成型装药射流的形成及其对FeNiCoCr高熵合金衬层钢靶的穿透作用

《Journal of Materials Research and Technology》：Shaped charge jet formation and penetration to steel target of FeNiCoCr high-entropy alloy liners

高熵合金（FeNiCoCr）与无氧高导铜（OFHC）作为穿甲弹衬层材料，其机械性能、射流形成及穿甲能力进行了对比研究。实验表明FeNiCoCr HEA具有优异的压缩塑性（断裂应变>110%）和动态应变率效应，但射流径向扩张导致穿甲深度（69mm vs 139mm）和孔径（10mm vs 9mm）显著低于OFHC铜。元素扩散分析发现HEA残余射流与靶材界面存在Fe元素扩散，并形成粗犷孔壁结构，解释了其穿甲性能差异。研究揭示了高熵合金在极端条件下的潜在应用价值。

　　高熵合金（High-Entropy Alloy, HEA）作为一种新型材料，近年来因其独特的性能引起了广泛的关注。HEA通常由五种或更多金属元素以接近等原子比的组合构成，展现出优越的机械性能，包括高强度、高延展性以及良好的抗腐蚀能力。这些特性使其在极端条件下的应用潜力巨大，尤其是在军事和工业领域中，HEA被研究用于高能炸药成型装药的衬层材料。传统上，高导电无氧铜（Oxygen-Free High Conductivity, OFHC）铜是用于此类应用的主流材料，因其高密度、良好的延展性和加工性能而被广泛采用。然而，随着装甲技术的不断发展，现代战场对穿透性能提出了更高的要求，促使科学家们探索其他替代材料，以满足更高的性能需求。

本文对FeNiCoCr高熵合金与OFHC铜在成型装药衬层中的表现进行了系统比较，重点分析了其机械特性、成型过程以及穿透钢靶的能力。研究采用了一系列实验手段，包括X射线闪照技术、光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）分析，以及准静态和动态压缩测试。这些实验不仅揭示了HEA在极端条件下的表现，还提供了关于其在实际应用中如何与目标材料相互作用的深入理解。

在机械性能方面，FeNiCoCr HEA表现出良好的压缩延展性和拉伸性能。实验数据显示，该合金在准静态压缩测试中展现出超过110%的压缩延展性，且在动态加载条件下表现出显著的应变率效应。在不同的应变率范围内，其动态屈服强度呈现出逐渐增加的趋势，从220 MPa到284 MPa不等。此外，该合金在不同温度下的表现也表明，其屈服强度对温度变化不敏感，而温度主要影响其塑性流动应力。这一特性使得FeNiCoCr HEA在高温和高应变率环境下依然能够保持良好的机械性能，从而在需要高强度和耐高温的场景中具有应用价值。

在成型过程中，FeNiCoCr HEA的喷射形态与传统OFHC铜喷射形态相似，但表现出明显的径向扩张现象。X射线闪照实验显示，HEA喷射在形成过程中具有较大的体积变化，相较于OFHC铜喷射，其体积增加了约28.6%。这种径向扩张特性可能影响喷射的稳定性，进而对穿透性能产生一定的影响。实验中还通过X射线图像分析了喷射的长度、直径和速度参数，发现HEA喷射的速度略低于OFHC铜喷射，但其喷射形态的稳定性较好，且在穿透过程中展现出不同的动态行为。

在穿透性能方面，研究结果显示，FeNiCoCr HEA喷射在穿透钢靶时表现出较大的孔洞直径，但穿透深度不如OFHC铜喷射。这表明，尽管HEA喷射在形成过程中具有较强的径向扩张能力，但在实际穿透过程中，其能量传递效率相对较低。进一步的微观分析表明，HEA喷射与目标材料之间的相互作用较为复杂，喷射残余部分在穿透过程中与目标材料发生元素扩散，尤其是在Fe元素的扩散方面。这种扩散现象不仅影响了喷射残余部分的形态，还对喷射的稳定性产生了重要影响。

此外，通过OM和SEM分析，研究者发现OFHC铜喷射在穿透过程中会在目标材料上形成明显的灰区，这是由于铜元素与目标材料之间发生强烈的相互作用。相比之下，FeNiCoCr HEA喷射在目标材料上并未形成类似的灰区，这表明其喷射与目标材料之间的相互作用较弱。这种差异可能与HEA喷射在穿透过程中所具有的不同动态行为有关，尤其是在喷射形成和能量传递方面。

研究还进一步探讨了元素扩散对喷射形态的影响。在高能喷射条件下，FeNiCoCr HEA喷射与目标材料之间发生了微米级别的元素扩散，尤其是在Fe元素的扩散方面，其扩散区域较宽，且在喷射残余部分表现出显著的Cr富集现象。这种元素扩散行为可能对喷射的强度和稳定性产生积极影响，从而在一定程度上增强喷射残余部分与目标材料之间的相互作用。然而，这种增强作用并未能显著提升穿透深度，反而导致了喷射形态的不均匀性。

研究还指出，HEA喷射的低冲击能量可能与其在穿透过程中的能量分布不均有关。在穿透过程中，喷射的头部能量较为集中，而残余部分则表现出较低的能量传递效率。这种能量分布不均可能导致喷射在穿透过程中难以持续维持较高的速度和稳定性，从而影响其穿透深度。相比之下，OFHC铜喷射在穿透过程中能够保持较高的冲击能量，使其在穿透深度方面表现更优。

此外，研究还提到，HEA喷射的性能可能受到其微观结构的影响。通过XRD分析，研究确认FeNiCoCr HEA具有单一的面心立方（FCC）结构，这种结构有助于其在高温和高应变率条件下保持良好的机械性能。然而，这种结构也可能导致喷射在穿透过程中出现不同的动态行为，从而影响其性能表现。

研究还探讨了HEA在成型装药衬层中的应用前景。尽管其在穿透深度方面不如OFHC铜喷射，但其在压缩延展性和元素扩散方面表现出的独特性能，使其在某些特定应用场景中具有优势。例如，在需要较高强度和耐高温的场景中，HEA可能是一个更具潜力的替代材料。然而，其在穿透性能上的不足也表明，需要进一步优化其结构和性能，以提高其在极端条件下的应用效果。

综上所述，本文通过系统的实验研究，揭示了FeNiCoCr HEA在成型装药衬层中的表现，为其在实际应用中的性能评估提供了重要依据。研究结果不仅有助于理解HEA在极端条件下的行为，还为未来的材料开发和应用提供了新的思路和方向。尽管HEA在某些方面表现优异，但在穿透性能上仍存在改进空间，这需要进一步的研究和实验验证。未来的研究可以结合更先进的材料加工技术和实验方法，以优化HEA的性能，提高其在成型装药衬层中的应用潜力。