鈦合金半穿甲戰(zhàn)斗部高速侵徹鋼靶性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究

周忠彬，張 博，趙永剛，張萌昭，郭雙鋒，袁寶慧

(西安近代化學(xué)研究所， 西安 710065)

1 引言

與炸彈、魚水雷等傳統(tǒng)反艦武器相比，反艦導(dǎo)彈的射程遠(yuǎn)、命中率高，已成為海戰(zhàn)中攻擊水面駐泊艦艇的主要武器。半穿甲戰(zhàn)斗部是反艦導(dǎo)彈的有效載荷，侵入艦船內(nèi)爆炸能造成艦船結(jié)構(gòu)破壞和塑性變形，引起艦船劇烈振動(dòng)從而破壞艦上設(shè)備，嚴(yán)重的還能導(dǎo)致關(guān)鍵艙室喪失功能，最終使艦船喪失戰(zhàn)斗力。反艦導(dǎo)彈對(duì)艦船的毀傷效能主要依賴于戰(zhàn)斗部類型，依據(jù)戰(zhàn)斗部爆炸形成的毀傷元特點(diǎn)，通常反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部有5種類型：整體爆破戰(zhàn)斗部、聚能爆破戰(zhàn)斗部、殺傷爆破戰(zhàn)斗部、半穿甲爆破戰(zhàn)斗部和半穿甲多P裝藥戰(zhàn)斗部。前3種戰(zhàn)斗部是外爆式，能量利用率較低，僅部分爆炸能量作用于艦船；后2種戰(zhàn)斗部是內(nèi)爆式，侵入船體內(nèi)爆炸，能充分發(fā)揮強(qiáng)沖擊波超壓和高速破片的能量，大幅提升毀傷效能，因此半穿甲戰(zhàn)斗部在反艦導(dǎo)彈上裝備數(shù)量較多。半穿甲戰(zhàn)斗部需在殼體強(qiáng)度滿足的前提下穿透數(shù)層船板，通常殼體選用高強(qiáng)高韌性能的鋼材，裝填系數(shù)不高，一般在0.2～0.3。若殼體采用比強(qiáng)度較高、密度較低的鈦合金，炸藥裝填系數(shù)可進(jìn)一步提高(不小于0.4)，能較顯著提升戰(zhàn)斗部的毀傷威力。

鈦合金有較高比強(qiáng)度、較好塑性韌性、較低密度、良好耐腐蝕、耐熱及抗沖擊等綜合性能，在航空航天及國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域中已得到較廣泛應(yīng)用。結(jié)合應(yīng)用較成熟的鈦合金及新型高強(qiáng)鈦合金研制進(jìn)展，選擇3種典型性能的鈦合金：中強(qiáng)高韌性能α型TA15、高強(qiáng)中韌性能β型Ti67和超高強(qiáng)低韌性能(α+β)型Ti36合金，結(jié)合125 mm口徑火炮發(fā)射裝置，設(shè)計(jì)了一種半穿甲戰(zhàn)斗部，進(jìn)行了戰(zhàn)斗部高速斜侵徹單層鋼靶性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀對(duì)比分析，選擇更適合作為半穿甲戰(zhàn)斗部殼體材料的鈦合金，研究結(jié)果可為工程應(yīng)用中殼體材料選擇提供依據(jù)。

2 鈦合金性能

從合金類型上鈦合金分3種：α型、β型和(α+β)型，多數(shù)鈦合金的屈服強(qiáng)度在850～1 200 MPa，相比較β型和(α+β)型鈦合金，α型鈦合金強(qiáng)度相對(duì)較低。眾所周知，鈦合金是一種熱導(dǎo)率較低的材料，在變形過程中由于塑性變形功轉(zhuǎn)化而來的熱量無(wú)法及時(shí)傳導(dǎo)出去，使得材料內(nèi)部局部區(qū)域溫度快速升高，該局部區(qū)域成為了熱軟化區(qū)。當(dāng)材料內(nèi)部由于絕熱溫升引起的熱軟化效應(yīng)超過了塑性變形引起的應(yīng)變硬化和應(yīng)變率硬化效應(yīng)時(shí)，鈦合金材料在高應(yīng)變率沖擊載荷作用下產(chǎn)生的塑性應(yīng)變集中，從而形成狹長(zhǎng)的絕熱剪切帶(ASB)，絕熱剪切帶進(jìn)一步誘發(fā)微裂紋或微孔洞的產(chǎn)生，微裂紋和微孔洞擴(kuò)展連通是最終導(dǎo)致材料失載破壞的主要原因。因此，熱處理工藝是調(diào)整鈦合金細(xì)觀組織和力學(xué)性能的重要手段，作為半穿甲戰(zhàn)斗部殼體材料，要求材料既要有較高的強(qiáng)度，又要有較高的塑性和韌性匹配，以滿足抗絕熱剪切能力的需求。

選擇的3種鈦合金，其主要力學(xué)性能參數(shù)如表1所示，分析表1中數(shù)據(jù)：TA15合金強(qiáng)度中等，韌性良好，屬于抗絕熱剪切性能較好的合金材料；Ti67合金強(qiáng)度較高，韌性中等，也應(yīng)是一種對(duì)絕熱剪切不敏感的合金材料；相比較TA15和Ti67合金，Ti36合金強(qiáng)度高、韌性低，應(yīng)是絕熱剪切敏感的材料。因此，分析認(rèn)為TA15和Ti67這2種合金材料應(yīng)用于高速侵徹下半穿甲戰(zhàn)斗部的殼體材料是有優(yōu)勢(shì)的。

表1 3種鈦合金材料主要力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Main mechanical properties of three kinds of titanium alloys

3 半穿甲戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)

目前,半穿甲戰(zhàn)斗部炸藥的裝填系數(shù)不小于0.4，侵徹速度在2以上，依靠自身動(dòng)能侵入艦體內(nèi)爆炸，這要求戰(zhàn)斗部有較強(qiáng)的貫穿艦船甲板的能力，且侵徹過程中殼體不能發(fā)生破裂和嚴(yán)重變形，避免內(nèi)部裝藥發(fā)生燃燒或爆炸反應(yīng)。

戰(zhàn)斗部采用卵型頭部和后續(xù)圓柱直段結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，頭部至圓柱段為變壁厚設(shè)計(jì)，頂端最厚處為壁厚的3倍。戰(zhàn)斗部裝填惰性藥柱，炸藥裝填系數(shù)約0.45%。為滿足火炮發(fā)射要求，殼體設(shè)計(jì)前定心和后定心環(huán)，并設(shè)計(jì)閉氣環(huán)和閉氣環(huán)壓環(huán)結(jié)構(gòu)。彈體結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。戰(zhàn)斗部長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為350 mm，定心處直徑為125 mm，除定心外圓柱直徑為116 mm，考慮到鈦合金密度略有差異，戰(zhàn)斗部質(zhì)量在11.3～11.5 kg。

1-殼體；2-后端蓋；3-閉氣環(huán)；4-壓環(huán)；5-緊固螺釘圖1 半穿甲戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of semi armor piercing warhead

圖2 半穿甲戰(zhàn)斗部實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Physical photos of semi armor piercing warhead

4 實(shí)驗(yàn)方案

選擇125 mm口徑的滑膛炮開展實(shí)驗(yàn)，對(duì)于11.3～11.5 kg質(zhì)量的鈦合金戰(zhàn)斗部，火炮發(fā)射后戰(zhàn)斗部自由飛行速度可達(dá)到750～850 m/s。在該速度下研究鈦合金戰(zhàn)斗部斜侵徹單層鋼靶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差異。

靶板選用高強(qiáng)度裝甲鋼板，其屈服強(qiáng)度不小于600 MPa，厚度為20 mm，考慮到鋼板的長(zhǎng)度和寬度設(shè)計(jì)按照邊側(cè)反射波不影響穿靶過程，取彈體直徑的10倍以上，故鋼板板面尺寸為1 500 mm×2 000 mm。同時(shí)，設(shè)計(jì)了靶架固定鋼板，確保鋼板與水平地面的夾角為55°，實(shí)驗(yàn)靶標(biāo)布局如圖3所示。

圖3 鋼靶布局場(chǎng)景圖Fig.3 Steel target layout

為獲得火炮發(fā)射后戰(zhàn)斗部自由飛行撞靶速度，且實(shí)時(shí)記錄戰(zhàn)斗部侵徹鋼板過程，在垂直于火炮發(fā)射方向布設(shè)1臺(tái)高速相機(jī)，在鋼靶前布置標(biāo)桿，標(biāo)桿距鋼靶幾何中心的水平距離為4 m。125 mm口徑的火炮布設(shè)于實(shí)驗(yàn)靶標(biāo)正前方約25 m處，為方便戰(zhàn)斗部回收，將鋼靶靠近回收山體放置。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 侵徹鋼板結(jié)果分析

每種鈦合金戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)數(shù)量2發(fā)，3種鈦合金戰(zhàn)斗部共6發(fā)。高速相機(jī)采集速率選擇5 000幀/s，實(shí)時(shí)記錄了戰(zhàn)斗部貫穿鋼靶過程。依據(jù)高速相機(jī)拍攝照片，可得到戰(zhàn)斗部頭部頂端到達(dá)標(biāo)桿開始直至頭部撞擊鋼板結(jié)束所需時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出戰(zhàn)斗部撞擊鋼板前的平均速度。相同原理也可獲得戰(zhàn)斗部穿透鋼板后的剩余平均速度。6發(fā)戰(zhàn)斗部速度在763～783 m/s、不同攻角、著角35°條件下均能穿透20 mm厚的裝甲鋼板，實(shí)驗(yàn)結(jié)果描述見表2。

表2 3種鈦合金戰(zhàn)斗部侵徹鋼板實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of three titanium alloy warheads penetrating steel plates

結(jié)果表明戰(zhàn)斗部初始撞靶速度比較一致，在(773±10)m/s速度范圍內(nèi)，但初始撞靶姿態(tài)結(jié)果差異大變化范圍為0°～21°，分析認(rèn)為導(dǎo)致初始姿態(tài)不穩(wěn)定的主要原因有2個(gè)方面：一是反艦戰(zhàn)斗部的外形呈短粗型，長(zhǎng)徑比不大，在空中自由飛行過程中受重力、氣動(dòng)阻力等相互耦合作用，戰(zhàn)斗部姿態(tài)容易向下偏轉(zhuǎn)；二是發(fā)射時(shí)火炮炮管內(nèi)戰(zhàn)斗部尾端面受到的膛壓作用力是非理想均勻的，在非均勻推力作用下戰(zhàn)斗部出炮管時(shí)的速度方向和其軸線方向不完全一致，容易產(chǎn)生小角度的攻角，初始狀態(tài)下戰(zhàn)斗部已產(chǎn)生小的偏轉(zhuǎn)速度，隨著飛行距離的增大，偏轉(zhuǎn)速度和角速度都增大，使得到達(dá)靶前的撞擊攻角也很大。在靶后山體中回收到的2發(fā)TA15合金戰(zhàn)斗部和1發(fā)T67合金戰(zhàn)斗部主體結(jié)構(gòu)保持完整，其余3發(fā)戰(zhàn)斗部發(fā)生了不同程度的破壞。圖4～圖6分別給出了3種鈦合金戰(zhàn)斗部侵徹鋼靶典型時(shí)刻的結(jié)果。

圖4 TA15戰(zhàn)斗部侵徹鋼靶過程場(chǎng)景圖Fig.4 Penetration process of TA15 warhead into steel target

圖5 Ti67戰(zhàn)斗部侵徹鋼靶過程場(chǎng)景圖Fig.5 Penetration process of Ti67 warhead into steel target

圖6 Ti36戰(zhàn)斗部侵徹鋼靶過程場(chǎng)景圖Fig.6 Penetration process of Ti36 warhead into steel target

5.2 戰(zhàn)斗部破壞情況分析

2發(fā)TA15戰(zhàn)斗部穿靶后回收彈體及靶板穿孔照片如圖7。雖然TA15合金強(qiáng)度中等，但其抗沖擊能力較強(qiáng)、綜合性能較優(yōu)。觀察回收的戰(zhàn)斗部，頭部圓弧段均有不同程度的侵蝕破壞，但都未發(fā)生絕熱剪切破壞，說明TA15合金強(qiáng)度和韌性滿足763～783 m/s侵徹速度下半穿甲戰(zhàn)斗部殼體強(qiáng)度的要求。

圖7 回收TA15戰(zhàn)斗部及靶板破壞情況照片F(xiàn)ig.7 Recovery of shell fragments and target plate damage of TA15 warhead

結(jié)合表2數(shù)據(jù)，2發(fā)TA15戰(zhàn)斗部均以低頭姿態(tài)撞擊20 mm厚的裝甲鋼靶，低頭姿態(tài)角越大，殼體在穿透鋼靶板過程中側(cè)向受到的鋼板作用力越大，因此，相比較2#戰(zhàn)斗部，1#戰(zhàn)斗部頭部弧段侵蝕區(qū)域大，侵蝕長(zhǎng)度約為頭端圓弧段的長(zhǎng)度。分析1#和2#戰(zhàn)斗部試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的質(zhì)量變化,1#戰(zhàn)斗部的質(zhì)量由初始的11.36 kg降至10.97 kg，頭部侵蝕引起的質(zhì)量損失約3.43%；2#戰(zhàn)斗部的質(zhì)量由初始的11.32 kg降至11.19 kg，頭部侵蝕破壞引起的質(zhì)量損失約1.15%，因此1#戰(zhàn)斗部頭部侵蝕破壞嚴(yán)重。測(cè)量1#和2#戰(zhàn)斗部的外徑分別是115.96 mm和115.98 mm，與初始直徑保持一致，因此，2發(fā)戰(zhàn)斗部殼體圓柱段未發(fā)生變形，2發(fā)TA15戰(zhàn)斗部穿靶后，鋼板上的穿孔形狀比較規(guī)則，低頭姿態(tài)較大時(shí)穿孔形狀近似橢圓形，穿孔長(zhǎng)度約163 mm，寬度約139.8 mm；低頭姿態(tài)較小時(shí)穿孔形狀近似圓形，穿孔直徑約138.5 mm。觀察鋼板正面和背面，均為沖塞和花瓣型破壞。鋼板穿孔崩落面積均大于彈體橫截面面積，其余為花瓣型翹口，表明戰(zhàn)斗部成功貫穿鋼靶。

2發(fā)Ti67戰(zhàn)斗部穿靶后回收彈體及靶板穿孔照片如圖8所示。

圖8 回收Ti67戰(zhàn)斗部及靶板破壞情況照片F(xiàn)ig.8 Recovery of shell fragments and target plate damage of Ti67 warhead

速度在763～783 m/s，低頭侵徹姿態(tài)下戰(zhàn)斗部(編號(hào)1#)沿著軸向斷裂成2部分，觀察戰(zhàn)斗部斷面形貌，從殼體的外表面朝向內(nèi)腔表面的方向，斷面基本呈45°角，這表明該發(fā)戰(zhàn)斗部在撞擊鋼靶過程中殼體發(fā)生剪切破壞。進(jìn)一步觀察戰(zhàn)斗部頭部圓弧段，可看到2條擴(kuò)展的裂紋，由于前定心環(huán)對(duì)殼體強(qiáng)度是一種局部加強(qiáng)作用，2條裂紋擴(kuò)展至前定心環(huán)根部終止，戰(zhàn)斗部頭部頂端破壞也比較嚴(yán)重。測(cè)量1#戰(zhàn)斗部試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的質(zhì)量變化，由初始的11.41 kg降至9.84 kg，殼體斷裂引起的質(zhì)量損失約13.76%。與1#戰(zhàn)斗部對(duì)比，水平侵徹姿態(tài)下第2發(fā)戰(zhàn)斗部(編號(hào)2#)穿透鋼板后實(shí)現(xiàn)了完整回收，結(jié)構(gòu)保持完好，僅頭部頂端有輕度侵蝕現(xiàn)象，測(cè)量2#戰(zhàn)斗部試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的質(zhì)量變化，由初始的11.44 kg降至1.3 kg，頭部侵蝕引起的質(zhì)量損失約0.96%。觀測(cè)軸向無(wú)變形現(xiàn)象，測(cè)量2#戰(zhàn)斗部殼體直徑為115.98 mm，與初始直徑相同，殼體側(cè)向無(wú)變形。觀察2次試驗(yàn)后鋼板正面和背面，均為沖塞和花瓣型破壞，橢圓形穿孔的長(zhǎng)度約165 mm、寬度約143.8 mm，圓形穿孔的直徑約136.9 mm，穿孔崩落面積都大于彈體橫截面面積，其余為花瓣型翹口，表明戰(zhàn)斗部都成功貫穿鋼靶。

對(duì)破壞的1#戰(zhàn)斗部斷口形貌進(jìn)行了掃描電鏡觀察，圖9是絕熱剪切帶的整體形貌，絕熱剪切帶是一種局域非均勻化變形而導(dǎo)致的特殊變形結(jié)構(gòu)，宏觀上多呈現(xiàn)為一條亮白色細(xì)長(zhǎng)條帶區(qū)域，寬度一般在幾微米到十幾微米之間。形成絕熱剪切帶后，隨后在剪切帶內(nèi)或剪切帶與基體的界面處萌生裂紋，并沿剪切帶擴(kuò)展。圖10是絕熱剪切帶區(qū)域的局部高倍形貌圖，可觀測(cè)到剪切帶與基體間存在微觀尺度上可辨識(shí)的過渡區(qū)域，即在絕熱剪切帶與基體的過渡區(qū)表現(xiàn)有較明顯的晶粒變形特征。剪切帶兩側(cè)晶粒沿剪切方向發(fā)生拉長(zhǎng)和變形，剪切帶中心與基體附近的過渡區(qū)域也存在拉長(zhǎng)晶粒，且平行于剪切帶，存在斷續(xù)分布的微裂紋。

圖9 ASB的整體組織形貌Fig.9 Macrostructural characteristics of shear bands

圖10 絕熱剪切帶的擴(kuò)展路徑組織形貌Fig.10 Extension path of ASB

相比較TA15合金，Ti67合金強(qiáng)度略有升高，但韌性降低，強(qiáng)度和韌性的匹配性與TA15合金存在一定差異。結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，對(duì)比TA15合金，Ti67合金的強(qiáng)度和韌性的匹配性可能沒有達(dá)到最佳，對(duì)較高的侵徹速度(763～783 m/s)不具有穩(wěn)定的適應(yīng)性，或者是由于戰(zhàn)斗部低頭姿態(tài)撞靶，殼體受力更加苛刻，在該條件的強(qiáng)沖擊載荷作用下表現(xiàn)出絕熱剪切敏感性。因此，分析認(rèn)為Ti67合金可以作為半穿甲戰(zhàn)斗部的殼體材料，但對(duì)戰(zhàn)斗部的侵徹姿態(tài)和侵徹速度有一定的適用范圍，針對(duì)這一問題后續(xù)將進(jìn)一步開展相關(guān)研究。

Ti36合金強(qiáng)度最高，但塑性和韌性低，2發(fā)Ti36戰(zhàn)斗部穿過鋼靶后均發(fā)生嚴(yán)重破碎，回收的殼體破片及靶板穿孔照片如圖11所示。對(duì)回收到的殼體破片進(jìn)行測(cè)量，1#戰(zhàn)斗部殼體破片的尺寸最大約167 mm×109 mm、最小約5 m×3.7 m，2#戰(zhàn)斗部殼體破片的尺寸最大約137 mm×129 mm、最小約6.7 mm×4.9 mm，2發(fā)殼體破裂形成的破片尺寸分布規(guī)律基本一致,觀察鋼板正面和背面穿孔形貌，靶板上穿孔形狀近似橢圓形，穿孔長(zhǎng)度約173.5 mm、寬度約137.4 mm，這是由于戰(zhàn)斗部低頭姿態(tài)侵入鋼板所致，鋼板呈沖塞和花瓣型破壞，穿孔崩落面積均大于彈體橫截面面積，其余為花瓣型翹口，表明戰(zhàn)斗部仍具備穿透20 mm厚裝甲鋼板的能力。觀察殼體碎片斷面，斷面比較平整，分析認(rèn)為高速?zèng)_擊載荷作用下，Ti36合金殼體的破壞形式是脆性斷裂，這表明超高強(qiáng)低韌性的Ti36合金不適合作為半穿甲戰(zhàn)斗部的殼體材料。

圖11 回收Ti36戰(zhàn)斗部殼體破片及靶板破壞情況照片F(xiàn)ig.11 Recovery of shell fragments and target plate damage of Ti36 warhead

侵徹速度在763～783m/s，通過典型的3種鈦合金半穿甲戰(zhàn)斗部斜侵徹單層鋼板對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：鈦合金作為高速使用條件下半穿甲戰(zhàn)斗部的殼體材料，既需要有較高的強(qiáng)度，又需要有較合理的塑性和韌性的匹配性。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果直觀表明：在3種鈦合金中，中強(qiáng)高韌性能α型TA15合金和高強(qiáng)中韌性能β型Ti67合金都可作為半穿甲戰(zhàn)斗部的殼體材料，再進(jìn)一步對(duì)比該2種合金，雖然TA15合金強(qiáng)度中等，但其韌性和強(qiáng)度匹配性更好，抗絕熱剪切能力更強(qiáng)，綜合性能更佳，是高速條件下半穿甲戰(zhàn)斗部殼體材料的首要選擇。

6 結(jié)論

1) 2發(fā)TA15合金戰(zhàn)斗部在763～783 m/s速度下成功貫穿20 mm厚裝甲鋼靶，回收戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)保持完好；與之相比，2發(fā)Ti67鈦合金戰(zhàn)斗部在相同速度下也能成功貫穿目標(biāo)靶板，僅1發(fā)回收的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)保持完好；與TA15和Ti67合金戰(zhàn)斗部相比較，2發(fā)Ti36合金戰(zhàn)斗部在穿透鋼板后均發(fā)生斷裂。

2) 在3種鈦合金中，相比較超高強(qiáng)低韌性能的Ti36合金，中強(qiáng)高韌性能TA15合金和高強(qiáng)中韌性能Ti67合金都可作為高速使用條件下半穿甲戰(zhàn)斗部的殼體材料，但Ti67合金對(duì)侵徹姿態(tài)和侵徹速度有一定的適用范圍。進(jìn)一步對(duì)比TA15和Ti67這2種合金，雖然TA15合金強(qiáng)度中等，但韌性和強(qiáng)度匹配性好，抗絕熱剪切能力強(qiáng)，綜合性能優(yōu)，更適合作為高速條件下半穿甲戰(zhàn)斗部的殼體材料。