌(ban)輔助下混合(he)均(jun)勻(yun),隨后快速凝(ning)固形成鑄態(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)的工藝[28]。由于(yu)電(dian)弧熔(rong)(rong)煉制備合(he)金(jin)(jin)(jin)中(zhong)可能會形成部(bu)分(fen)超飽和固溶體相,并(bing)伴隨有一定程度的晶格畸(ji)變效應(ying),往(wang)往(wang)可以得到性能較為(wei)優異的合(he)金(jin)(jin)(jin)材(cai)料,因(yin)此電(dian)弧熔(rong)(rong)煉近年來被廣泛應(ying)用于(yu)難熔(rong)(rong)合(he)金(jin)(jin)(jin)的制備[29]。

趙文天(tian)等(deng)[30]采用(yong)非自耗(hao)(hao)(hao)電(dian)(dian)弧(hu)熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)工(gong)藝(yi),經(jing)過(guo)至少兩次(ci)(ci)的(de)(de)(de)(de)(de)真(zhen)空(kong)熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)得(de)到了(le)成分(fen)均勻、無(wu)偏(pian)析(xi)夾雜的(de)(de)(de)(de)(de)W-Zr合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)。但(dan)由于W的(de)(de)(de)(de)(de)熔(rong)(rong)(rong)(rong)點過(guo)高,受限(xian)于電(dian)(dian)極(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)極(ji)限(xian)溫度(du)(du),采用(yong)該方(fang)法制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)中W含量(liang)(liang)不能超過(guo)40%(質量(liang)(liang)分(fen)數,下同)。為(wei)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)高W含量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)W-Zr合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)材料(liao),劉桂濤(tao)等(deng)[31]將粉(fen)末(mo)(mo)冶(ye)(ye)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)工(gong)藝(yi)與自耗(hao)(hao)(hao)電(dian)(dian)弧(hu)熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)工(gong)藝(yi)相結合(he)(he)(he),把粉(fen)末(mo)(mo)冶(ye)(ye)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)得(de)的(de)(de)(de)(de)(de)W-Zr合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)棒(bang)作(zuo)為(wei)自耗(hao)(hao)(hao)電(dian)(dian)極(ji),再經(jing)一(yi)次(ci)(ci)或多(duo)次(ci)(ci)重熔(rong)(rong)(rong)(rong),得(de)到成分(fen)均勻、無(wu)組(zu)織偏(pian)析(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)W-Zr合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)材料(liao)。通過(guo)該方(fang)法可以(yi)(yi)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)W含量(liang)(liang)高達(da)70%的(de)(de)(de)(de)(de)熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)態W-Zr合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin),并且合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)致密度(du)(du)與強韌性(xing)均要(yao)優(you)于粉(fen)末(mo)(mo)冶(ye)(ye)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)態合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)。劉凱等(deng)[32]將ZrTi粉(fen)與W粉(fen)混合(he)(he)(he)燒結,得(de)到?30mm×200mm的(de)(de)(de)(de)(de)鎢鋯鈦合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)棒(bang),再用(yong)真(zhen)空(kong)自耗(hao)(hao)(hao)電(dian)(dian)弧(hu)爐(lu)對其進(jin)行兩次(ci)(ci)自耗(hao)(hao)(hao)熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian),樣(yang)品(pin)密度(du)(du)相比于粉(fen)末(mo)(mo)冶(ye)(ye)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)樣(yang)品(pin)密度(du)(du)提升8.4%,實現完全(quan)致密,抗拉強度(du)(du)也從0.85GPa提升至1.3GPa。目前(qian)來(lai)看,采用(yong)真(zhen)空(kong)電(dian)(dian)弧(hu)熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)W-Zr合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)基本可以(yi)(yi)實現材料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)全(quan)致密或近全(quan)致密成型(xing),力學性(xing)能表現也較(jiao)(jiao)為(wei)優(you)異。但(dan)是,鑄態合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)在冷(leng)卻凝固過(guo)程(cheng)通常會形(xing)成氣孔、偏(pian)析(xi)等(deng)缺陷,后續仍需(xu)要(yao)配合(he)(he)(he)軋制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、熱處理等(deng)工(gong)藝(yi)以(yi)(yi)提升材料(liao)性(xing)能。并且,當前(qian)電(dian)(dian)弧(hu)熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian)法只能制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)較(jiao)(jiao)小(xiao)尺(chi)寸(cun)樣(yang)品(pin),對于W含量(liang)(liang)較(jiao)(jiao)高、尺(chi)寸(cun)較(jiao)(jiao)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)樣(yang)品(pin),需(xu)要(yao)多(duo)次(ci)(ci)熔(rong)(rong)(rong)(rong)煉(lian),不僅工(gong)藝(yi)繁瑣(suo),而且對操作(zuo)人員的(de)(de)(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)高,工(gong)業(ye)化生產難度(du)(du)較(jiao)(jiao)大(da)。

2、W-Zr合金RSMs的性能特點

2.1侵徹性能

W-Zr合金作為戰斗部殼體或破片材料,優良的侵徹性能是基礎條件,而密度和強度則是決定戰斗部侵徹能力的兩大重要因素[33]。密度高,彈丸在飛行末端動能大,侵徹能力也就越強;強度則確保材料在抗爆轟加載、飛行過程以及穿甲過程中的完整性。對于W-Zr合金,其組元均為中高密度元素,其中W的密度為19.25g/cm³,Zr的密度為6.52g/cm³,為制備高密度合金體系提供了良好的基礎。通常,W-Zr合金體系中的W元素占比為34%~75%,密度跨度為7.8~13g/cm³,這一數(shu)值高(gao)于鋼,接近部分W基合金(jin),確保(bao)了W-Zr合金(jin)具備足(zu)夠的(de)動能侵徹能力。

W-Zr合(he)金的力學(xue)性能表(biao)現同樣優異。表(biao)1匯總(zong)了(le)不同工藝制(zhi)備的W-Zr合(he)金密度(du)、致密度(du)及(ji)力學(xue)性能[16-17,22,34-35]。可以看到,熱壓(ya)燒結制(zhi)備的W-Zr合(he)金準靜(jing)態抗壓(ya)強度(du)普遍在(zai)1000MPa以上(shang),有些(xie)體(ti)系(xi)甚至達(da)到1880MPa,部分(fen)W/Zr基非晶(jing)復(fu)合(he)材料的抗拉強度(du)也(ye)超(chao)過了(le)1000MPa。而不銹鋼材料經(jing)退(tui)火處理后(hou)強度(du)仍低于(yu)1000MPa,高(gao)比(bi)重鎢(wu)合(he)金,如93W,經(jing)形變(bian)、熱處理等強化(hua)處理后(hou),強度(du)極限一般不超(chao)過1500MPa[36]。W-Zr合(he)金在(zai)密度(du)、準靜(jing)態強度(du)指標(biao)上(shang)均(jun)不弱于(yu)當前戰(zhan)斗部的主用殼(ke)體(ti)材料(鋼及(ji)鎢(wu)合(he)金)。

盡管W-Zr合金在室溫下的破碎失效通常發生在彈性變形段,但Fu等[37]的研究顯示,當變形溫度升至618~718K之間,W/Zr基非晶復合材料的拉伸曲線中展現出明顯的“加工硬化”現象,斷裂應變率得到顯著改善。除此之外,W-Zr合金還具備優異的動態力學性能。據劉曉俊等[34]報道,在470s^-1的應變率下,W-Zr合金的抗壓強度為1060MPa,當應變率增加到1200s^-1后(hou),抗壓強(qiang)度隨(sui)之(zhi)增(zeng)加到2880MPa,失效(xiao)(xiao)應變更是提升3倍以上,展現(xian)出(chu)優良的(de)動態(tai)力學強(qiang)度以及顯(xian)著的(de)應變率(lv)效(xiao)(xiao)應。

研究顯示(shi),在高(gao)速(su)沖擊下,W-Zr合(he)(he)金存(cun)在明顯的(de)(de)(de)正應(ying)變率效應(ying)以及(ji)高(gao)速(su)摩(mo)擦溫升導致的(de)(de)(de)熱軟化效應(ying),這(zhe)使(shi)(shi)得W-Zr合(he)(he)金破片具(ju)有(you)更(geng)強的(de)(de)(de)穿(chuan)透能(neng)(neng)(neng)力(li)[38]。Shang等[22]對(dui)(dui)(dui)比(bi)了相同密度的(de)(de)(de)W-Zr合(he)(he)金與40CrNi2MoA不(bu)銹鋼對(dui)(dui)(dui)多(duo)(duo)層(ceng)靶(ba)板(ban)的(de)(de)(de)侵(qin)徹性能(neng)(neng)(neng),實驗采用二級輕氣炮將不(bu)同材(cai)料制(zhi)備的(de)(de)(de)長(chang)棒(bang)(?7mm×70mm)加速(su)至2000m/s以上速(su)度,隨后射入(ru)靶(ba)箱對(dui)(dui)(dui)多(duo)(duo)層(ceng)鋼板(ban)進行(xing)穿(chuan)甲測試。對(dui)(dui)(dui)于不(bu)銹鋼材(cai)料,其最大穿(chuan)孔直(zhi)徑(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)為長(chang)棒(bang)直(zhi)徑(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)7.9倍,損(sun)傷(shang)區域(yu)最大直(zhi)徑(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)為長(chang)棒(bang)直(zhi)徑(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)26.5倍;而W-Zr合(he)(he)金的(de)(de)(de)最大穿(chuan)孔直(zhi)徑(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)則達(da)到了長(chang)棒(bang)直(zhi)徑(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)13.2倍,接(jie)近不(bu)銹鋼穿(chuan)孔直(zhi)徑(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)2倍,受損(sun)區域(yu)最大直(zhi)徑(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)也提升至長(chang)棒(bang)直(zhi)徑(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)30.5倍,侵(qin)徹效果顯著優于不(bu)銹鋼材(cai)料。高(gao)速(su)攝像照片顯示(shi),當W-Zr合(he)(he)金以2180m/s或(huo)更(geng)高(gao)的(de)(de)(de)速(su)度撞擊多(duo)(duo)層(ceng)間隔板(ban)時,會發生劇烈的(de)(de)(de)燃燒反應(ying)。這(zhe)種(zhong)動能(neng)(neng)(neng)和化學能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)耦合(he)(he)損(sun)傷(shang)效應(ying)促使(shi)(shi)W-Zr合(he)(he)金對(dui)(dui)(dui)多(duo)(duo)層(ceng)靶(ba)產生更(geng)大的(de)(de)(de)穿(chuan)孔和損(sun)傷(shang)面積。

2.2反應釋能

2001年(nian),王樹(shu)山等(deng)[39]對(dui)93W合(he)(he)金(jin)(jin)以及W-Zr合(he)(he)金(jin)(jin)破片(pian)(pian)(pian)引(yin)燃(ran)(ran)屏蔽(bi)裝藥(yao)(yao)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)力(li)進行了測試,結(jie)果顯示,93W合(he)(he)金(jin)(jin)對(dui)屏蔽(bi)彈藥(yao)(yao)的(de)(de)(de)臨(lin)界起(qi)爆速度(du)為(wei)868.6m/s,而(er)W-Zr合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)臨(lin)界起(qi)爆速度(du)僅為(wei)733.2m/s。陳偉(wei)等(deng)[40]通(tong)過對(dui)比不(bu)同(tong)破片(pian)(pian)(pian)穿燃(ran)(ran)油(you)(you)(you)箱時(shi)的(de)(de)(de)瞬態壓力(li)、壓力(li)恢(hui)復時(shi)間和油(you)(you)(you)箱內(nei)烴氣濃度(du)等(deng)指(zhi)標,證實W-Zr合(he)(he)金(jin)(jin)破片(pian)(pian)(pian)相比于W合(he)(he)金(jin)(jin)具(ju)有(you)更加(jia)優異的(de)(de)(de)引(yin)燃(ran)(ran)縱火能(neng)(neng)力(li),并指(zhi)出W-Zr合(he)(he)金(jin)(jin)優異的(de)(de)(de)縱火能(neng)(neng)力(li)源于其更大(da)(da)的(de)(de)(de)碎(sui)片(pian)(pian)(pian)分散角(jiao)和多(duo)火點引(yin)燃(ran)(ran)。據統計,不(bu)同(tong)加(jia)載(zai)速度(du)下(xia)W-Zr合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)碎(sui)片(pian)(pian)(pian)飛(fei)散角(jiao)均大(da)(da)于90°,且加(jia)載(zai)速度(du)越快,飛(fei)散角(jiao)也相應(ying)越大(da)(da)。廣泛分布的(de)(de)(de)小(xiao)破片(pian)(pian)(pian)在摩擦力(li)的(de)(de)(de)作用下(xia)形成多(duo)個(ge)火點,引(yin)燃(ran)(ran)燃(ran)(ran)油(you)(you)(you)。徐豫新等(deng)[41]在分析W-Zr破片(pian)(pian)(pian)引(yin)燃(ran)(ran)鋼板(ban)屏蔽(bi)燃(ran)(ran)油(you)(you)(you)的(de)(de)(de)過程中也得到了相似結(jie)論,W-Zr破片(pian)(pian)(pian)在穿透鋼制油(you)(you)(you)箱后(hou),可以有(you)效引(yin)燃(ran)(ran)柴油(you)(you)(you)表面的(de)(de)(de)油(you)(you)(you)氣混合(he)(he)物,而(er)隨著Zr含(han)量(liang)的(de)(de)(de)升(sheng)高(gao),破片(pian)(pian)(pian)的(de)(de)(de)引(yin)燃(ran)(ran)能(neng)(neng)力(li)也會提升(sheng)。但是,Zr含(han)量(liang)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)卻削(xue)弱了破片(pian)(pian)(pian)的(de)(de)(de)侵徹能(neng)(neng)力(li),部分高(gao)Zr含(han)量(liang)的(de)(de)(de)W-Zr破片(pian)(pian)(pian)出現(xian)(xian)無法穿透鋼板(ban)的(de)(de)(de)現(xian)(xian)象。

W-Zr合(he)金(jin)優異的(de)(de)(de)(de)縱(zong)火特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)吸引了大(da)(da)(da)量(liang)學者對(dui)(dui)(dui)(dui)其反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)過(guo)程(cheng)及機(ji)(ji)理的(de)(de)(de)(de)研(yan)究。Ren等(deng)[42]采用高(gao)(gao)速(su)攝像記錄了W-Zr合(he)金(jin)在(zai)霍普金(jin)森桿加(jia)載下反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)全過(guo)程(cheng),如圖(tu)1所(suo)示。可以(yi)看到,W-Zr合(he)金(jin)在(zai)壓(ya)(ya)桿的(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)速(su)撞擊(ji)下破(po)(po)(po)碎(sui)(sui)(sui)(sui)成飛濺的(de)(de)(de)(de)碎(sui)(sui)(sui)(sui)片(pian)(pian)(pian)(pian)云(yun)。較(jiao)小的(de)(de)(de)(de)碎(sui)(sui)(sui)(sui)片(pian)(pian)(pian)(pian)(<100μm)與空氣(qi)充分(fen)(fen)接觸后開始燃燒并迅速(su)蔓延(yan),這(zhe)些(xie)小尺(chi)寸(cun)火球不(bu)僅可以(yi)確保(bao)對(dui)(dui)(dui)(dui)附近目(mu)標的(de)(de)(de)(de)有(you)效(xiao)破(po)(po)(po)壞,而(er)且由于(yu)(yu)顆(ke)粒(li)質量(liang)小、動(dong)能(neng)低(di)(di),殺傷(shang)半徑也(ye)會(hui)(hui)相應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)減(jian)小,從而(er)降低(di)(di)對(dui)(dui)(dui)(dui)無辜旁觀(guan)(guan)者的(de)(de)(de)(de)傷(shang)害;而(er)中等(deng)尺(chi)寸(cun)碎(sui)(sui)(sui)(sui)片(pian)(pian)(pian)(pian)(100~200μm)雖不(bu)能(neng)立刻(ke)燃燒,但是(shi)(shi)在(zai)小顆(ke)粒(li)持續燃燒熱的(de)(de)(de)(de)激發(fa)下,也(ye)會(hui)(hui)發(fa)生(sheng)燃燒放熱反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying);而(er)大(da)(da)(da)型(xing)碎(sui)(sui)(sui)(sui)片(pian)(pian)(pian)(pian)(>200μm)由于(yu)(yu)和(he)空氣(qi)的(de)(de)(de)(de)接觸面積(ji)非常(chang)小,且飛行(xing)過(guo)程(cheng)中熱量(liang)損失很大(da)(da)(da),因此(ci)在(zai)整個(ge)撞擊(ji)過(guo)程(cheng)中都不(bu)會(hui)(hui)發(fa)生(sheng)反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying),這(zhe)部分(fen)(fen)碎(sui)(sui)(sui)(sui)片(pian)(pian)(pian)(pian)主(zhu)要對(dui)(dui)(dui)(dui)目(mu)標起(qi)到機(ji)(ji)械貫穿(chuan)傷(shang)害。由此(ci)可見,W-Zr合(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)破(po)(po)(po)碎(sui)(sui)(sui)(sui)行(xing)為(wei)將(jiang)(jiang)(jiang)直接影響(xiang)后續的(de)(de)(de)(de)反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)。而(er)脆(cui)性(xing)(xing)(xing)(xing)材(cai)料(liao)(liao)(liao)在(zai)動(dong)態(tai)(tai)加(jia)載下的(de)(de)(de)(de)破(po)(po)(po)碎(sui)(sui)(sui)(sui)行(xing)為(wei)伴隨著多裂(lie)(lie)紋生(sheng)成及快速(su)擴展,除了與沖(chong)擊(ji)速(su)度、沖(chong)擊(ji)壓(ya)(ya)力相關(guan)外,還與材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)本征特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)有(you)關(guan),具有(you)較(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)復雜(za)性(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)不(bu)確定性(xing)(xing)(xing)(xing)[43]。根據張青艷[44]對(dui)(dui)(dui)(dui)于(yu)(yu)脆(cui)性(xing)(xing)(xing)(xing)材(cai)料(liao)(liao)(liao)破(po)(po)(po)碎(sui)(sui)(sui)(sui)行(xing)為(wei)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究報道(dao),脆(cui)性(xing)(xing)(xing)(xing)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)強度越高(gao)(gao),斷(duan)裂(lie)(lie)前儲存(cun)的(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)變能(neng)也(ye)會(hui)(hui)越高(gao)(gao)。而(er)更高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)變能(neng)會(hui)(hui)促(cu)使合(he)金(jin)破(po)(po)(po)碎(sui)(sui)(sui)(sui)更加(jia)充分(fen)(fen),同時碎(sui)(sui)(sui)(sui)片(pian)(pian)(pian)(pian)飛行(xing)速(su)度也(ye)越快,這(zhe)對(dui)(dui)(dui)(dui)于(yu)(yu)反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)結構材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)釋能(neng)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)是(shi)(shi)有(you)益的(de)(de)(de)(de)。因此(ci),材(cai)料(liao)(liao)(liao)本身的(de)(de)(de)(de)細(xi)觀(guan)(guan)特(te)征,如物相組成、孔(kong)洞缺(que)陷(xian)、顆(ke)粒(li)形(xing)狀、尺(chi)寸(cun)等(deng),通過(guo)影響(xiang)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)破(po)(po)(po)碎(sui)(sui)(sui)(sui)行(xing)為(wei),進而(er)影響(xiang)體系(xi)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)釋放。對(dui)(dui)(dui)(dui)于(yu)(yu)W-Zr合(he)金(jin),其燒結后的(de)(de)(de)(de)物相組成除了主(zhu)相W和(he)Zr外,還會(hui)(hui)形(xing)成W2Zr,ZrC等(deng)脆(cui)性(xing)(xing)(xing)(xing)相,加(jia)劇材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)脆(cui)性(xing)(xing)(xing)(xing)[45]。因此(ci),W-Zr合(he)金(jin)在(zai)準靜態(tai)(tai)及動(dong)態(tai)(tai)加(jia)載下的(de)(de)(de)(de)失效(xiao)行(xing)為(wei)通常(chang)是(shi)(shi)沿晶斷(duan)裂(lie)(lie)主(zhu)導(dao)的(de)(de)(de)(de)瞬間破(po)(po)(po)壞。這(zhe)種斷(duan)裂(lie)(lie)模式有(you)助(zhu)于(yu)(yu)獲得(de)尺(chi)寸(cun)更為(wei)細(xi)小的(de)(de)(de)(de)碎(sui)(sui)(sui)(sui)片(pian)(pian)(pian)(pian)云(yun),增(zeng)加(jia)與空氣(qi)的(de)(de)(de)(de)接觸面積(ji),提升反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)效(xiao)率(lv)。并且,由于(yu)(yu)燒結制(zhi)備的(de)(de)(de)(de)W-Zr合(he)金(jin)往(wang)(wang)往(wang)(wang)存(cun)在(zai)一定的(de)(de)(de)(de)孔(kong)洞缺(que)陷(xian),這(zhe)對(dui)(dui)(dui)(dui)于(yu)(yu)缺(que)陷(xian)敏感性(xing)(xing)(xing)(xing)較(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)脆(cui)性(xing)(xing)(xing)(xing)材(cai)料(liao)(liao)(liao)將(jiang)(jiang)(jiang)產生(sheng)較(jiao)大(da)(da)(da)影響(xiang)[46]。總體來看,目(mu)前關(guan)于(yu)(yu)細(xi)觀(guan)(guan)特(te)征對(dui)(dui)(dui)(dui)W-Zr合(he)金(jin)破(po)(po)(po)碎(sui)(sui)(sui)(sui)行(xing)為(wei)影響(xiang)的(de)(de)(de)(de)系(xi)統性(xing)(xing)(xing)(xing)研(yan)究較(jiao)少,喬良(liang)[47]通過(guo)將(jiang)(jiang)(jiang)細(xi)觀(guan)(guan)尺(chi)度上(shang)的(de)(de)(de)(de)沖(chong)擊(ji)壓(ya)(ya)縮響(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)與反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)熱化學模型(xing)相結合(he),初步建立起(qi)材(cai)料(liao)(liao)(liao)細(xi)觀(guan)(guan)特(te)征(顆(ke)粒(li)形(xing)狀、尺(chi)寸(cun)、分(fen)(fen)布(bu))與宏(hong)觀(guan)(guan)反(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)關(guan)聯機(ji)(ji)制(zhi),具備一定的(de)(de)(de)(de)借鑒價值。

由于合金在動態斷裂過程中,裂紋尖端的非彈性變形通常伴隨著熱量的產生[48],因此,裂紋尖端在沖擊引發過程中,實際上扮演了反應“熱點”的作用,裂紋的擴展過程可以看作是熱源在材料中的傳播過程。Ren等[42]構建了預測裂紋尖端溫度的理論模型,預測結果如圖2所示。可以看到,W-Zr合金在200s^-1以上的(de)高(gao)應變速(su)(su)率下發生撞擊(ji)破碎時,裂紋(wen)尖端溫(wen)度(du)(du)均達到(dao)450℃以上。而在(zai)空氣(qi)環境下,粒徑106μm的(de)Zr粉(fen)的(de)引燃溫(wen)度(du)(du)只(zhi)需(xu)222℃,并(bing)且,粉(fen)塵的(de)引燃點(dian)還會隨表面積的(de)增大進(jin)一(yi)步降低[49]。因(yin)此,基于(yu)模型預測得到(dao)的(de)“熱點(dian)”溫(wen)度(du)(du)遠(yuan)高(gao)于(yu)引燃Zr所需(xu)溫(wen)度(du)(du),這(zhe)使得高(gao)速(su)(su)撞擊(ji)并(bing)充分破碎的(de)W-Zr碎片云在(zai)與空氣(qi)接觸(chu)后迅速(su)(su)被(bei)引燃。

Ren等[45]采用(yong)(yong)霍普金(jin)森桿研究了元素配比對W-Zr合(he)金(jin)動態(tai)反應(ying)(ying)(ying)特性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)影響,從反應(ying)(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)宏觀(guan)效果來看,Zr占(zhan)比較高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)Zr66/W34體(ti)系,反應(ying)(ying)(ying)劇烈(lie)程度明(ming)顯超過低Zr含量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)Zr43/W57體(ti)系,說明(ming)Zr是W-Zr合(he)金(jin)反應(ying)(ying)(ying)活性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)(yao)來源(yuan)。在反應(ying)(ying)(ying)產物(wu)分析中也發現(xian)(xian)大量(liang)(liang)液(ye)滴(di)狀的(de)(de)(de)(de)(de)ZrO2顆粒,這種液(ye)滴(di)狀顆粒通常是熔融態(tai)合(he)金(jin)凝固形成的(de)(de)(de)(de)(de),說明(ming)Zr的(de)(de)(de)(de)(de)燃(ran)燒火焰溫度很(hen)可(ke)(ke)能(neng)超過了ZrO2的(de)(de)(de)(de)(de)熔點(2700℃)[50]。而W與(yu)W2Zr仍保持原有結(jie)(jie)構并(bing)未參與(yu)反應(ying)(ying)(ying)釋(shi)(shi)(shi)能(neng),再(zai)次證實(shi)W-Zr合(he)金(jin)體(ti)系的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)釋(shi)(shi)(shi)放(fang)來源(yuan)為Zr的(de)(de)(de)(de)(de)氧(yang)化。惰性(xing)(xing)組元W以及燒結(jie)(jie)過程中產生的(de)(de)(de)(de)(de)W2Zr不(bu)參與(yu)反應(ying)(ying)(ying),在一定(ding)程度上影響體(ti)系的(de)(de)(de)(de)(de)釋(shi)(shi)(shi)能(neng)表現(xian)(xian)。為進一步對W-Zr合(he)金(jin)受到沖擊(ji)(ji)后的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)釋(shi)(shi)(shi)放(fang)率進行(xing)定(ding)量(liang)(liang)分析,Zhang等[51]采用(yong)(yong)彈(dan)道槍實(shi)驗裝(zhuang)置開展了W-Zr合(he)金(jin)在不(bu)同速(su)度下的(de)(de)(de)(de)(de)打靶(ba)實(shi)驗,并(bing)基于(yu)靶(ba)箱超壓(ya)數據及一維沖擊(ji)(ji)波理論,計算了不(bu)同速(su)度下的(de)(de)(de)(de)(de)化學反應(ying)(ying)(ying)釋(shi)(shi)(shi)能(neng),結(jie)(jie)果見表2。可(ke)(ke)以發現(xian)(xian),沖擊(ji)(ji)速(su)度(沖擊(ji)(ji)壓(ya)力)在決定(ding)W-Zr含能(neng)結(jie)(jie)構材料的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)釋(shi)(shi)(shi)放(fang)特性(xing)(xing)方面起著重(zhong)要(yao)(yao)作用(yong)(yong)。隨著沖擊(ji)(ji)速(su)度的(de)(de)(de)(de)(de)加快,反應(ying)(ying)(ying)現(xian)(xian)象更加劇烈(lie),靶(ba)箱內的(de)(de)(de)(de)(de)準靜(jing)態(tai)超壓(ya)值也相應(ying)(ying)(ying)更高(gao)。在1335m/s的(de)(de)(de)(de)(de)速(su)度下,能(neng)量(liang)(liang)釋(shi)(shi)(shi)放(fang)率達到42.7%,單位質量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)釋(shi)(shi)(shi)放(fang)為3.04kJ,這一數值甚至要(yao)(yao)優于(yu)部分Al-Ni[52]及Al-PTFE[53]體(ti)系。

W-Zr合(he)金(jin)(jin)RSMs的(de)(de)(de)(de)反(fan)(fan)(fan)應特性不(bu)僅與(yu)材(cai)料(liao)(liao)本身特性及(ji)沖(chong)擊(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)速(su)度(du)(du)有關(guan),還與(yu)彈(dan)丸形(xing)(xing)狀和目標物材(cai)質有關(guan)。據Liu等(deng)[54]報道,采用同(tong)(tong)(tong)樣配(pei)比(bi)(bi)(bi)、不(bu)同(tong)(tong)(tong)形(xing)(xing)狀(立(li)方體(ti)、圓(yuan)柱形(xing)(xing)、球形(xing)(xing))的(de)(de)(de)(de)W-Zr合(he)金(jin)(jin)引燃屏蔽(bi)航空煤油(you)時(shi)(shi)(shi),立(li)方體(ti)試(shi)樣的(de)(de)(de)(de)破碎程度(du)(du)最(zui)完全,引燃效果最(zui)好,圓(yuan)柱形(xing)(xing)試(shi)樣次之,球形(xing)(xing)試(shi)樣最(zui)差。Luo等(deng)[35]則在彈(dan)道槍(qiang)實驗中發現,靶板(ban)材(cai)料(liao)(liao)、靶板(ban)厚(hou)度(du)(du)等(deng)因(yin)(yin)素對(dui)于W-Zr合(he)金(jin)(jin)反(fan)(fan)(fan)應特性有顯著影(ying)響。如圖(tu)3(a)所(suo)示,W-Zr合(he)金(jin)(jin)沖(chong)擊(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)鋼(gang)板(ban)時(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)臨(lin)界(jie)沖(chong)擊(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)速(su)度(du)(du)和板(ban)厚(hou)均要低于Al板(ban),這是因(yin)(yin)為(wei)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)密度(du)(du)大于鋁,在相(xiang)同(tong)(tong)(tong)沖(chong)擊(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)速(su)度(du)(du)下撞擊(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)鋼(gang)板(ban)產(chan)生的(de)(de)(de)(de)沖(chong)擊(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)壓(ya)(ya)力(li)更高。而當(dang)含能破片(pian)(pian)沖(chong)擊(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)相(xiang)同(tong)(tong)(tong)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)靶板(ban)時(shi)(shi)(shi),由于破片(pian)(pian)發生反(fan)(fan)(fan)應的(de)(de)(de)(de)臨(lin)界(jie)能量是恒(heng)定的(de)(de)(de)(de),因(yin)(yin)此(ci)臨(lin)界(jie)沖(chong)擊(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)速(su)度(du)(du)與(yu)板(ban)的(de)(de)(de)(de)厚(hou)度(du)(du)成反(fan)(fan)(fan)比(bi)(bi)(bi)。圖(tu)3(b)為(wei)不(bu)同(tong)(tong)(tong)配(pei)比(bi)(bi)(bi)W-Zr合(he)金(jin)(jin)(樣品A,B)在不(bu)同(tong)(tong)(tong)沖(chong)擊(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)壓(ya)(ya)力(li)下的(de)(de)(de)(de)反(fan)(fan)(fan)應釋(shi)能特性對(dui)比(bi)(bi)(bi)。可知(zhi),當(dang)沖(chong)擊(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)壓(ya)(ya)力(li)過高時(shi)(shi)(shi),靶箱(xiang)(xiang)內檢測到的(de)(de)(de)(de)能量釋(shi)放(fang)總(zong)量以及(ji)對(dui)應的(de)(de)(de)(de)能量釋(shi)放(fang)率(lv)反(fan)(fan)(fan)而可能出(chu)現降低。這是因(yin)(yin)為(wei),爆轟加載速(su)度(du)(du)過快(kuai),沖(chong)擊(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)壓(ya)(ya)力(li)超出(chu)W-Zr合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)承(cheng)載強度(du)(du)極限(xian),破片(pian)(pian)在射入靶箱(xiang)(xiang)前破碎的(de)(de)(de)(de)比(bi)(bi)(bi)率(lv)增加,導致參與(yu)靶箱(xiang)(xiang)內反(fan)(fan)(fan)應的(de)(de)(de)(de)比(bi)(bi)(bi)率(lv)降低[55],這也暴(bao)露出(chu)W-Zr合(he)金(jin)(jin)抗爆轟加載能力(li)有限(xian)的(de)(de)(de)(de)問題(ti)。

整體來看,W-Zr合(he)(he)金(jin)具有優異的(de)(de)侵(qin)徹性(xing)能(neng)(neng)以及良好的(de)(de)沖擊反應特(te)性(xing),燃燒縱火能(neng)(neng)力強(qiang),符合(he)(he)反應結構材(cai)料的(de)(de)設(she)計需求,但也(ye)(ye)存在(zai)(zai)(zai)一(yi)些問題。如W-Zr合(he)(he)金(jin)為典型的(de)(de)高強(qiang)脆(cui)性(xing)材(cai)料,其在(zai)(zai)(zai)室(shi)溫下(xia)的(de)(de)壓縮應變(bian)率(lv)(lv)通常不足1.5%,動(dong)態(tai)加載下(xia)的(de)(de)斷裂應變(bian)率(lv)(lv)也(ye)(ye)低于3%[34],在(zai)(zai)(zai)承受爆轟加載時,過高的(de)(de)脆(cui)性(xing)易(yi)導(dao)致合(he)(he)金(jin)提前破碎,消耗化學潛(qian)能(neng)(neng)。此外,釋(shi)能(neng)(neng)元素的(de)(de)單一(yi)也(ye)(ye)極大(da)限制合(he)(he)金(jin)反應特(te)性(xing)的(de)(de)提升。因此,要進一(yi)步推動(dong)W-Zr合(he)(he)金(jin)在(zai)(zai)(zai)RSMs中(zhong)的(de)(de)應用,一(yi)方(fang)面要調控合(he)(he)金(jin)的(de)(de)脆(cui)性(xing),另一(yi)方(fang)面要盡可(ke)能(neng)(neng)提升合(he)(he)金(jin)中(zhong)的(de)(de)活(huo)性(xing)組(zu)元占比(bi)。

3、W-Zr合金RSMs的性能改進

3.1脆性調控

W-Zr合金(jin)(jin)的脆(cui)性(xing)來源主(zhu)要是制備過程中(zhong)引(yin)入的脆(cui)性(xing)W2Zr及ZrC相(xiang)。根據W-Zr平(ping)衡相(xiang)圖(圖4)[27],無論W,Zr組元選用何種配比,在(zai)高溫(wen)成(cheng)型(燒(shao)(shao)結或(huo)熔煉)過程中(zhong),W2Zr的出現是難以避免的。而當前(qian)W-Zr合金(jin)(jin)的主(zhu)流制備工(gong)藝為(wei)熱壓燒(shao)(shao)結,由于燒(shao)(shao)結溫(wen)度(du)較高(1500℃及以上),一(yi)般采用高強石墨(mo)作為(wei)模具,勢必會引(yin)發Zr和C的反應形(xing)成(cheng)ZrC,加劇W-Zr合金(jin)(jin)的脆(cui)性(xing)。

針(zhen)對脆(cui)(cui)性(xing)(xing)合(he)金的(de)(de)(de)改(gai)性(xing)(xing)問題,Wiesner等[56]提出(chu)通過在(zai)脆(cui)(cui)性(xing)(xing)材(cai)料表面包覆具(ju)(ju)備較高斷裂韌性(xing)(xing)的(de)(de)(de)材(cai)料,來有(you)效阻(zu)止(zhi)脆(cui)(cui)性(xing)(xing)材(cai)料的(de)(de)(de)裂紋擴(kuo)展。基于此思想,Wang等[57]采用電沉積工藝在(zai)球狀(zhuang)W-Zr合(he)金表面鍍(du)覆Ni涂(tu)層,制備了具(ju)(ju)有(you)核殼結構的(de)(de)(de)W-Zr彈丸。在(zai)火藥爆(bao)轟(hong)驅動下(xia),未鍍(du)Ni涂(tu)層的(de)(de)(de)W-Zr彈丸在(zai)飛行過程中已(yi)經(jing)發生破碎氧(yang)化(hua)。并且,由于飛行過程中的(de)(de)(de)摩擦溫升,

碎片(pian)表面的(de)(de)(de)ZrO2薄膜在(zai)熱應力作(zuo)用下破裂,內(nei)部(bu)組分持(chi)(chi)續(xu)氧化,導致彈丸在(zai)擊中目標前已經損耗大(da)量化學能(neng)。相比之(zhi)下,鍍Ni涂(tu)層(ceng)(ceng)有效地(di)阻止了W-Zr合(he)(he)(he)金(jin)裂紋的(de)(de)(de)擴展,使彈丸在(zai)擊發、飛行的(de)(de)(de)全路徑保(bao)持(chi)(chi)結(jie)構的(de)(de)(de)完整(zheng)性(xing)(xing),免(mian)受氧化影響,從(cong)而最大(da)程度(du)保(bao)留W-Zr破片(pian)的(de)(de)(de)釋能(neng)潛力。除電沉積工藝鍍覆涂(tu)層(ceng)(ceng)外,一些(xie)學者還通過燒結(jie)工藝將(jiang)W-Zr合(he)(he)(he)金(jin)與韌(ren)性(xing)(xing)材(cai)料(liao)結(jie)合(he)(he)(he)制(zhi)備復合(he)(he)(he)反應材(cai)料(liao)。如束慶海等[58]將(jiang)W-Zr合(he)(he)(he)金(jin)作(zuo)為(wei)內(nei)層(ceng)(ceng),與含有Al粉(fen)(fen)、Ni粉(fen)(fen)及增強相粉(fen)(fen)末的(de)(de)(de)外層(ceng)(ceng)在(zai)500℃下真空燒結(jie)1h,得到了一種(zhong)外韌(ren)內(nei)脆的(de)(de)(de)復合(he)(he)(he)反應材(cai)料(liao)。

該材料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)準靜態抗壓強(qiang)度可達1500MPa,并且可有效擊(ji)穿6mm厚的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)A3鋼板,引燃屏(ping)蔽燃油。包覆韌(ren)性(xing)(xing)外(wai)殼(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)式雖(sui)然提(ti)升(sheng)(sheng)W-Zr合(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗爆轟加(jia)載能力,但(dan)并未從本(ben)質上解決W-Zr的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)脆性(xing)(xing)問題(ti)。為限制(zhi)合(he)金中(zhong)脆性(xing)(xing)W2Zr相的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng),Xing等[59]通過Factsage軟(ruan)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相圖(tu)模塊計(ji)算了1673K/0.1MPa條件(jian)下W-Ti-Zr體(ti)系的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)三(san)元平衡相圖(tu),發現Ti的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)添(tian)加(jia)可以抑制(zhi)W-Zr合(he)金中(zhong)W2Zr相的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)。當(dang)W含(han)量(liang)恒定時(shi),隨(sui)著(zhu)Ti含(han)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia),脆性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)W2Zr相逐漸消失,體(ti)系傾(qing)向于形(xing)(xing)成(cheng)簡單(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)BCC固(gu)溶體(ti)結(jie)(jie)(jie)構。隨(sui)后設(she)計(ji)制(zhi)備了5%~60%Ti含(han)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)W-Ti-Zr合(he)金,結(jie)(jie)(jie)果顯示(shi),當(dang)Ti含(han)量(liang)達到(dao)25%時(shi),合(he)金中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)WTi固(gu)溶體(ti)相完全(quan)取代W2Zr,并且與(yu)α基(ji)體(ti)形(xing)(xing)成(cheng)完全(quan)共格界(jie)面(mian)。界(jie)面(mian)結(jie)(jie)(jie)合(he)力的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)提(ti)升(sheng)(sheng)增(zeng)強(qiang)了沿相界(jie)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)裂紋擴展阻力,力學(xue)性(xing)(xing)能測試(shi)結(jie)(jie)(jie)果顯示(shi),隨(sui)著(zhu)Ti含(han)量(liang)從5%增(zeng)加(jia)到(dao)50%,W-Zr合(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)動態抗壓強(qiang)度從852MPa增(zeng)加(jia)到(dao)2361MPa,斷裂應(ying)變也從2.7%增(zeng)加(jia)到(dao)7.9%,合(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)強(qiang)韌(ren)性(xing)(xing)得到(dao)明顯提(ti)升(sheng)(sheng)。

Ti的添加抑制了W2Zr的產生,全面提升合金的強韌性,但同時也明顯降低W-Zr體系的密度。當Ti含量達到50%時,W-Ti-Zr體系的密度僅為6.36g/cm³,遠低于(yu)常規W-Zr合金(jin)(jin)。由于(yu)合金(jin)(jin)的侵(qin)徹能力與(yu)密度直接相關,因此Ti的添(tian)加(jia)雖然對W-Zr合金(jin)(jin)的強韌性(xing)(xing)有所增(zeng)益(yi),但(dan)是(shi)過(guo)度添(tian)加(jia)也會削弱破片(pian)的侵(qin)徹能力[60]。如(ru)何在維持W-Zr合金(jin)(jin)高密度、高侵(qin)徹能力的同(tong)時改善合金(jin)(jin)脆性(xing)(xing),是(shi)當前W-Zr合金(jin)(jin)制(zhi)備領域仍需(xu)進一步(bu)改進的方面。

3.2釋能改善

W-Zr合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)釋(shi)放來源(yuan)主要(yao)是(shi)Zr的(de)(de)氧化(hua)燃燒(shao)(shao),而W為(wei)惰性元素(su),一般僅作為(wei)配重組(zu)分(fen)存在(zai)(zai),這在(zai)(zai)很大(da)(da)程度(du)(du)上降低了W-Zr體系的(de)(de)整體能(neng)(neng)量(liang)(liang)密度(du)(du)[61]。在(zai)(zai)不大(da)(da)幅降低密度(du)(du)的(de)(de)前(qian)提(ti)(ti)下想(xiang)要(yao)提(ti)(ti)升(sheng)W-Zr合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)釋(shi)放特性,主要(yao)有兩種方(fang)案(an):一是(shi)W/Zr組(zu)元的(de)(de)部(bu)分(fen)替代(dai);二(er)是(shi)調控W的(de)(de)燃燒(shao)(shao)特性。對于(yu)方(fang)案(an)一,可(ke)通過適量(liang)(liang)引入一些高燃燒(shao)(shao)熱值元素(su),除了前(qian)文提(ti)(ti)及的(de)(de)Ti元素(su),Hf,Ta等高密度(du)(du)活性元素(su)也是(shi)理(li)想(xiang)的(de)(de)備(bei)(bei)選(xuan)組(zu)元。王璐瑤等[62]選(xuan)用Hf元素(su)代(dai)替部(bu)分(fen)Zr,在(zai)(zai)1553℃下真空燒(shao)(shao)結(jie)制備(bei)(bei)得到W-Zr-Hf合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)。沖(chong)擊(ji)反應實驗結(jie)果顯(xian)示,W-Zr-Hf合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)可(ke)以成功(gong)擊(ji)穿(chuan)多層靶(ba)板,動(dong)能(neng)(neng)侵徹能(neng)(neng)力優異,并且(qie)具備(bei)(bei)可(ke)觀(guan)的(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)釋(shi)放效(xiao)率。然而,Ti,Hf,Ta等元素(su)均屬于(yu)貴金(jin)(jin)(jin)屬,大(da)(da)量(liang)(liang)替代(dai)會導致原材料成本的(de)(de)大(da)(da)幅增加。

在此背(bei)景下,部(bu)(bu)分研究(jiu)者(zhe)開始(shi)聚焦于(yu)W的(de)(de)(de)(de)燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)特性(xing)(xing)調控(kong)。在很長(chang)一段時間里(li),W被視為(wei)難(nan)以參與反應(ying)(ying)(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)惰性(xing)(xing)組分,根據Wilson等[63]提出的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)慣性(xing)(xing)(kρc,k為(wei)熱(re)(re)傳(chuan)導率,ρ為(wei)密(mi)度,c為(wei)比熱(re)(re)容)衡(heng)量標準,熱(re)(re)慣性(xing)(xing)值(zhi)越(yue)高(gao)(gao),物(wu)質越(yue)不(bu)容易發(fa)生(sheng)燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)反應(ying)(ying)(ying)(ying)。W的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)慣性(xing)(xing)比Ti,Zr,Hf等活(huo)性(xing)(xing)金屬高(gao)(gao)了(le)(le)1個數量級,引燃(ran)難(nan)度明顯提升(sheng)。此外(wai),W的(de)(de)(de)(de)絕(jue)(jue)熱(re)(re)火焰溫(wen)度僅(jin)(jin)2670K,遠低于(yu)Zr和(he)Ti(4000K以上),更(geng)增加其(qi)在空(kong)氣中(zhong)自持燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)的(de)(de)(de)(de)難(nan)度[64]。但是W的(de)(de)(de)(de)惰性(xing)(xing)并(bing)(bing)(bing)不(bu)是絕(jue)(jue)對的(de)(de)(de)(de),目前國內外(wai)已(yi)有部(bu)(bu)分學(xue)者(zhe)陸續(xu)觀測(ce)并(bing)(bing)(bing)研究(jiu)了(le)(le)W的(de)(de)(de)(de)燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)反應(ying)(ying)(ying)(ying)。例如,Hertzberg等[64]在粉(fen)(fen)(fen)塵(chen)爆炸實驗中(zhong)記錄到W的(de)(de)(de)(de)燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)反應(ying)(ying)(ying)(ying),并(bing)(bing)(bing)計算了(le)(le)W粉(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)絕(jue)(jue)熱(re)(re)火焰溫(wen)度。Kwon等[65]報道(dao)了(le)(le)納米W顆粒(li)在空(kong)氣中(zhong)的(de)(de)(de)(de)燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)反應(ying)(ying)(ying)(ying),火焰溫(wen)度為(wei)(1235±80)K,說明在適(shi)當的(de)(de)(de)(de)誘發(fa)條件下,W也可以發(fa)生(sheng)燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)釋能(neng)(neng)(neng)。如Coverdill等[66]利(li)用(yong)高(gao)(gao)能(neng)(neng)(neng)球磨增大W,Zr顆粒(li)的(de)(de)(de)(de)接(jie)觸面積,制備得到組元(yuan)高(gao)(gao)度均勻且有少量固(gu)溶的(de)(de)(de)(de)W-Zr混合粉(fen)(fen)(fen)末(mo),并(bing)(bing)(bing)通(tong)過靜(jing)爆實驗證實改性(xing)(xing)W粉(fen)(fen)(fen)是可以被引燃(ran)釋能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)。Hastings等[67]通(tong)過機(ji)械(xie)合金化的(de)(de)(de)(de)方式制備了(le)(le)三元(yuan)B-Ti-W復(fu)合粉(fen)(fen)(fen)末(mo),并(bing)(bing)(bing)采(cai)用(yong)定容燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)室對其(qi)燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)特性(xing)(xing)進行評估。結果顯示,B-Ti-W復(fu)合粉(fen)(fen)(fen)末(mo)不(bu)僅(jin)(jin)具備高(gao)(gao)放熱(re)(re)、高(gao)(gao)燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)速率等優(you)點,并(bing)(bing)(bing)且在B,Ti活(huo)性(xing)(xing)組元(yuan)的(de)(de)(de)(de)催(cui)化作用(yong)下,惰性(xing)(xing)元(yuan)素(su)W也發(fa)生(sheng)快速燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)反應(ying)(ying)(ying)(ying)。這(zhe)一發(fa)現為(wei)調控(kong)W的(de)(de)(de)(de)燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)特性(xing)(xing)提供了(le)(le)新(xin)的(de)(de)(de)(de)思路,即利(li)用(yong)活(huo)性(xing)(xing)元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)催(cui)化誘導作用(yong),可能(neng)(neng)(neng)會實現W的(de)(de)(de)(de)燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)釋能(neng)(neng)(neng)。但上述(shu)工作均未將活(huo)性(xing)(xing)粉(fen)(fen)(fen)末(mo)進行燒(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)(shao)結固(gu)化,并(bing)(bing)(bing)不(bu)是真(zhen)正意義上的(de)(de)(de)(de)反應(ying)(ying)(ying)(ying)結構材(cai)料(liao)。

基于活化改(gai)性這一思路(lu),Li等[68]采用(yong)機械合(he)金(jin)化的方式將(jiang)大(da)量(liang)活性元(yuan)素(su)(Al,Zr)引入W晶(jing)格,制備W(Al),W(Zr)超(chao)飽(bao)和固溶體(ti)合(he)金(jin)粉末。在(zai)熱穩定性研究的基礎上(shang),采用(yong)Al,Zn等低熔點高(gao)燃(ran)燒熱值元(yuan)素(su)作為黏結(jie)(jie)劑,熱壓制備了一系列(lie)W基反應結(jie)(jie)構材(cai)料[69]。彈道(dao)槍實驗結(jie)(jie)果(guo)顯示,固溶改(gai)性后(hou)的W基合(he)金(jin)在(zai)高(gao)速撞擊下燃(ran)燒反應更(geng)加劇烈,靶箱超(chao)壓值更(geng)高(gao),能量(liang)釋(shi)放特性得(de)到明顯提(ti)(ti)升。同時(shi),在(zai)反應產物中檢測到大(da)量(liang)的WO3,證(zheng)實惰性元(yuan)素(su)W參與了燃(ran)燒釋(shi)能,這為W-Zr類反應結(jie)(jie)構材(cai)料的發展提(ti)(ti)供新的技術途(tu)徑。

4、結束語

W-Zr合金(jin)在反(fan)應結構材料領域展現(xian)出(chu)巨大的(de)應用潛力,經過二十余年的(de)發展,已(yi)在材料制備工藝、侵徹(che)性能、反(fan)應特(te)性以(yi)及綜合性能提升等(deng)方面取得了長足(zu)進(jin)步(bu),但仍(reng)有部分環節需(xu)要(yao)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)提升改進(jin),主要(yao)包括以(yi)下3個方面:

(1)W-Zr合(he)金的脆(cui)性改善(shan)。W/Zr基非(fei)晶(jing)復合(he)材料展現出了一定(ding)的高溫塑性變形能(neng)力,但是制備困難,大尺寸件的制備技(ji)術仍是需要(yao)攻克(ke)的技(ji)術瓶頸。

而常規W-Zr合金屬于典型的高強脆性(xing)材(cai)料,過高的脆性(xing)嚴重(zhong)影響W-Zr合金作(zuo)為結(jie)構件(jian)的加工(gong)(gong)使用。后續可以(yi)通過調整元(yuan)素(su)配(pei)比(bi)抑制脆性(xing)相生(sheng)成、添加第二相抑制裂紋擴展(zhan)、改進燒結(jie)工(gong)(gong)藝(yi)等方面提升材(cai)料塑性(xing)。

(2)W-Zr合金(jin)的(de)(de)動(dong)態變形(xing)(xing)機(ji)制(zhi)。W-Zr合金(jin)的(de)(de)反(fan)(fan)應釋能(neng)主(zhu)要來源組元在(zai)沖擊(ji)過(guo)程(cheng)中的(de)(de)氧化反(fan)(fan)應,而氧化反(fan)(fan)應的(de)(de)速度及程(cheng)度與合金(jin)的(de)(de)破(po)(po)碎行(xing)為(wei)密切相關。因此(ci)(ci),關于W-Zr合金(jin)、W/Zr基非晶復合材料在(zai)高速沖擊(ji)下的(de)(de)動(dong)態變形(xing)(xing)機(ji)制(zhi)、裂紋擴展機(ji)制(zhi)均(jun)需要進一步挖掘,并在(zai)此(ci)(ci)基礎上建立起沖擊(ji)速度-破(po)(po)碎行(xing)為(wei)-反(fan)(fan)應效率的(de)(de)邏輯關系。

(3)W的(de)(de)活(huo)化(hua)改性工藝探索及(ji)燒結(jie)工藝優化(hua)。固(gu)溶(rong)(rong)(rong)活(huo)化(hua)已(yi)被證實(shi)可(ke)以誘導實(shi)現W的(de)(de)引燃(ran),但是采(cai)(cai)用(yong)傳(chuan)統球磨方式(shi)制(zhi)備超(chao)飽和固(gu)溶(rong)(rong)(rong)體(ti)(ti)的(de)(de)周期(qi)較長,且(qie)過(guo)程(cheng)中需要添(tian)加(jia)大量過(guo)程(cheng)控制(zhi)劑,導致緩(huan)慢氧(yang)化(hua),消耗掉部分Zr的(de)(de)反應活(huo)性。因此(ci),可(ke)以嘗試(shi)采(cai)(cai)用(yong)放電等離(li)子球磨、攪拌球磨等高效(xiao)球磨工藝制(zhi)備W基超(chao)飽和固(gu)溶(rong)(rong)(rong)體(ti)(ti)。另外,超(chao)飽和固(gu)溶(rong)(rong)(rong)體(ti)(ti)合金(jin)粉(fen)末處于亞(ya)穩態(tai),熱穩定性有限,在高溫(wen)下長時間(jian)保溫(wen)難以避免會發生脫(tuo)溶(rong)(rong)(rong)析出(chu)。因此(ci),以超(chao)飽和固(gu)溶(rong)(rong)(rong)體(ti)(ti)粉(fen)末為原料制(zhi)備W/Zr基合金(jin)時,可(ke)以考慮添(tian)加(jia)活(huo)化(hua)助劑或采(cai)(cai)用(yong)放電等離(li)子燒結(jie)等工藝,以降低燒結(jie)溫(wen)度,提升燒結(jie)速率,減少溶(rong)(rong)(rong)質(zhi)元素的(de)(de)析出(chu)。

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基(ji)金項(xiang)目:國(guo)家自(zi)然科學基(ji)金(11972372,U20A20231)

收(shou)稿(gao)日(ri)期:2023-02-21;修(xiu)訂日(ri)期:2023-05-11

通訊作者:李(li)順(1981—),男(nan),教授,博士,研究方向(xiang)為金屬(shu)基復合材(cai)料(liao)及含能結構材(cai)料(liao),聯(lian)系(xi)地址:湖(hu)南省長沙市開(kai)福區東風路街道德雅路109號國防(fang)科(ke)技大(da)學空(kong)天科(ke)學學院材(cai)料(liao)科(ke)學與(yu)工(gong)程系(xi)(410073),E-mail:

linudt@163.com;唐宇(1983—),男,教授,博士,研究方向為高熵合(he)金及其武器化應(ying)用,聯系地址(zhi):湖南(nan)省長沙(sha)市開福區(qu)東風(feng)路(lu)街道德雅路(lu)109號國防科技大學(xue)(xue)空天(tian)科學(xue)(xue)學(xue)(xue)院材料科學(xue)(xue)與工程系(410073),E-mail:tangyu16@nudt.edu.cn