流动温压成形射孔弹药型罩的研究

谢 湛,付代轩,罗宏伟,赵世华,杜明章

(四川石油射孔器材有限公司,四川隆昌642177)

流动温压成形射孔弹药型罩的研究

谢 湛,付代轩,罗宏伟,赵世华,杜明章

(四川石油射孔器材有限公司,四川隆昌642177)

采用一定比例的粘结剂并尝试利用流动温压成形结合熔渗制备射孔弹药型罩。通过改变钨(W)骨架中Cu粉类型(雾化Cu粉,电解Cu粉,超细Cu粉)、粘结剂添加量和成形温度,考察不同工艺参数对杯状试样的密度分布影响,获得流动温压成形药型罩钨骨架的最佳工艺。结果表明,添加了超细Cu粉和35%(体积分数)粘结剂的混合粉末在55℃时成形的钨骨架孔隙分布最均匀,该骨架在1 200℃熔渗30 min后,密度分布均匀,整体密度达到15.4 g/cm3(相对密度99.0%)。通过该工艺制备的127型射孔弹在大庆检测中心检测,API RP19B标准混泥土靶穿深达到1 433 mm。

石油射孔弹;药型罩;温态流动;成形;熔渗

0 引 言

W/Cu复合材料兼有W和Cu具有高密度、良好的导热性和导电性、小的热膨胀系数等优点,被广泛用于强电弧烧损或强耐热环境中[1-5]。制备 W/ Cu复合材料通常采用混合粉液相烧结法[4]和熔渗技术[6-7]。前者由于 W、Cu之间不互溶性,很难制备出高致密复合材料;后者可以得到高致密度的铜钨复合材料。制备工艺是否合理直接影响铜钨合金的组织[7],进而影响铜钨合金的导电性、硬度、强度等性能[8-11]。

如何制备孔隙分布均匀的异形钨骨架,一直是熔渗制备 W-Cu复合材料的难题。2001年德国Fraunhofer研究所开发了温态流动成形技术,即流动温压技术(Warm Flow Compaction,WFC),用以制备具有复杂形状的粉末冶金零件[12-15]。该工艺是在温压工艺基础上结合金属注射成形工艺的优点而发展起来的,以不锈钢粉为例,将粗粉(粒度150μm左右)和一定比例的细粉(粒度小于22μm)以及热塑性润滑剂进行混合,经温压工艺制造形状复杂的粉末冶金件,其关键技术是提高粉末在压力作用下的流动性。该工艺制品具有性能均一、高密度、低成本等特点[12-13,16]。利用该工艺可成形形状非常复杂的零件,如垂直于压制方向上零件的凹槽、孔以及螺纹孔等。

本文利用温态流动成形复杂形状的钨骨架,结合熔渗技术制备高密度钨铜药型罩。

1 实 验

实验原料有W粉(3μm)、雾化Cu粉(74μm)、电解Cu粉(43μm)、超细Cu粉(13μm);骨架中添加2.5%质量分数的Cu粉,为提高熔渗性能添加0.3%质量分数的Ni粉,粉末按球料比1:2干混6 h。实验设计30%、35%(体积分数)2种粘结剂的添加量,混合粉末在一定温度下混炼2 h后制粒,压制成d=18 mm的圆柱形预成形坯。将预成形坯加热到压制温度(45～90℃)后,压制成d=44 mm口径的药型罩。

钨骨架坯件在 H2气氛预烧结。以3℃/min的速度升温至960℃,烧结30 min。

利用线切割将烧结坯沿轴向切下1个条样。制样后利用leica MEF3A型金相显微镜对试样进行面孔隙度分析。将试样逆流动方向等距取17个观测点。分析这17个点的面孔隙度,得出试样轴向的孔隙分布规律。

钨骨架与Cu在1 200℃下进行熔渗30 min制备W70Cu材料。将熔渗后的样品沿径向切割成9部分(见图1)。利用排水法测得各部分密度。

图1 熔渗后切割测试密度编号示意

2 结果与讨论

2.1 压制温度对钨骨架孔隙度分布的影响

图2为添加电解Cu粉、粘结剂添加量为35% (体积分数)的混合粉末在55℃、60℃、65℃时所成形的骨架960℃烧结后的孔隙度变化曲线。从图2可知55℃、60℃成形的骨架孔隙度曲线变化都较平滑,孔隙分布均匀,而50℃曲线变化较大,测试点1孔隙度偏大是由于压制温度较低,导致混合粉末流动性能不佳,混合粉末无法完整填充模腔,致使压坯在药型罩口部(测试点1)附近残留有宏观孔隙。而在药型罩尖端位置(测试点17)粉末无法流动,在压力作用下被压实,导致测试点17的孔隙度(φ)较小。

图2 骨架孔隙度分布1

由于粉末颗粒的流动性能有限,混合粉末的流动行为的变化主要随粘结剂的流变行为而变化。Cross-Arrhenius黏度模型可以解释在不同温度下粘结剂的黏度变化规律。Cross黏度模型中聚合物黏度为温度、剪切速率的函数,并考虑了压力对黏度的影响。

Cross-Arrhenius黏度模型[17]为

根据Cross-Arrhenius黏度模型,在压力一定的条件下,τ＊和剪切速率˙γ为常数,即黏度为温度的函数。由于η0与 Tb/T呈指数关系,当 T减小时, η0急剧增大,代入式(1)后导致流动指数η增大。所以当温度过低时,粘结剂的流动性能下降,导致混合粉末流动性能不佳,成形的试样孔隙度分布不均匀,孔隙度曲线变化较大。

2.2 粘结剂含量对钨骨架孔隙度分布的影响

图3为添加30%和35%(体积分数)粘结剂、雾化Cu粉的混合粉末在55℃压制、960℃烧结后试样不同观测点孔隙率曲线。

图3 骨架孔隙度分布2

从图3可以看出,添加35%粘结剂的混合粉末在55℃压制烧结后得到的试样孔隙度曲线变化平缓,孔隙度偏差在2%以内,可知试样在流动方向上孔隙度分布较均匀;当粘结剂添加量下降到30%后,试样各观测点孔隙度偏差较大,药型罩口部位置,即观测点1处孔隙度较大。而药型罩尖部位置,即观测点17处孔隙度最小,孔隙度偏差达到7%。这主要是由于粘结剂添加量较小,混合粉末的黏度较大,在较低温度下流动性能不佳,造成流动方向上孔隙度有增大趋势。

由 Einstein黏度定律进行定性分析[18]

式中,ηγ为粘结剂和金属粉末组成的分散系黏度与粘结剂黏度之比;φ为固体粉末的体积分数。由式(2)可以看出,在粘结剂含量升高以后,粉末所占的体积减小了,即φ变小了,ηγ也相应减小。ηγ是分散系黏度与粘结剂黏度之比。温度一定时,粘结剂的黏度是一定的,则混合粉末这个分散系的黏度也随着ηγ减小而减小。所以粘结剂含量较高的混合粉末的黏度较小,在较低温度下即可表现出较好的流动性能,能成形孔隙度小和孔隙分布均匀的压坯。

增加粘结剂添加量还有利于在粉末颗粒表面形成完整的润滑膜,在压制过程中减小颗粒之间、颗粒与模壁之间的摩擦力,使试样密度分布均匀。

2.3 原料粉末对钨骨架成形性的影响

不同Cu粉形貌见图4。电解Cu粉形貌为树枝状而一次颗粒粒径细小,雾化Cu、超细Cu粉则为表面光滑的多面体。超细Cu的二次颗粒粒径要比电解Cu粉细很多。

图4 Cu粉的SEM形貌

图5 粘结剂添加量为35%,添加不同类型Cu粉在55℃成形的骨架孔隙度分布

图5为添加35%(体积分数)粘结剂,在55℃压制960℃预烧时,添加不同类型Cu粉的骨架烧结后孔隙度分布曲线。图5可以发现,骨架中添加雾化Cu粉的试样孔隙度分布曲线最平缓,但孔隙度略高;添加电解粉和超细粉末的试样孔隙沿压制方向虽有小幅变化,但整体孔隙分布也较为均一且孔隙度略低;这些说明添加35%的粘结剂含量在流动成形3种类型粉末形成密度较为均匀的骨架时还是比较合适的。在含电解Cu粉和超细Cu粉的预烧骨架中,孔隙度分布曲线出现轻微扰动的可能原因主要是粉末和粘结剂混料时没有达到理想的均匀程度所致。虽然电解Cu粉的一次颗粒粒径大且形状不规则,在压制力作用下细粒径的一次粉末颗粒将从团聚体中部分分离出来,同超细粉一样,拥有比较高的表面积,这赋予了粉末-粘结剂体系比较高的粉末流动性,其结果是压制成型后的骨架孔隙度较小(大约为40%);而雾化粉压制得到的骨架孔隙度较高(大约为45%)。3种骨架的金相图见图6。由图6可以看出,添加超细Cu粉时骨架组织均匀,晶粒细小,不存在Cu或W富积的区域。这种组织形貌的钨骨架有利于熔渗。

图6 粘结剂添加量为35%(体积分数),添加不同类型Cu粉在55℃成形的骨架金相图

图7 添加不同类型Cu的骨架熔渗后样品密度分布

2.4 原料粉末对于熔渗后样品密度分布的影响

利用最佳条件下制备的钨骨架进行熔渗。熔渗后,不同原料粉末样品密度分布见图7。图7中可以看出,钨骨架中添加超细Cu粉时,熔渗后样品各部分密度较为均匀;而添加雾化Cu粉的钨骨架在熔渗后,样品不同测试位置的密度相差较大,且整体密度偏低。出现这种现象的主要原因是由于雾化Cu杂质含量较高,降低熔渗时熔渗剂Cu对于钨颗粒表面的润湿性,导致熔渗后样品密度分布不均匀,表面质量较差;同时,预烧骨架的孔隙度偏高也是造成熔渗密度偏低的原因。

图8 添加不同Cu粉的钨骨架熔渗后样品金相图

表1 127射孔弹穿深检测

图8为添加不同Cu粉的钨骨架在熔渗后的金相照片。可以看出,添加超细Cu粉和电解Cu粉的样品金相组织都较为细小且分布均匀;而添加雾化Cu粉的样品出现了大量孔洞。

2.5 射孔弹穿深性能检测

采用上述工艺制备了9发127型深穿透射孔弹,于2009年9月在大庆检测中心进行了环靶穿深检测。数据见表1。

从表 1中可以看出,采用上述工艺制备的SDP127型深穿透射孔弹穿深性能大幅提高,较常规127型射孔弹穿深性能提高40%左右,稳定性也较为理想。

3 结 论

(1)超细Cu粉和电解Cu粉由于具有微细的一次颗粒组成,其粉末-粘结剂系统拥有较高的粉末流动性,成形的骨架在密度分布均匀性方面均高于雾化铜粉为原料的体系,骨架经熔渗后微观组织均匀无孔洞出现。超细Cu粉的效果略高于电解Cu粉;含雾化Cu粉的体系所得的骨架密度较低,烧结密度分布不均匀,显微组织中存在空洞。

(2)压制时较理想的成型工艺为粘结剂添加量为35%(体积分数),成形骨架的温度为55～60℃。

(3)采用温态流动成型可以制备密度均匀、致密度较高的钨铜药型罩。

(4)采用该工艺成型的药型罩制备的高性能射孔弹穿深性能得到大幅度提高。在大庆检测中心检测127型射孔弹穿深平均达到1 433 mm,且性能稳定,穿深标准偏差为91 mm。

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Line Shape Jet Manufactured by Warm Flow Compaction

XIE Zhan,FU Daixuan,LUO Hongwei,ZHAO Shihua,DU Mingzhang
(Sichuan Petroleum Perforating Materials L TD.,Longchang,Sichuan 642177,China)

To near-net-form complex parts has drawn extensive interest in the field of powder metallurgy,in the present paper,W70Cu materials with a complex liner shape manufactured by a novel process(warm flow compaction+ sintering filtration)were studied systematically.The effects of the type of copper powder(atomization copper powder,electrolytic copper powder and ultra-fine grained copper powder),content of the binder,and pressing temperature on porosity distribution were investigated.It was shown that the W-skeleton with a homogeneous porosity distribution can be obtained at 55℃,as the ultra-fine copper powder with slick and regular surface was used as a copper source and 35 vol%binder was dispersed in the powder composite.As a result,a homogeneous density distribution and a general density of 15.4 g/cm3(R.D.99.0%) can be achieved by infiltrating at 1 200℃for 30 min.The SDP127 jet which is manufactured by this technique can penetrate 1 433 mm in RP19B target.

petroluem perforating charge,linershape,warm flow compaction,shaping,infiltration

TF125

A

2010-01-08 本文编辑 李总南)

1004-1338(2010)04-0403-05

谢 湛,男,1982年生,工程师,从事射孔器材研发。