多功能复合钨合金的电场辅助循环烧结及其动态力学行为

This project regards W-Ni-Fe heavy alloy as the research subject. Multifunctional W-Ni-Fe heavy alloy composite (toughened tungsten heavy alloy combined with fragile tungsten heavy alloy) with excellent comprehensive performance will be prepared by cyclic electric field assisted sintering technique. The study focuses on composition design of W-Ni-Fe alloy with high comprehension properties, effect and mechanism of external electric field on densification and microstructure evolution, and dynamic mechanical behavior and failure mechanism of the prepared W-Ni-Fe alloy composite. The effect mechanism of electric field, alloying elements and additive phases on densification and microstructure improvement during heat treatment will be investigated in detail. Then, the influences of composition and processing parameters on the dynamic mechanical properties of the W-Ni-Fe alloy composites will be clarified. Finally, the material composition and preparation technique will be determined by optimization, which will supply a theoretical guidance for fabrication of high-density tungsten alloy with excellent comprehensive performance. The project implementation is not only beneficial to reveal the densification mechanism and microstructure improvement under the action of an electric field, but also create a new way to prepare high-density alloys or parts with high comprehensive properties and then extend the application of high-density alloys.

本项目以高密度W-Ni-Fe合金为研究材料对象，以探索多功能复合W-Ni-Fe合金（高强韧钨合金与易碎钨合金复合）的电场辅助循环烧结技术（粉末烧结与合金热处理一体化）为研究主线，以具有优异综合力学性能的W-Ni-Fe合金的成分与组织设计、电场作用下的粉末烧结机理和合金热处理组织变化规律及机理、复合钨合金的动态力学行为与失效机理为核心研究内容。重点研究电场、合金元素和添加相在粉末烧结和合金热处理过程中的作用机理，进而明确材料成分、制备工艺参数对复合W-Ni-Fe合金动态力学性能的影响规律，优化成分和制备工艺，为多功能高密度钨合金的制备提供理论依据。本项目的实施不仅有利于揭示电场对粉末固结成形和合金组织变化的作用机理，还可为高综合性能、高密度钨合金材料及零件的制备探索新途径，并拓宽高密度合金的应用范围。

高密度钨合金因无放射性污染，在国防工业中被认为是取代贫铀合金作为动能穿甲弹弹芯而最具潜力的候选材料。传统液相烧结钨合金由于钨晶粒粗大，其穿甲威力比具有相同密度的贫铀弹低10%~20%。形变强化可在一定程度上提高钨合金的穿甲性能，但材料利用率低、加工成本高和工件表面极易开裂等，限制了其在国防工业中的扩大应用。细晶强化被证明是改善钨合金动态力学性能（即穿甲性能）的最有效途径，也是目前高密度合金领域的前沿热点。随着现代装甲技术的日益强化，弹芯材料在保证足够高的穿透能力的同时要求具有一定的易破碎功能，从而提高其对装甲材料的侵彻和二次毁伤效果。为此，本项目通过成分、组织与结构设计及电场辅助循环烧结新技术将细晶高强韧钨合金与高硬易碎钨合金相结合，有效避免两部分功能体之间的界面结合以及材料化学性能差异所带来的烧结和成形等问题，制备了兼具不同力学性能的复合材料以提高其对装甲材料的侵彻和二次毁伤效果。本项目通过深入研究烧结温度、加热速率、保温时间以及循环道次等烧结和热处理工艺参数对复合钨合金的组织与力学性能的影响规律，探索了电场和氧化铝陶瓷颗粒在粉末烧结和合金热处理过程中的作用机理，明晰了烧结过程中的粉末致密化和晶粒长大机制以及合金热处理过程中的组织演变规律；研究了复合钨合金动态加载条件下的力学行为和变形/断裂机理；最后优化制备工艺，获得了优异综合性能的多功能复合钨合金。本项目研制的复合钨合金材料的各项性能指标均达到预期。本项目不仅有助于丰富和发展外场作用下的粉末烧结理论，而且对钨合金弹芯材料的设计和开发具有积极的指导意义，将为高综合性能的高密度合金材料提供制备新途径，并拓宽其应用范围。