聚能装药粉末药型罩材料技术的发展和现状.pdf

2 0 0 7 年l o 月聚能装药粉末药基覃材科技术的发晨和现状王囊等 聚能装药粉末药型罩材料技术的发展和现状 王 菱，姜炜，列宏英，李风生 南京理工大学田家特种超细粉体工程技术研克中心 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要] 文章介绍了近年来国内外粉末药塑覃材料技术的研究现状，综述了一些国内外优秀研究成果．重点分 析了合金粉末药型罩中各成分的优化配比及钥造工艺对粉末罩成型和射藏质量的影响．最后以含能药基覃为主 线，提出了其新的发晨方向和应用前景． [ 关键词] 粉末药型覃粉末冶金石油射孔弹射流 [ 分类号] T E 2 5 7 ．1 l 引育 聚能破甲技术的研究已经走过了近8 0 年的历 史，我国于2 0 世纪5 0 年代开始对该方面进行研究． 早期的药型罩是用金属棒 如铜棒或铁棒等 直接用 车加工的方法造出空锥或半球等形状，后来改为用 金属板 如铜板或铁板等 辗压或冲压成型，但其生 产效率较低，且爆炸侵彻后会产生严重的杵堵现 象[ 1 矗】。用粉末冶金法制备的粉末烧结罩则大大简化 了工艺，提高了生产效率，很大程度上避免了杵堵的 现象[ 3 】．并且用于制造药型罩的材料由单一的铜或 铁逐渐被镍、钨、钼、钽、铋、贫铀及其合金等所取代。 目前粉末药型罩由于材料和加工技术等原因还主要 应用于石油射孔弹中来沟通井筒和油气层。本文介 绍了近年来国内外粉末药型罩的发展与现状，综述 了一些优秀的研究成果，并进行了相应的分析． 2粉末药型罩的选材 在药型罩的发展过程中，人们曾先后选择不同 金属及其合金作为制造药型罩的材料进行过研 究∞。粉末药型罩从本质上来说属于多孔材料，其与 相应的密实材料冲击压缩特性有所不同，所形成的 射流性能存在差别，据何彦丽等人报道[ 5 】，其中最主 要的是相同装药条件下粉末罩形成射流的速度要低 于相应的密实罩．但粉末覃解决了密实罩生产效率 不高、加工精度低及射流穿孔后杵堵等严重缺陷，而 且成分配比灵活、穿孔后效大，因此是目前药型罩发 展的主要方向。制备粉末药型罩主要材料及其重要 相关参数如表1 所示，其中相关数据均为2 9 8K 、 1 0 1 ．3 2 5k P a 下． 2 ．1单金一粉末 铜粉是制造粉末药型罩的首选材料，其形成的 射流具有延展性好、不易断裂、不易气化等优点[ ‘】． 目前铜粉的生产方法主要有电解法生产的枝形粉和 气雾化法的球形粉两种．球形铜粉价格低、流动性 好、保质期长、不易于形成杵堵，但成形性差、压制的 粉末罩结合强度低、易破碎。枝形粉的成形性好，粉 末罩结合强度高，但流动性差，易氧化，且容易形成 表1制备粉末药型罩的传统材料及其主要物理、力学参数 基金项目t 国家自然科学基金资助项目 5 0 3 0 6 0 0 8 总装备部璜研项目 4 1 3 2 8 0 3 0 5 0 7 ． 通讯联系人． 万方数据 3 4 曩破 器材E x p l o 。i v e ’M a t e r i a h第3 6 卷第5 期 杵堵。在实际生产中可搭配使用，发挥两种粉末各自 的优点。钨粉因具有高密度和高强度，是制造粉末药 型罩难得的好材料。由不可压缩流体力学理论，可以 按照连续射流状态计算出射流的侵彻效果口】，当破 甲速度。 y K [ 1 B ／n 1 ／2 ] ～ 1 射流的侵彻深度t ，如． 三 “聊e J ‰≠一日 6 H 一6 旧抠一1 ] 2 式中’工破甲深度， 如射流头部速度到达靶板的时间， 玩射流的头部速度， 乃射流的尾部速度， B 靶板密度， 丹射流密度， y 破甲速度1 日炸高， P 靶材强度， 6 常数。 由公式 2 可知，射流与靶板的密度比丹伽越 大，则破甲深度L 越大。而且在射流的侵彻过程中， 动能E 1 ／2 绷，2 沿射流长度的分布是衡量其破 甲能力的主要参数[ ．] 。因此，钨粉射流具有较高的头 部速度，能有效地对抗反应装甲，缩短贯穿时间。尤 其在掠飞攻顶侵彻情况下更希望有尽可能快的射流 速度[ ．d o ] 。但钨材料质地很脆，粉末粘结性差，不容 易烧结，因此需要加入其它延展性好的材料来帮助 成型。钼是一种新兴的药型罩材料，有文献报道叭] ， 高能锻造的钼药型罩虽然穿深和稳定性好，但工艺 复杂、成本高、杵堵严重等缺陷限制了其广泛应用。 J o h nA ．s h i e l d 等人报道[ 1 2 ] ，美国研制了用纯钼粉 烧结的粉末罩，大大简化了工艺，但出现了形状保持 难、表面光洁度差、重复性和稳定性差等问题。为了 解决这些问题美国又改为不烧结钼粉末罩，此罩工 艺简单，适合大规模工业化生产，质量稳定，重复性 好，能较好克服杵堵问题，现已成功地应用于实践。 钽具有较高的密度和良好的动态特性，用高纯钽粉 制造的钽药型罩晶粒细小[ 1 盯，显微组织均匀，有一 定的织构，这样就大大提高了射流的稳定性，进而改 善了射流的侵彻性能。有文献表明[ 1 ‘’1 朝，其破甲深 度比铁、铜药型罩提高2 7 ％～3 0 ％，现已作为一种 新型药型罩材料用来制造爆炸成形弹的药型罩。 2 ．2 含金粉末 在铜粉中加入钨粉提高铜合金的密度，可以提 高药型罩的破甲威力【l 们．C n W 是一种具有正的混 合热焓值的非互溶体系，用常规冶金方法难以得到 这种体系的合金。张全效等采用机械合金化 M A 的技术【l 刀，将铜、钨粉末在高能量磨球的擅击作用 下，得到了极细 纳米- 微米级 的C u W 复合颗粒， 发生固态合金化反应，形成C u W 合金。如果能再加 入微量C o 元素，则可以扩大W 在c u 中的固熔度， 并且，选择合适烧结温度，可更好地提高C u W 合金 材料致密性。 钨一镰合金粉末罩一般采用W - N i N i ≤1 ％ 包 覆粉烧结而成[ 1 幻。由于单纯的钨颗粒之间粘结能力 很差，烧结体十分易碎，而且其烧结点太高，不利于 大规模化生产。若添加一定量N i 粉后，就成了液相 烧结，烧结点会明显降低，并具有很好的可实际操作 性，所获材质的韧性和强度也有所提高。但当N i 含 量偏多或烧结参数不当时会引起N i 元素的偏聚，严 重破坏罩体的成型度和均匀性。因此，N i 在钨一镰合 金粉末罩中的微观分布状态是主要受控项目，需要 依据具体要求添加蓟最佳的比例。 钨一铜- 镍合金粉是现在应用比较广泛的一种用 于制造粉末药型罩的材料[ 1 ．】。其中，钨为粉末主体， 质量分数要占到整体质量的8 0 ％～8 5 ％，而铜粉和 镰粉 铜约占1 2 ％，镍约占1 ．5 ％～3 ．0 ％ 由于延展 性好，作为成型剂和固涉体均匀地分布在钨颗粒之 间。钨合金粉末罩所形成的射流，具有高性能聚能装 药射流的两种特性，即高密度和在射流断裂前的高 延伸性。 铋和锡是密度适中的低熔点材料，不单独作为 制造药型罩的材料。在粉末药型罩传统配方的基础 上添加适量的铋或锡 1 ％～5 ％ 效果十分明显【2 0 】． 据笔者分析，在药型罩成型阶段，采用低温烧结的方 法处理含有铋或锡的药型罩，可以利用铋或锡的低 熔点特性，有效地增加主金属颗粒问的接触面积，从 而提高药型罩的强度和密实度，且不会因为温度过 高而破坏药型罩的光滑性和几何对称性’而在射流 的形成和拉伸阶段，含有铋或锡的粉末罩所形成的 射流在理论上应当是处于固液混合态，并不是传统 观点所认为的纯粹金属粒子流，其中的液体部分则 可以利用表面张力约束射流，保持射流的表面光滑 和轴对称性，推迟射流断裂的时间；在最后的穿靶阶 段，铋和锡极易气化，产生大量的高压气体，将有利 于扩大孔径，同时，高压气体膨胀所产生的应力波也 可以帮助后续射流实现不问断连续破靶。 在钨合金粉末药型罩材料基础上增加Z r 、R e 万方数据 2 0 0 7 年1 0 月聚能装药粉末药塑覃材料技术的发晨和现状王毅等3 5 。 等，可达到破甲和燃烧双功能效果咖。R e 燃烧热值 仅次于T i 和z r ，生产安全性较好，使用时不易形成 致密氧化膜，价格便宜。我国包头稀土资源非常丰 富，加R e 作燃烧剂既符合我国国情又有广阔发展 前景。但烧结Z r ．W - R e 粉末合金时，要防止R e 相呈 较大的条块状分布或形成孔洞，因为这会使材质变 脆，综合力学性能下降，降低对靶板的侵彻能力乜2 】． 3 粉末药型罩的加工制造工艺技术 在粉末药型覃发展的前期，主要是用粉末冶金 成型工艺制备粉末烧结罩[ 2 副，粉末冶金成型工艺至 少包含四个基本工序，即制粉、混粉、成型和烧结。目 前，粉末药型罩的制造主要是通过在金属粉中添加 一定量的粘接剂，造粒后直接压制成型，随后在较低 的温度下烘干固化制备的不烧结粉末罩，其自动化 程度高、质量稳定、杵堵少、穿深大、破甲能力强．但 是在粉末药型罩的压制过程中，外摩擦力的存在会 引起压制压力沿药型罩的高度降低，从而引起粉末 罩密度不均匀。为了克服这种现象，一方面要求精密 制粉、混料均匀、使用高精密和高硬度的模具，同时 在粉末混料时要加入一定量的成型剂。成型剂要求 不与原始粉末发生化学反应、分散性好、易于与原始 粉末混合、对粉末的松装密度影响不大、热处理后对 药型罩的几何形态影响不大等。有文献报道泓] ，成 型剂的加入量应当控制在1 ％～5 ％以内，并且在这 个范围内能够使得原始粉末的压制性和流动性都有 很大的改善。 现在国内外药型覃的一个重要发展趋势是采用 大变形强化技术[ 2 副．M a n f r e dH e l d 报道[ 2 5 】，单纯的 钨粉末罩采用传统的压制、烧结后，往往容易在较薄 弱的钨一钨颗粒结合面产生断裂，材料微观结合强度 较低，加入铁镍金属粉末后再进行锻造和液力挤压 变形，钨颗粒被拉长拉细，呈纤维状，断裂的机制和 扩展路径也发生了变化，断裂方式主要为沿钨颗粒 内部的穿晶解理断裂，由于钨的强度很高，钨颗粒的 解理断裂所需启裂能较大，宏观拉断时则呈现很高 的拉伸强度 表1 ，而且延伸率也不错，这样就能够 大幅度提高钨合金粉末药型罩的实用性。 4粉末药型罩的发展方向和应用前景 影响药型罩成型和射流性能的因素很多，其中 选材和加工工艺技术是其中最关键的因素。随着石 油开采技术和现代军工技术的不断发展，目前传统 药型罩的材料技术受到了新的挑战。尤其是目前粉 末药型罩所形成的射流在侵彻目标后所表现的不稳 定、延展性差、易断裂、后效不足等缺陷，是制约破甲 技术发展的。瓶颈”．在这些方面国内外都作了大量 的研究实验，特别是B a k e rEL 等人的报道D 日，美国 学者研究模拟了一种名叫。B a m i e ”的一元含能药型 覃，该药型罩由一些含能物质构成，所形成的射流在 侵彻目标的过程中会发生剧烈的化学反应。生成大 量的热和气体，产生二次爆炸效应，并且已经成功地 应用于石质和混凝土靶材．本课题组也从这方面着 手，提出了一种将含能物质与传统药型罩材料优化 结合的设计思路，即在保证射流正常侵彻的同时，又 能够充分利用含能材料放热、爆轰等性能来提高聚 能破甲的效果，并巳进行了部分理论论证和前期的 实践摸索． 参考文献 [ 1 ]Y uc h u 蚰，f o I l gY a 蛳I l g ，Y 蛆C h e 嘲i ，e ta 1 ．A p - 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