裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)大尺寸熔鑄炸藥裂紋的影響

牛國(guó)濤，金大勇，王親會(huì)，黃文斌，?！±?/p>

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)大尺寸熔鑄炸藥裂紋的影響

牛國(guó)濤，金大勇，王親會(huì)，黃文斌，牛磊

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

為了解決熔鑄炸藥在大型戰(zhàn)斗部容易出現(xiàn)裂紋的質(zhì)量問題，以DNAN基熔鑄炸藥在自行設(shè)計(jì)的大型戰(zhàn)斗部的應(yīng)用為研究對(duì)象，通過改變裝藥結(jié)構(gòu)的方法改善裝藥質(zhì)量，并利用工業(yè)CT技術(shù)對(duì)裝藥不同端面掃描測(cè)試裂紋情況。結(jié)果表明：通過對(duì)戰(zhàn)斗部殼體進(jìn)行分區(qū)裝藥，減小了熱應(yīng)力集中，抑制了裂紋的產(chǎn)生，即使在高低溫沖擊下，也表現(xiàn)出較好的抗裂紋性能。本研究為大型戰(zhàn)斗部熔鑄裝藥質(zhì)量的提高提供了一種新途徑。

大型戰(zhàn)斗部；裝藥結(jié)構(gòu)；裝藥質(zhì)量；分區(qū)裝藥；裂紋

對(duì)于熔鑄炸藥，本身屬于脆性材料且為熱的不良導(dǎo)體，溫度可對(duì)其鑄件質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，當(dāng)熱應(yīng)力超過炸藥的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)出現(xiàn)裂紋，使鑄件報(bào)廢［1］。熱應(yīng)力形成源于兩方面：一是熔鑄炸藥在冷卻凝固時(shí)，徑向和軸向的溫度不均勻，在冷卻時(shí)的收縮量也不同，導(dǎo)致藥柱產(chǎn)生熱應(yīng)力［2］，此時(shí)產(chǎn)生的裂紋和炸藥本身性質(zhì)有關(guān)；二是成型的炸藥受到外界環(huán)境溫度的沖擊，例如炸藥突然放在冷水、熱風(fēng)等介質(zhì)中時(shí)，藥柱中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，此時(shí)產(chǎn)生的裂紋與外部環(huán)境有關(guān)。對(duì)于溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力及裂紋，李麗霞［3］從理論上推導(dǎo)了線性溫度梯度引起的多層結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分布情況，得出溫度梯度可以使多層結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲，溫度梯度越大，熱應(yīng)力和彎曲程度越大；張冬梅、劉瑞鵬、尹俊婷［4-6］分別對(duì)壓裝A-Ⅸ-Ⅱ、RL-F、PBX炸藥進(jìn)行溫度沖擊，炸藥都出現(xiàn)了裂紋，裂紋產(chǎn)生的概率與藥柱的密度和尺寸有關(guān)，且適當(dāng)?shù)谋赜欣诹鸭y的愈合。李敬明、黃奕剛［7-8］對(duì)TATB基澆注PBX炸藥進(jìn)行高低溫試驗(yàn)，雖然PBX炸藥的物理性能出現(xiàn)了一些變化，但仍表現(xiàn)出較好的抗裂紋性能。以上文獻(xiàn)都屬于產(chǎn)生熱應(yīng)力的第2種情況，為炸藥易損性的考核方法之一，而對(duì)于第1種熱應(yīng)力產(chǎn)生的情況研究較少，其中田勇［2］利用CT和超聲技術(shù)研究了TNT基熔鑄炸藥成型過程產(chǎn)生裂紋的原因。本文以DNAN基的不敏感熔鑄炸藥為研究對(duì)象，利用先進(jìn)的工業(yè)CT技術(shù)，探討在冷卻凝固過程中大型藥柱裂紋產(chǎn)生的原因及防治措施，提出了一種防止裂紋產(chǎn)生的新方法。

1　試驗(yàn)

1.1炸藥的介紹

RD-1炸藥是由一種以DNAN為基的金屬加速型熔鑄炸藥，密度為1.7g/cm3以上，爆速達(dá)到7 800m/s，固相含量達(dá)到75%，安全性好，通過了快慢烤和子彈撞擊試驗(yàn)，適用于破片殺傷戰(zhàn)斗部。

1.2試驗(yàn)殼體的設(shè)計(jì)

對(duì)同一種熔鑄炸藥而言，在傳熱條件相同的情況下，熱應(yīng)力隨圓柱半徑的增加而增加［1］，所以大型藥柱更容易產(chǎn)生裂紋。為了獲得大直徑藥柱產(chǎn)生裂紋的情況，在權(quán)衡試驗(yàn)成本的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了Φ490mm× 400mm的戰(zhàn)斗部殼體，為了模仿真實(shí)的散熱情況，戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)了預(yù)制破片層，如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的裝藥殼體及簡(jiǎn)易構(gòu)造圖Fig.1　Designed shell for loading explosive and simple structural diagram

1.3試驗(yàn)樣品的CT檢測(cè)

當(dāng)熔融的RD-1炸藥在圖1所示的戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)固化成型后，利用工業(yè)CT分別在距底端面50mm和350mm處進(jìn)行端面掃描，檢測(cè)該藥柱的裝藥質(zhì)量情況。

2　結(jié)果與討論

2.1RD-1炸藥的質(zhì)量檢驗(yàn)

首先，利用熔融法制得一定量的RD-1炸藥，使用“塊鑄法”裝填到設(shè)計(jì)的戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)，并利用冒口補(bǔ)縮，在自然狀態(tài)下（環(huán)境溫度為25℃）冷卻成型，除去冒口，處理藥面后，進(jìn)行工業(yè)CT端面掃描。此種裝藥試制2次，分別對(duì)規(guī)定的兩個(gè)端面掃描，結(jié)果如圖2～3所示。

圖2　距裝藥底端50mm裂紋Fig.2　Cracks of 50mm distance from the end

圖3　距裝藥底端350mm裂紋Fig.3　Cracks of 350mm distance from the end

如圖2～3所示，4個(gè)端面都產(chǎn)生了從中間到周邊的沒有完全貫穿的裂紋，數(shù)量為1條、2條和3條，裂紋寬度1.5～2.0mm，長(zhǎng)度50～300mm。藥柱產(chǎn)生裂紋，降低了藥柱的力學(xué)強(qiáng)度，直接影響彈藥的安全性能，所以炸藥注入彈體后，應(yīng)盡量避免發(fā)生技術(shù)條件不允許的裂紋。

2.2裂紋出現(xiàn)的原因和防止措施

2.2.1熔鑄炸藥注裝時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力

在熔鑄炸藥注入彈體后的凝固過程中，炸藥底部和側(cè)壁與模具直接接觸，炸藥會(huì)因模具的迅速冷卻作用而產(chǎn)生大量晶核形成細(xì)小結(jié)晶，結(jié)晶釋放的熱量也由模具快速傳導(dǎo)，此處炸藥的徑向溫度差一般很小，不容易產(chǎn)生裂紋。而在裝藥的中心部位，由于炸藥是熱的不良導(dǎo)體，熔鑄炸藥在凝固、冷卻時(shí)，徑向的溫度不均勻，冷卻時(shí)的收縮量也不同，導(dǎo)致藥柱產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，力的方向由中心指向邊界，如圖4所示，如果有裂紋產(chǎn)生，裂紋與力的方向垂直。

圖4　藥柱在凝固時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力及裂紋Fig.4　Thermal stress and cracks in the process of solidification

裂紋出現(xiàn)的時(shí)間：在炸藥全部凝固結(jié)束后，此時(shí)炸藥中心溫度與邊緣溫度差最大；裂紋出現(xiàn)地點(diǎn)：出現(xiàn)在炸藥凝固的薄弱點(diǎn)，隨著裂紋數(shù)量的增加，熱應(yīng)

力得到釋放。作為脆性材料的熔鑄炸藥，抗拉強(qiáng)度較低，約在1MPa上下，當(dāng)熱應(yīng)力的強(qiáng)度超過炸藥的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。藥柱中的軸向拉應(yīng)力引起橫向裂紋，徑向拉應(yīng)力引起環(huán)狀裂紋，切向拉應(yīng)力引起徑向裂紋。試驗(yàn)中產(chǎn)生的是徑向裂紋，故為切向拉應(yīng)力所致。根據(jù)廣義胡克定律，藥柱中的最大切向應(yīng)力為［1］：

式（1）中：σθ為藥柱的切向熱應(yīng)力；E為炸藥的彈性模量；α為炸藥的線膨脹系數(shù)；υ為炸藥的泊松比；TR為藥柱最大半徑處溫度；Tm為藥柱中心處溫度；R為藥柱最大半徑；r為藥柱半徑方向某一點(diǎn)。當(dāng)r=0時(shí)，σθ值為正，所以在藥柱中心處為最大拉應(yīng)力；當(dāng)r=R時(shí)，σθ值為負(fù)，所以在最大半徑處產(chǎn)生最大壓應(yīng)力，且中心與邊界產(chǎn)生的熱應(yīng)力相等，為Eα/3（1-ν）×（TR-Tm），且藥柱半徑越大，TR和Tm差值越大，中心處的拉應(yīng)力越大。正因?yàn)橐陨系膽?yīng)力分布情況，藥柱產(chǎn)生了從中心到邊緣輻射狀裂紋且沒有完全貫穿。

2.2.2藥柱在空氣中冷卻時(shí)的熱應(yīng)力

如果將一定溫度的藥柱放在冷空氣中，藥柱將與周圍空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，藥柱中心的熱量通過熱傳遞到表面，根據(jù)溫度梯度的方向性，可知最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在藥柱表面，最大應(yīng)力的表達(dá)式為［1］：

式（3）中：αa為空氣對(duì)藥柱表面的傳熱系數(shù)；λ為藥柱的導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)藥柱可視為無(wú)限長(zhǎng)圓柱體時(shí)，Bi和K可通過文獻(xiàn)數(shù)據(jù)［1］擬合為：

帶入式（2）可得：

使凝固炸藥不產(chǎn)生裂紋的條件為：

式（5）～（6）中：T0為空氣溫度，σe為炸藥的抗拉強(qiáng)度。如藥柱放在冷水等介質(zhì)中產(chǎn)生的熱應(yīng)力要大得多。式（1）和式（5）分為3部分，由乘號(hào)分開，第1部分各項(xiàng)參數(shù)由炸藥本身性質(zhì)決定，與裝藥形狀無(wú)關(guān)；第2部分為內(nèi)外溫度差所形成的溫度梯度，是炸藥產(chǎn)生熱應(yīng)力的根本原因；第3部分為關(guān)系函數(shù)。

2.2.3裂紋防止措施

根據(jù)式（1）和式（5）可知，控制大型藥柱裂紋產(chǎn)生的方法有：（1）可以在熔鑄炸藥中添加纖維狀物質(zhì)或彈性物質(zhì)，從而減小炸藥的彈性模量，使炸藥可以抵抗更大的變形，以有效地避免較大的溫度梯度時(shí)產(chǎn)生裂紋。但是，對(duì)于定型的炸藥配方用于戰(zhàn)斗部裝藥，臨時(shí)加入添加劑是不允許的。（2）在藥柱冷卻凝固時(shí)溫度梯度越小，溫度變化越緩慢，裂紋產(chǎn)生的機(jī)會(huì)越小，因此可對(duì)藥柱進(jìn)行保溫處理。然而對(duì)于大型裝藥來(lái)說，不但很難控制溫差，而且延長(zhǎng)了凝固時(shí)間，增加了工藝成本。所以，需要另辟蹊徑在大型裝藥中消除裂紋，改善裝藥質(zhì)量。

2.3改變裝藥結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)

擬對(duì)殼體采用分區(qū)裝藥，如圖5所示。

圖5　殼體分區(qū)及隔板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5　Shell partitioned and clapboard structure

裝藥內(nèi)部的熱應(yīng)力通過分區(qū)的方式可以部分釋放，即當(dāng)藥柱內(nèi)的切向熱應(yīng)力大于炸藥抗拉應(yīng)力時(shí)，首先會(huì)在藥柱內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生裂紋，通過采用“預(yù)制”薄弱環(huán)節(jié)（即隔板處）的方法，可有效降低裝藥由溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而防止裂紋的產(chǎn)生，確保裝藥質(zhì)量。

為了驗(yàn)證該方法的有效性，設(shè)計(jì)了整體裝藥（即沒有放置隔板）和分區(qū)裝藥對(duì)比試驗(yàn)，試制了相同炸藥配方、相同裝藥工藝的Φ300mm藥柱，其中分區(qū)隔板為0.5mm厚的鋁板。并進(jìn)行了高溫75℃、12h和低溫-40℃、12h的環(huán)境強(qiáng)化試驗(yàn)，進(jìn)一步增加藥柱溫度梯度，驗(yàn)證該方法能否抵抗較大的熱應(yīng)力。環(huán)境試驗(yàn)前后分別對(duì)藥柱進(jìn)行工業(yè)CT掃描，結(jié)果如圖6所示，為了便于觀測(cè)改變了圖片的對(duì)比度。

圖6　不同裝藥結(jié)構(gòu)溫度沖擊結(jié)果Fig.6　The results of thermal shock for different charge structures

由圖6可見，在整體裝藥中，環(huán)境試驗(yàn)前裂紋已經(jīng)出現(xiàn)，說明即使縮小了裝藥半徑，凝固后的熱應(yīng)力仍大于炸藥的拉應(yīng)力，該配方抗裂紋能力較差，而在環(huán)境試驗(yàn)后裂紋更多，且裂紋寬度增加一倍以上；而在分區(qū)裝藥中，環(huán)境試驗(yàn)前后都沒有出現(xiàn)裂紋，這說明分區(qū)裝藥方法可以防止兩種不同裂紋產(chǎn)生，該方法具有可行性；重復(fù)上述試驗(yàn)，結(jié)果相同，驗(yàn)證了裝藥工藝和裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化一致性良好。

2.4全尺寸裝藥

利用該分區(qū)方法進(jìn)行戰(zhàn)斗部全尺寸裝藥，隔板同樣采用0.5mm厚的鋁板。裝藥后，對(duì)彈體進(jìn)行了高溫75℃、12h和低溫-40℃、12h的環(huán)境強(qiáng)化試驗(yàn)，并對(duì)彈體環(huán)境試驗(yàn)前后距底端50mm和350mm的斷面進(jìn)行CT掃描，結(jié)果如圖7～8所示。

圖7 距底端50mm 處的斷面掃描Fig.7 Cross section scanning of 50mm distance from the end

圖8　距底端350mm處的斷面掃描Fig.8　Cross section scanning of 350mm distance from the end

由圖7～8可知，在兩個(gè)CT所掃描的斷面處，除了清晰地看到“十字”隔板外，環(huán)境試驗(yàn)前后裝藥同樣沒有出現(xiàn)裂紋，說明采用裝藥分區(qū)法，很好地解決了大藥量熔鑄裝藥的裂紋問題。

其中隔板是用輕質(zhì)鋁片所制，所占裝藥體積很小，裝藥質(zhì)量只損失了0.4%，不會(huì)對(duì)裝藥量很大的戰(zhàn)斗部的爆轟性能、威力、安全性產(chǎn)生較大影響。

3　結(jié)論

在熔鑄炸藥中，藥柱的半徑越大，產(chǎn)生裂紋的可能性越大，在大型彈體的裝藥過程中，解決裂紋產(chǎn)生的方法，除了改進(jìn)配方組分和控制工藝參數(shù)外，改變裝藥結(jié)構(gòu)也是改善裝藥質(zhì)量的較好的方法。本文通過對(duì)殼體進(jìn)行分區(qū)裝藥，減小了熱應(yīng)力集中，抑制了裂紋的產(chǎn)生，從而改善了裝藥質(zhì)量，為大型戰(zhàn)斗部熔鑄裝藥質(zhì)量的提高提供了一種新途徑。

另外，增加的隔板形狀與數(shù)量的優(yōu)化還需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

［1］ 孫業(yè)斌，惠君明，曹欣茂.軍用混合炸藥［M］.北京∶兵器工業(yè)出版社，1995.

［2］ 田勇.炸藥熔鑄成型過程監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)及數(shù)值模擬研究［D］.四川∶中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，2009.

［3］ 李麗霞.溫度梯度引起的多層結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分析［J］.結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究，2009（1）∶57-60.

［4］ 張冬梅，等.A-Ⅸ-Ⅱ壓裝炸藥失效模式分析［J］.火工品， 2014（1）∶29-32.

［5］ 劉瑞鵬，等.環(huán)境溫度對(duì)含鋁炸藥裝藥裂紋的影響研究［J］.火工品，2012（3）∶30-33.

［6］ 尹俊婷，等.炸藥損傷及損傷炸藥環(huán)境適應(yīng)性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2008，31（2）∶78-80.

［7］ 李敬明，等.熱循環(huán)對(duì)TATB基高聚物粘結(jié)炸藥性能的影響研究［J］.含能材料，2005，13（4）∶208-210.

［8］ 黃奕剛，等.TATB基高聚物粘結(jié)炸藥低溫老化后的結(jié)構(gòu)和熱性能研究［J］.含能材料，2002，10（2）∶81-83.

Effect of Charge Structure on Charge Quality of Large Size Melt-cast Explosive

NIU Guo-tao， JIN Da-yong， WANG Qin-hui， HUANG Wen-bin， NIU Lei
（Xi'an Modern Chemistry Research Institute， Xi'an， 710065）

In order to solve the problem of the cracks emerging from melt cast explosive applied to large size warhead， the DNAN based explosive filling the large size shell designed by self was studied as the object. The charge structure was changed to improve the charge quality， and the cracks were detected according to scanning different cross sections by industrial CT. The results showed that the thermal stress concentration descended， and the cracks were prevented due to shell partitioned， meanwhile，the charge partitioned exhibited good performance of resisting cracks expanding even exerted by high and low temperature shock. The study provides a new way to improve charge quality for melt cast explosive applied to the large size warhead.

Large size warhead；Charge structure；Charge quality；Partitioned charge；Crack

TJ450.3

A

1003-1480（2015）01-0030-04

2014-09-04

牛國(guó)濤（1983-），男，助理研究員，從事混合炸藥配方和工藝研究。