战斗部用钨合金材料现状及发展状况

袁书强，张保玉，陈子明，尚福军（北方材料科学与工程研究院宁波所，浙江宁波315103）

战斗部用钨合金材料现状及发展状况

袁书强，张保玉，陈子明，尚福军
（北方材料科学与工程研究院宁波所，浙江宁波315103）

摘要：钨合金材料由于独特的性能特点如高密度、高熔点、高强度、良好的机械加工性，使其在各种战斗部材料中得到广泛应用。从钨合金基础研究和应用研究两方面报告了国内外钨合金材料研究现状和应用进展；从穿甲弹、火箭弹和炮弹、药型罩三种战斗部介绍了战斗部用钨合金材料国内外的应用研究现状和亟待解决的技术难点，重点介绍了各种战斗部对钨合金材料的性能要求；最后对战斗部用钨合金材料未来发展趋势进行展望，未来战斗部用钨合金穿甲性能和破甲性能的提升将更多依靠对钨合金材料力学性能和侵彻、穿甲过程的理论研究。

关键词：钨合金；战斗部；性能

战斗部是弹箭武器实现杀伤破坏敌方武器装备、设施及有生力量的十分重要的部件。高效毁伤战斗部包含先进战斗部结构设计、先进装药及先进高效毁伤战斗部材料及其制造工艺等技术，目标是使战斗部实现高破片率杀伤破坏能力、高侵彻能力和高爆轰威力。其中，与弹体（壳体）、弹芯、药型罩等战斗部零部件密切相关的高效毁伤战斗部材料及其制造工艺技术是获得高效毁伤战斗部的十分重要的技术基础。

1　战斗部材料及其毁伤机制

由于毁伤的目标不同、发射平台不同、采取的毁伤方式不同、毁伤目标的费效比不同，因此对战斗部材料提出了多样的要求。按发射平台划分，战斗部可以分为炮弹、火箭弹、航空炸弹和导弹等。按毁伤方式划分，战斗部可以分为破片型、侵彻型、聚能型和功能型。破片型战斗部主要依靠破片的高速碰撞、引燃和引爆作用毁伤目标，使用材料主要有高破片率钢、钨合金；侵彻型战斗部依靠弹芯的高速动能侵彻毁伤目标，使用材料主要有钨合金、铀合金、钨丝增强锆基非晶复合材料；聚能型战斗部依靠聚能效应产生的高速连续射流毁伤目标，使用材料主要有紫铜、纯铁、钽、钼、铝、钨铜复合材料、金属玻璃等；功能型战斗部依靠主要依靠爆轰效应毁伤目标，使用材料主要有铝热剂、钨锆合金、金属-有机聚合物、块体非晶合金等。

钨合金是一种以钨为基体，加入镍、铁、铜、钴、锰等合金元素组成的合金，形成钨颗粒和粘结相复合结构。同其他战斗部材料相比，由于钨合金具有密度高（16.0~18.8 g/cm3）、熔点高（3 410℃）、强度高（锻造态钨合金强度可达1 700 MPa）、塑性好、良好的机加工性能、良好的导电性、导热性和低的热膨胀系数、制备成本较低、加工工艺简单等优点，在战斗部材料各方面得到广泛应用。

2　国内外钨合金发展现状

在钨合金基础研究方面，国外研究者在穿甲机理、绝热剪切机理、超细晶钨合金、性能表征等方面研究逐步深入，取得重要进展。在钨合金力学性能研究上，美国R. M. German[1]提出钨合金的强度和塑形与钨合金的接触性直接相关，这是由于钨颗粒和钨颗粒之间界面是钨合金材料各种界面中的最薄弱环节。German指出通过合金化改变钨颗粒和粘结相的二面角可以改善钨颗粒、粘结相之间的界面结合性能，提升钨合金的强度和塑形。通过不同工艺处理也可以达到改变钨颗粒和粘结相的二面角，提升钨合金力学性能目的。G. Pradhu等[2]人对比微波烧结和液相烧结两种工艺发现，微波烧结钨合金的拉伸和冲击性能更好，微观组织观察发现微波烧结可以得到更好的钨颗粒和粘结相界面结合性能。U. R. Kiran 等[3]人提出影响钨合金塑形主要因素有粘结相体积分数、粘结相平均自由程、粘结相、钨颗粒接触度，而解理断裂程度决定钨合金的拉伸强度。

在战斗部用钨合金应用方面，A. A. N. Nemeth 等[4]人发现粗晶粒钨合金韧脆转化时对应变速率不敏感，而超细晶钨合金对应变速率不敏感。Nemeth认为粗晶粒钨合金韧脆转化由螺型位错移动控制，而超细晶钨合金韧脆转化时可能与刃型位错移动有关。麻省理工学院的Z. C. Cordero等[5]人使用球磨后快速放电等离子烧结方法制备晶粒度130 nm的超细晶钨合金硬度可达12GPa，动态冲击强度4.14 GPa。S. Giusepponi等人[6]利用分子动力方法对纯钨的拉伸强度进行计算，得到纯钨的理想强度26.8 GPa，最大应变25 %。

国外穿甲弹芯用新型钨合金材料力学性能有了大幅度提高；大长细比、大长度弹芯制造技术有了长足的进步；提高钨合金穿甲效率（自锐性能）以取代贫铀的研究工作取得重大进展；攻击深埋目标穿甲战斗部由钨芯向全钨合金弹发展，并形成了与穿甲弹用钨合金不同的成分和性能体系。此外，钨合金材料在破甲药型罩、小口径穿甲弹等方面的研究不断深入，应用范围不断扩大。

国内钨合金研究始于20世纪60年代，目前国内钨合金的主要研究机构有中南大学的粉末冶金研究院、北京有色金属研究院、北京钢铁研究院、北方材料与工程研究院等。国内研究最多、使用最广的钨合金体系主要是钨镍铁、钨镍铜两大体系。在钨合金基础研究方面，国内在钨合金强化机理和合金化提升钨合金性能方法进行了大量研究工作，其中尤以中南大学做的较为系统深入。在战斗部钨合金应用方面，北方材料与工程研究院完成了较多的研究工作。国内钨合金研究主要集中于制备加工工艺和合金化对钨合金力学性能影响研究。在制备方法主要是应用微波烧结[7]、放电等离子烧结[8]快速制备钨合金，重点研究烧结温度、烧结时间、升温速率对钨合金微观组织、力学性能的影响。在加工工艺方法上，锻造[9]、轧制[10]、旋锻、挤压被用来改善钨合金的力学性能，同时研究退火温度对形变后钨合金组织性能的影响。在钨合金合金化方面，添加稀土元素La、Ce、Y 等[11]和氧化物ThO2、Y2O3等[12]利用其抑制晶粒长大、减少界面偏析改善钨合金组织和力学性能。20世纪80年代以来，我国现役穿甲弹用钨合金材料技术水平基本保持和先进国家同步；预研工作取得的重大进展，使我国新型钨合金材料力学性能水平跃上一个新的台阶，进入国际先进水平行列。在战斗部钨合金研究中，高强韧钨合金的性能水平和变形强化工艺国内外基本在同一水平；制造大长细比、大长度弹芯的工艺水平国内外基本同步；在攻击硬目标战斗部用钨合金方面国内虽然已经进入型号应用阶段，但是基础研究工作远远落后于国外。

3　战斗部用钨合金材料的发展趋势

穿甲弹、火箭弹和炮弹、药型罩三种战斗部用钨合金材料是国内外研究者的研究热点，综述三种战斗部用钨合金材料的研究现状，为解决应用中的技术难点提供有益的思路。

3.1穿甲弹用钨合金

大长细比穿甲弹主要应用于各类坦克弹、反坦克炮穿甲弹、高速动能导弹、战术导弹战斗部中的钨箭弹等。目前主战坦克使用的125 mm穿甲弹具有良好的穿甲侵彻能力。为了实现大穿甲深度、高穿甲效率的穿甲弹，穿甲弹用钨合金材料需要具备以下性能：高强度，较好的塑形、韧性，容易加工成为大长度、大长细比弹芯，较好的终点弹道威力，可接受的成本。高强韧钨合金由于变形过程中容易加工硬化，存在绝热剪切速度过高，无法实现“自锐性”难题。制备超细晶高强韧钨合金是有效降低钨合金绝热剪切速度的途径之一，所以超细晶钨合金成为目前钨合金研究热点。此外通过热等静压和热扭等工艺也可以改善钨合金的绝热剪切敏感性。

硬目标侵彻技术是指灵敏引信（预编程式和自激发式），侵彻威力远大于GBU-27，113.4~1020.6 kg（内装），高能炸药，可摧毁核、化学和生物目标，先进的杀伤机制，B-1、B-2、F-117、F22内部可携带，F-111、F-15E、F16、F18外部可携带，与精确制导概念兼容GUB-39/B小口径炸弹，壳体材料为钢，壳体质量为72.57 kg，可以侵彻1.8 m厚钢筋混凝。美空军部估计至少需113.4 kg、453.6 kg、907.2 kg 3种机载穿甲弹，期望的穿深大于6 m钢筋水泥，机载弹的长度限制为2.34~2.49m，长细比为10左右。目前，美国已研制的钢深侵彻战斗部侵彻速度可达1800m/s，侵彻混凝土的深度可达12 m左右；正在研制的侵彻战斗部的最大撞地速度可达2 130~2 440 m/s左右，侵彻混凝土的深度可达18 m左右。

攻击深埋目标穿甲弹穿甲机理为刚性穿甲与侵彻性穿甲，对钨合金材料的需求钨含量80 %~90 %。兼顾韧性需求和工艺可行性，韧性应高于坦克炮穿甲弹用钨合金，无缺口冲击功大于320 J，攻击深埋目标要求待定；强度1 379 MPa以上，目标强度1 600 MPa以上，如弹的冲击速度越高则强度需求越高；可接受的材料成本（含制备费）在40美元/kg左右。

目前需攻克的材料技术难题有：大尺寸坯料的成型，为提高韧性优选适当的成分（钨含量、基体成分），钨合金材料的焊接，伴随着大坯料制备而产生的其他设备和工艺问题。大尺寸坯料的烧结过程中，液相烧结时钨含量小于90 %易出现坍塌，宜采用固相烧结技术。

旋转稳定脱壳穿甲弹主要用于中小口径速射武器，一般需要钨合金具有高钨含量（95~97 W）、高密度。多数弹种对材料力学性能要求不高，防空反导易碎弹采用更脆的钨合金增加杀伤后效，用于对付重型反舰巡航导弹的弹丸对力学性能有较高要求。

3.2火箭弹、炮弹战斗部用钨合金

在火箭弹发射平台，美国、俄罗斯、以色列及塞尔维亚主要开展400 mm、300 mm、227 mm和160 mm口径制导火箭弹、无控火箭弹研制，中国也开展了300 km、600 km制导火箭弹、无控火箭弹研制。

国产卫士-2火箭弹双用途子母弹战斗部、杀爆弹战斗部杀伤破片（含钢珠）数等有效杀伤半径大于100 m以上的战斗部广泛使用钨合金材料，随着钨资源的日益枯竭，提高钨球、钨柱的侵彻能力，降低单枚战斗部钨合金的用量是一项迫切需要解决的问题。

目前在炮弹发射平台，美国、以色列和伊朗等国家十分重视155 mm制导炮弹研究，中国也在进行基于北斗的155 mm制导炮弹研究，并在152 mm炮射导弹基础上开发了155 mm炮射导弹。美国海军启动了能用常规舰炮和电磁导轨炮发射的高超声速炮弹研究计划，并继续发展远程对陆攻击炮弹项目，成功完成炮弹的制导飞行测试；意大利则继续推进127 mm、76 mm“火山”舰炮弹药的研制工作；中国在155 mm榴弹、125 mm榴弹等也采用钨破片毁伤7～10 m内装甲车辆。

3.3药型罩用钨材料

药型罩材料是药型罩产生聚能效应，生成高速射流的关键。根据侵彻流体动力学理论，金属射流侵彻深度正比于射流长度和材料密度的平方根。所以药型罩材料应具备高密度、高声速、良好塑形等特点。药型罩用钨材料成分系包括W、W-Ni-Fe和WNi-Cu等。钨合金药型罩优点是高的射流头部速度及高的密度，高速射流可使反应装甲效能降低；缺点是射流总长度较低，且对径向扰动敏感。吕翠翠等[13]人的W-Ni-Fe合金药型罩静穿甲试验也表明，钨合金药型罩可以形成高速塑形射流，破孔孔径大但是穿深较低。廖莎莎等[14]人测试了钨铜药型罩在水介质中穿甲性能，试验发现钨铜药型罩形成的射流速度要比紫铜射流略高，等壁厚时形成的射流孔径更细，侵彻能力更深。Bai X[15]等比较了W，W-Ni-Fe和W-Cu三种不同合金药型罩的穿甲性能发现，W-Cu合金的穿甲性能最好。分析认为这是由于Cu和W、Fe都不反应生成金属间化合物，熔融铜液可以在射流和靶板界面起到润滑作用所致。目前钨及钨合金用于破甲药型罩的研究仍在继续。

4　结　语

由于钨合金材料在战斗部材料得到广泛应用，如何设计钨合金的特定性能和相关制备工艺时钨合金适合特定战斗部材料性能是目前该领域的研究难点和热点。解决这一难题，制备加工工艺研究和基础理论研究是两个主要解决途径。

（1）通过改进制备工艺或者同通过大变形调控钨合金的组织仍然是提升钨合金材料力学性能的主要手段。通过放电等离子烧结技术制备超细晶高强韧钨合金，通过锻炼、旋锻等大变形手段得到纤维状钨合金可以有效改善其绝热剪切敏感性，提升其力学性能和穿甲性能。

（2）未来战斗部用钨合金穿甲性能和破甲性能的提升更多依靠对钨合金材料力学性能和侵彻、穿甲过程的理论研究。目前国内钨合金基础研究与国外差距较大，对于侵彻、穿甲过程的认识尚不能有效指导今后钨合金材料性能设计，这些在未来很长一段时间内都是战斗部用钨合金主要的研究方向。

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Current Status and Development of Tungsten Alloys Using in Warheads

YUAN Shu-qiang, ZHANG Bao-yu, CHEN Zi-ming, SHANG Fu-jun
(Ningbo Branch, China Northern Institute for Materials Science and Engineering, Ningbo 315103, Zhejing, China)

Abstract:Tungsten alloys have been widely used in synthesizing warheads due to their unique mechanical properties such as high density, high melting temperature, high strength and good machinability. First, the current research status and application progress of tungsten alloys were introduced in theoretical and applied research; then applied status and unsolved problems of tungsten alloys used in warheads were summarized from tungsten alloy penetrator, rocket, projectile and shaped charge liner. The property demands of tungsten alloys in warheads were emphatically introduced. And the future development trend of tungsten alloys in warheads was projected.

Key words:tungstenalloys;warhead;properties

DOI：10.3969/j.issn.1009－0622.2015.02.010

作者简介：袁书强（1961-），男，内蒙古包头人，研究员，主要从事金属材料开发和应用研究。

收稿日期：2014-12-27

文献标识码：A

中图分类号：TF125.2+41；TJ410.3+3