密度梯度飞片的设计及制备

摘要

为了在地面上模拟高速运动的太空碎片对航天器的影响,需要制备出密度梯度飞片材料,因其对靶具有准等熵压缩特性,撞击二级飞片后可以使其接近太空碎片的速度。要得到良好的准等熵压缩性能,进而来实现对二级飞片的超高速发射,材料的设计和制备是关键。
　　 本文从易于实现烧结和得到较宽的密度范围两方面考虑,设计、制作了不同厚度的W-Ti(设计密度范围:4.5～15.69g／cm3)和W-Mg(设计密度范围:1.74～15.0g／cm3)两种体系Pillow密度梯度飞片,其密度分布指数P=2。W、Ti同属于难熔金属,其热物理性能相近,相互间不生成脆性化合物,易于实现烧结；W、Mg两种材料的密度变化范围很大,相差近10倍,且W与Mg之间在一般条件下无法形成脆性的金属间化合物,但是W、Mg的熔点相差很大,要实现同时致密烧结是难点。
　　 本文采用粉末冶金法制备,混料得到8组比例的混合粉料,在模具中通过粉末叠层法使材料组成按照设计要求形成梯度分布,压制后通过冷等静压处理,使坯体强度密度堤高,再利用热等静压烧结的方法,可以使材料整体致密并获得最佳性能。
　　 由排水法测密度得到W-Ti体系飞片的相对密度达到99％,XRD分析得知两者主要以W和β-Ti形式存在,无化合物生成,金相分析可见在纯Ti层存在少量α-Ti,从纯Ti层到富W层Ti的含量逐渐减少,白色颗粒状W的含量逐渐增加,第二相含量测定发现成分分布符合设计的梯度变化。利用扫描电镜观察表面形貌可以看到W和Ti以机械混合的方式交织在一起,材料整体致密度,基本没有孔洞等缺陷,各层过渡自然,过渡层的平面度好、层与层之间的平行精度高,在烧结过程中由于粉末粒度差异,出现了一些团聚。能谱分析得到钨和钛的含量变化也是遵循了设计时的变化趋势,达到了良好的梯度变化效果。
　　 同样方法制备的W-Mg梯度飞片由于热物理性能差别较大难以同时烧结致密,通过XRD分析得知两者不生成金属间化合物,微观形貌观察发现纯Mg侧烧结致密,而富W侧结构疏松,有孔隙存在。断口形貌分析得知Mg作为复合基体,将W颗粒包裹烧结在一起,Mg在烧结过程中发挥了粘接剂的作用。