CN111570789A

CN111570789A - 钨铜音速梯度药型罩制备

Info

Publication number: CN111570789A
Application number: CN202010474401.6A
Authority: CN
Inventors: 林加剑; 王朝成; 韦天下
Original assignee: Anhui University
Current assignee: Anhui University
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2020-08-25

Abstract

本发明提供了一种钨铜音速梯度药型罩制备技术，该技术综合运用化学镀铜法和热压成型法，结合具体钨铜音速梯度要求，制备出一种钨铜音速梯度药型罩。本发明所采用的技术及具体实施工艺，避免了技术背景所述其它方法中存在的钨铜分布不均问题，制备出一种满足音速梯度要求的药型罩。采用本发明所制备的钨铜音速梯度药型罩，可根据所需音速梯度分布进行调整，大大改善了过去制备方法中钨铜音速梯度分布难以控制的局限，拓宽了音速梯度材料制备的制备方法，适用范围广。

Description

钨铜音速梯度药型罩制备

技术领域

本发明涉及爆炸成型弹丸战斗部领域，药型罩是爆炸成型弹丸的关键部件之一，具体为一种钨铜音速梯度药型罩的制备。

背景技术

药型罩一直是爆炸成型弹丸领域的研究重点之一，科研人员致力于寻找一种高音速、高密度、良好的导热性以及高动态延伸率的药型罩材料。国内外先后开展了钽、钼、钨、镍、贫铀等高密度单金属药型罩的研究，并取得了丰富的研究成果。随着研究的深入，钨铜、钨镍铁、铀铌、贫铀等合金材料相继应用于药型罩上。钨铜药型罩具有钨的高强度、高硬度、低膨胀特征，又具有铜的高塑性、高导热性能，被广泛的应用于各类不同聚能装药结构中。由于钨和铜之间无合金相且互不固溶，晶粒分布均匀的合金组织难以制备。目前制备钨铜合金的主要方法有爆炸压实/扩散烧结法、等离子放电烧结、一步烧结、多胚料挤压、真空等离子喷涂法等。

钨铜音速梯度材料是一种新型非均质功能梯度材料，该材料的一端是纯钨或富钨层，具有高硬度、高溅射阈值、高熔点和低热膨胀系数，另一端是纯铜层或富铜层，具有高电导率、高热导率和良好的延展性。钨铜功能梯度材料最初被作为导弹的喷管喉衬应用于军工领域中，所采用的制备方法为熔渗法，即以钨粉为原料，先分层冷预压成型，然后烧结制备出多孔钨骨架，再采用毛细法渗铜制得钨铜功能梯度材料。

钨铜材料由于兼具钨的高密度（19.2g/cm3）及铜的良好延展性，成为最具前景的药型罩材料之一。蒋建伟采用机械摩擦结合的钨铜复合材料作为药型罩，基于虚拟原点法提出了钨铜复合材料的侵彻模型；刘麒峰设计了三种复合药型罩，分别是内罩为铜外罩为钨复合罩，内罩为钨外罩为铜复合罩，以及爆炸压实W-Cu纳米合金药型罩；沈兆武采用机械合金化方法制备了一种钨铜药型罩，并对其侵彻性能进行了实验研究，与紫铜药型罩相比侵彻深度提高了45%；王占磊采用爆炸烧结法制备了钨铜药型罩，并开展了静破甲实验研究，与紫铜药型罩相比侵彻深度提高了31.8%；张孝全利用超细钨铜复合粉制备药型罩，采用锻造的方法提高钨铜的烧结密度，锻造后其致密度达到98.2%理论密度。

目前钨铜合金制备方法多为钨粉与铜粉混合，再通过机械合金或烧结。由此可以看出，钨铜合金的制备方法制约着其在药型罩应用领域的进一步发展。

随着钨铜功能梯度材料制备的发展，钨铜之间的润湿性也大大提高，Zangench采用化学镀铜的方法在粗钨颗粒表面镀Ni/Ni-P包覆层，然后再利用熔渗法制备了钨铜镍合金，合金的组织分布均匀，致密度与无镀层相比提高了10%；化学镀铜的反应本质是氧化还原，采用五水合硫酸铜配置成氧化性镀液，然后加入适量还原剂，使镀液中的铜离子沉积在具有催化活性的基体表面，最终得到具有一定厚度的铜镀层。化学镀铜工艺经过几十年发展越来越成熟，已经作为表面处理工艺中的一种极其重要的技术被广泛的应用于各个领域。

本发明采用化学镀铜法制备铜包覆3μm直径钨颗粒，在钨颗粒表面上均匀致密的涂覆铜离子，涂覆后的钨颗粒使得钨-铜烧结模式转化为铜-铜烧结模式。该发明解决了钨铜之间界面结合强度问题，也避免了钨铜密度差异导致的混合不均匀问题。在此基础上，采用热压法将涂覆铜后的钨颗粒制作成不同音速梯度钨铜材料，最后通过机加工完成药型罩的制备。此种新型音速梯度药型罩把钨铜各自不同的物理性能充分融合在一起，综合了钨和铜的优点，又具备一定的音速梯度特征。

发明内容

本发明采用化学镀铜与热压制备相结合的方法，得到一种新型钨铜音速梯度材料。该材料具有完整均匀的铜网格结构，原始梯度结构保存完好，易于机械加工。钨铜音速梯度材料充分发挥出钨铜各自的本征物理特性，结合了两者的优点，弥补了各自的缺点，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

采用化学镀铜法制备铜包覆钨粉，得到不同铜含量的钨铜粉；W粉预处理时，需将W粉放入含有氢氟酸（HF）、硝酸（HNO₃）和氟化铵（NH₄F）的预处理溶液中。整个预处理过程在超声波清洗机中进行，确保W粉分散均匀。预处理之后采用蒸馏水（或乙醇）进行清洗，之后选择合适的温度进行烘干。将化学镀铜法得到的钨铜粉分层叠压，采用热压烧结法得到不同分层结构的钨铜音速梯度材料。分层预压时，应在氢气（H₂）保护气氛的管式烧结炉中进行还原，这一工艺主要防止化学镀铜和烘干过程中Cu层被氧化。之后采用压力机将各层粉末分层预压成型，根据所需梯度预压成不同分层的钨铜梯度材料。预压成形时，需采用高强度石墨模具，在与烧结体相接触的地方涂抹氮化硼，并在模具底部铺上一层石墨片。压制成形后放入热压炉，在高纯氩气保护下进行烧结致密化，最后，采用机加工方法将钨铜音速梯度材料制成所需试验试件和音速梯度药型罩。

所述的W粉直径为3µm，但不局限于3µm，具体W粉直径可根据所需音速梯度分布，进行科学合理调整。

所述W粉预处理溶液含有氢氟酸（HF）、硝酸（HNO₃）和氟化铵（NH₄F），其含量比例视具体W粉进行微调。

所述超声波均匀分散方法，并不局限于超声波一种方法，可根据实际W粉分散均匀效果及所处理W粉质量大小而采用其它震动均匀分散法。

所述预压分层法，可根据具体分层数及钨铜含量不同，采用相应的压力。

所述烧结法，其烧结环境不局限于氢气保护的保护气氛，其烧结温度并不局限于1065℃，烧结温度视钨铜分层及钨铜含量不同进行科学合理调整。

所述的机加工包含人工加工与数控加工。

所述钨铜音速梯度药型罩制备方法，不局限于W粉和铜粉，其它具有类似化学物理性质的金属材料仍可采用该方法进行制备。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的关键在于提出了综合化学镀铜法和热压成型法，根据具体钨铜音速梯度要求，制备一种钨铜音速梯度药型罩。从而避免了技术背景所述其它方法中存在的钨铜分布不均问题。

本发明所制备的钨铜音速梯度药型罩，可根据所需音速梯度分布进行调整，大大改善了过去制备方法中的钨铜梯度分布难以控制的局限，拓宽了音速梯度材料制备的制备方法。

附图说明

图1为本发明的钨铜化学镀铜法镀铜示意图、本发明所采用的钨粉直径为3µm。

图2为本发明的钨铜化学镀铜法不同含量示意图，本发明所采用的钨粉含量分别为80%、60%、40%、20%，所对应的铜粉含量分别为20%、40%、60%、80%。

图3为本发明的热压烧结法所采用的分层方法，自上而下根据不同钨铜含量进行分层，底层为铜粉。

图4为本发明热压烧结法所得到的钨铜音速梯度材料，自上而下根据不同钨铜含量进行分层，底层铜基底采用机加工方法进行切削，也可根据具体应用场合保留铜基底。

图5为本发明在热压烧结法所得到的钨铜音速梯度材料基础上，采用机加工方法得到的钨铜音速梯度药型罩。

具体实施方式

为了使本发明的实现技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1～5所示：

一种钨铜音速梯度药型罩的制备，制备工艺包括化学镀铜、热压烧结和机加工。所选择的钨粉直径为3µm，先对钨粉进行预处理，采用化学镀铜法制备铜包覆钨粉，得到不同铜含量的钨铜粉。W粉预处理时，需将W粉放入含有氢氟酸（HF）、硝酸（HNO₃）和氟化铵（NH₄F）的预处理溶液中。

整个预处理过程在超声波清洗机中进行，确保W粉分散均匀。预处理之后采用蒸馏水（或乙醇）进行清洗，之后选择合适的温度进行烘干。

将化学镀铜法得到的钨铜粉分层叠压，采用热压烧结法得到不同分层结构的钨铜音速梯度材料。分层预压时，应在氢气（H₂）保护气氛的管式烧结炉中进行还原，这一工艺主要防止化学镀铜和烘干过程中Cu层被氧化。

采用压力机将各层粉末分层预压成型，根据所需梯度预压成不同分层的钨铜梯度材料。预压成形时，需采用高强度石墨模具，在与烧结体相接触的地方涂抹氮化硼，并在模具底部铺上一层石墨片。

压制成形后放入热压炉，在高纯氩气保护下进行烧结致密化，最后，采用机加工方法将钨铜音速梯度材料制成所需试验试件和音速梯度药型罩。

参见附图1，一种钨铜音速梯度药型罩的制备，制备工艺包括化学镀铜、热压烧结和机加工。所选择的钨粉直径为3µm，先对钨粉进行预处理，采用化学镀铜法制备铜包覆钨粉，得到不同铜含量的钨铜粉。W粉预处理时，需将W粉放入含有氢氟酸（HF）、硝酸（HNO₃）和氟化铵（NH₄F）的预处理溶液中。

参见附图2，将化学镀铜法得到的钨铜粉分层叠压，采用热压烧结法得到不同分层结构的钨铜音速梯度材料。分层预压时，应在氢气（H₂）保护气氛的管式烧结炉中进行还原，这一工艺主要防止化学镀铜和烘干过程中Cu层被氧化。

参见附图3，采用压力机将各层粉末分层预压成型，根据所需梯度预压成不同分层的钨铜梯度材料。预压成形时，需采用高强度石墨模具，在与烧结体相接触的地方涂抹氮化硼，并在模具底部铺上一层石墨片。

参见附图4，压制成形后放入热压炉，在高纯氩气保护下进行烧结致密化，最后，采用机加工方法将钨铜音速梯度材料制成所需试验试件和音速梯度药型罩。

参见附图5，压制成形后放入热压炉，在高纯氩气保护下进行烧结致密化，最后，采用机加工方法将钨铜音速梯度材料制成所需试验试件和音速梯度药型罩。

实例1

钨铜音速梯度药型罩，本实例所采用的钨粉含量分别为80%、60%、40%、20%，所对应的铜粉含量分别为20%、40%、60%、80%。制备工艺包括化学镀铜、热压烧结和机加工。本实例所选择的钨粉直径为3µm，先对钨粉进行预处理，采用化学镀铜法制备铜包覆钨粉，得到不同铜含量的钨铜粉。W粉预处理时，需将W粉放入含有氢氟酸（HF）、硝酸（HNO₃）和氟化铵（NH₄F）的预处理溶液中。将化学镀铜法得到的钨铜粉分层叠压，采用热压烧结法得到不同分层结构的钨铜音速梯度材料。分层预压时，应在氢气（H₂）保护气氛的管式烧结炉中进行还原，防止化学镀铜和烘干过程中Cu层被氧化。本实例所得到的音速梯度药型罩，其音速梯度为四梯度型，但不局限于四梯度型药型罩。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.本发明采用化学镀铜与热压制备相结合的方法，得到一种新型钨铜音速梯度材料，该材料具有完整均匀的铜网格结构，原始梯度结构保存完好，易于机械加工，钨铜音速梯度材料充分发挥出钨铜各自的本征物理特性，结合了两者的优点，弥补了各自的缺点。

2.根据权利要求1所述的一种新型钨铜音速梯度药型罩，其特征在于：药型罩自上而下呈音速梯度分布，其音速梯度层数根据实际使用情况而定，可以是两层，也可以是大于等于两层。

3.根据权利要求1所述的一种新型钨铜音速梯度药型罩，其特征在于：所选材料为钨粉，也可为其它可用于化学镀铜法的金属粉末，所选钨粉的直径为3µm，但不局限于3µm，也可用于其它直径的钨粉或可镀铜的金属粉。

4.根据权利要求1所述的一种新型钨铜音速梯度药型罩，其特征在于：综合采用化学镀铜法、热烧结法和机加工法，所采用的方法及工艺，选材料为钨粉，也可为其它可用于化学镀铜法的金属粉末，所选钨粉的直径为3µm，但不局限于3µm，也可用于其它直径的钨粉或可镀铜的金属粉。