粉末冶金工藝鈦合金材料對藥型罩破甲性能的影響

馮可華，杜 寧，章若晨，郭 創(chuàng)，楊 瑩

(1.江蘇永豐機械有限責(zé)任公司， 江蘇 盱眙 211722； 2.沈陽理工大學(xué)， 沈陽 110158)

1 引言

藥型罩是聚能裝藥戰(zhàn)斗部的關(guān)鍵零部件，藥型罩材料、形狀、加工方法等對戰(zhàn)斗部破甲性能有顯著影響。近年來，國內(nèi)外學(xué)者不斷深入研究藥型罩新材料、新工藝及其破甲性能。鈦合金具有密度低、成分均勻、晶粒細(xì)小等特點，作為一種新型藥型罩材料而備受關(guān)注。薛鑫瑩等認(rèn)為聚能裝藥鈦合金藥型罩形成的射流與傳統(tǒng)紫銅、鍛鋁射流相比，對于鋼筋混凝土目標(biāo)具有明顯的優(yōu)越性，鈦合金作為攻堅型聚能裝藥的藥型罩材料較為合適。張曉偉等進行的鈦合金藥型罩聚能裝藥射流成型與侵徹試驗表明，鈦合金藥型罩能夠提高對目標(biāo)的開孔孔徑。郭光全等對紫銅、鈦合金藥型罩、鋁/鈦復(fù)合球缺罩的聚能裝藥，利用靜破甲試驗的方法，研究對比3種聚能裝藥的侵徹威力及開孔性能，并對其毀傷機理進行分析。鄂智佳等采用試驗、數(shù)值模擬和理論計算相結(jié)合的方法，研究了高密度鈦合金藥型罩結(jié)構(gòu)的射流形成及其侵徹過程。依靠脈沖X光攝影技術(shù)，得到了成形過程中射流的形貌和對鋼錠的侵徹孔形。張毅等認(rèn)為，鈦合金藥型罩形成侵徹體的成型性較好，并研究了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對鈦合金藥型罩射流形成的影響。趙騰等認(rèn)為鈦合金作為藥型罩材料，可在保證侵徹孔徑的同時，有效提高侵徹深度。

設(shè)計和研制產(chǎn)品過程中，對聚能裝藥結(jié)構(gòu)一般先仿真設(shè)計，并結(jié)合經(jīng)驗公式初步計算破甲穿深，然后實施試制和試驗驗證，根據(jù)試驗測試和結(jié)果再進行優(yōu)化設(shè)計。目前，針對鈦合金藥型罩射流形成和侵徹過程的數(shù)值仿真計算，通常是利用LS-DYNA或AUTODYNA等軟件進行。由于不同工藝條件下制備材料的性能參數(shù)，往往存在采集不齊全、不充分，準(zhǔn)確性有待提高等情況，使得仿真結(jié)果與實際試驗往往存在較大的偏差。需要通過X射線測試設(shè)備對射流形態(tài)進行照相，完善材料本構(gòu)關(guān)系后進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

破甲理論計算公式運用起來比較繁瑣、復(fù)雜，工程設(shè)計中多采用經(jīng)驗公式?，F(xiàn)有計算破甲深度的經(jīng)驗公式比較多，這些經(jīng)驗公式通常是依據(jù)特定產(chǎn)品進行總結(jié)的。其中根據(jù)某制式產(chǎn)品裝藥結(jié)構(gòu)及其破甲深度進行總結(jié)的一個經(jīng)驗公式，在所有經(jīng)驗公式中選取的因素最多，應(yīng)用較為廣泛。該公式選取了有、無隔板，藥型罩材料、錐角、母線長度，裝藥種類、密度、爆速，靶板材料等因素。公式中將藥型罩材料、加工方法及靶板材料對破甲的影響定義為破甲影響系數(shù)，這是一個常數(shù)。資料中給出了紫銅車制、沖壓，鋼沖壓，鋁車制和玻璃等不同材料及加工方法，分別對碳鋼、裝甲鋼的破甲影響系數(shù)。材料的制備工藝、性能和藥型罩結(jié)構(gòu)，使藥型罩既有先進材料效應(yīng)又有先進結(jié)構(gòu)效應(yīng)，采用粉末冶金工藝制備的材料，可利用粉末藥型罩射流特性實現(xiàn)破甲性能要求。

本研究通過對鈦合金與紫銅、鋼、鋁等其他常用藥型罩材料的性能進行對比、分析，初步推斷出鈦合金與鋼兩種材料的破甲性能基本相近。并結(jié)合對鋼柱靜爆威力試驗驗證，推算出了粉末冶金工藝鈦合金材料對破甲的影響系數(shù)，為判斷鈦合金藥型罩的破甲性能提供了一種依據(jù)。

2 鈦合金材料藥型罩的破甲影響系數(shù)與破甲威力

2.1 某大口徑復(fù)合戰(zhàn)斗部研制

某大口徑復(fù)合戰(zhàn)斗部，要求具有攻堅、破甲和殺傷能力。其中對C35鋼筋混凝土靶標(biāo)侵徹厚度≥1 000 mm，破孔通孔≥φ55 mm。

戰(zhàn)斗部設(shè)計為一種帶有隔板的收斂形聚能裝藥結(jié)構(gòu)(見圖1)，裝藥口徑φ160 mm，選用聚黑-2炸藥，裝藥量4.5 kg，藥型罩采用等壁厚單錐結(jié)構(gòu)設(shè)計，隔板材料為聚苯乙烯。

圖1 復(fù)合戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Composite warhead structure diagram

常規(guī)彈藥戰(zhàn)斗部上紫銅藥型罩應(yīng)用較為廣泛，其形成的射流一般為細(xì)長形態(tài)，破孔入口和通孔較小，因此選用紫銅材料難以滿足攻堅的威力要求。為兼顧攻堅和破甲威力要求，經(jīng)分析，藥型罩選用鈦合金材料。與紫銅相比，鈦合金材料藥型罩的主要優(yōu)勢為對付鋼筋混凝土大破孔性能優(yōu)，穩(wěn)定性好。選用一種新型Ti基合金TAX作為藥型罩材料，該材料為多相復(fù)合材料，采用粉末冶金工藝制備，性能參數(shù)見表1所示。

表1 TAX合金材料的性能參數(shù)Table 1 TXT Performance parameters of alloy materials

TAX合金材料藥型罩在炸藥驅(qū)動下可形成高速、具有一定長度和直徑較粗的射流。在攻堅毀傷過程中，不易散開，可實現(xiàn)對混凝土的大開孔毀傷，正面和背部崩落區(qū)域較大，毀傷效果顯著優(yōu)于紫銅，通孔直徑一般可達到(0.3～0.5)倍裝藥口徑，同時其兼具一定的破甲毀傷效果。經(jīng)多輪優(yōu)化和試驗驗證，該戰(zhàn)斗部對混凝土墻體攻堅威力可滿足要求，其破孔、入口及出口情況如圖2所示。

圖2 墻體毀傷(破孔、入口、出口)情況Fig.2 Wall damage (broken、entrance and exit)

為驗證其破甲水平進行了試驗考核。試驗采用帶2A12殼體戰(zhàn)斗部，8電雷管起爆?？己?.4倍炸高條件下，垂直侵徹45鋼柱的穿深能力。

試驗進行一組共3發(fā)。預(yù)先設(shè)置的鋼柱為φ180 mm×500 mm和φ180 mm×100 mm各一根疊合而成。試驗時，第1發(fā)穿深結(jié)果500 mm鋼柱不透，后兩發(fā)試驗將第一根鋼柱長度調(diào)整為400 mm。由于鋼柱直徑偏小，試驗后鋼柱的入口均產(chǎn)生了崩落，對射流穿深具有一定影響，第1發(fā)由于φ180 mm×500 mm鋼柱未透無出口尺寸，第2發(fā)和第3發(fā)的出口尺寸為φ180 mm×400 mm鋼柱的出口尺寸。試驗結(jié)果3發(fā)平均穿深為435.0 mm(具體數(shù)據(jù)見表2)，按裝甲鋼材料等效為1.1倍45鋼計算，對裝甲鋼穿深達395.5 mm。

表2 復(fù)合戰(zhàn)斗部對45#鋼柱靜破甲穿深Table 2 The compound warhead penetrates static armor on 45# steel column

試驗現(xiàn)場布置及鋼柱穿透情況如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場布置及鋼柱穿透情況示意圖Fig.3 Schematic diagram of site layout and penetration of steel column

2.2 對破甲威力影響系數(shù)的推算

目前，尚缺乏可以區(qū)分不同裝藥結(jié)構(gòu)的理論公式來準(zhǔn)確計算破甲深度。該戰(zhàn)斗部聚能裝藥結(jié)構(gòu)帶有隔板，裝藥密度、炸藥爆速、藥型罩錐角、藥型罩母線長度等參數(shù)已經(jīng)確定。采用前述分析應(yīng)用較為廣泛的經(jīng)驗公式，可推算出鈦合金材料對破甲的影響系數(shù):

=(-0706×10+0593+

(1)

式中：為帶有隔板的破甲深度，mm；為考慮藥型罩材料、加工方法及靶板材料對破甲的影響系數(shù)，如表3所示；為藥型罩的半錐角，(°)；為裝藥密度，g/cm；為炸藥的爆速，m/s，(通過火炸藥手冊等資料查取為8 300)；為藥型罩母線長，mm(設(shè)計為233)。

表3 影響系數(shù)Table 3 Influence coefficient η value

由于雙錐形或喇叭形藥型罩沒有固定的半錐角，取藥型罩外壁母線兩端連線與軸心線夾角作為半錐角(見圖4)。

圖4 藥型罩半錐角示意圖Fig.4 Schematic diagram of selection of half cone angle of liner

根據(jù)對裝甲鋼穿深395.5 mm的試驗結(jié)果，按照式(1)進行反推，計算可得該裝藥條件下粉末冶金工藝鈦合金材料對裝甲鋼靶板的破甲影響系數(shù)為0.717。

2.3 藥型罩材料對破甲威力影響的分析

藥型罩破甲深度是衡量藥型罩破甲性能的重要指標(biāo)，根據(jù)侵徹流體動力學(xué)理論，金屬射流侵徹深度正比于射流長度和藥型罩材料密度的平方根。為獲得良好的穿深，藥型罩材料應(yīng)密度高、塑性好、在形成射流過程中不易汽化，且需要匹配適合的強度和體膨脹系數(shù)。因此，密度、抗拉強度、伸長率、體膨脹系數(shù)和聲速是材料的主要性能參數(shù)。材料密度高但塑性低，形成的射流(連續(xù)射流)質(zhì)量不高，射流在運動過程中徑向膨脹，使射流分散而影響破甲。藥型罩強度低，在碰擊目標(biāo)時可能產(chǎn)生較大的變形或破壞，從而影響動破甲效果。經(jīng)查閱，藥型罩常用的各類材料主要性能參數(shù)見表4。

表4 藥型罩常用材料的性能參數(shù)Table 4 Performance parameters of commonly used materials for liner

從表4可以看出，鈦與鋼聲速差異較小，鈦的抗拉強度與體膨脹系數(shù)明顯優(yōu)于鋼，鋼的密度與伸長率要高于鈦。綜合分析后認(rèn)為，作為藥型罩材料，鈦合金與鋼的破甲性能應(yīng)基本相近。

3 鈦合金材料破甲影響系數(shù)復(fù)試驗證

鈦合金材料對裝甲鋼靶板的破甲性能和破甲影響系數(shù)，僅經(jīng)初步分析和上述大口徑復(fù)合戰(zhàn)斗部靜破甲試驗結(jié)果的推算，需進行進一步復(fù)試驗證。

某中口徑攻堅彈藥配用于單兵輕型火炮系統(tǒng)，要求具有攻堅、破甲和隨進殺傷能力。該彈藥戰(zhàn)斗部采用單級攻堅裝藥和隨進子彈結(jié)構(gòu)設(shè)計，攻堅裝藥借鑒上述大口徑復(fù)合戰(zhàn)斗部和其他類似產(chǎn)品，設(shè)計為一種帶有隔板的圓柱形聚能裝藥結(jié)構(gòu)(見圖5)，炸高為2.4倍裝藥口徑。裝藥選用聚黑-2炸藥，裝藥量0.615 kg，炸藥爆速8 300 m/s。藥型罩采用TAX合金材料、等壁厚單錐形，錐角保持不變，壁厚進行適應(yīng)性調(diào)整，罩母線長65 mm。隔板采用聚苯乙烯煮制而成。

圖5 攻堅戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Map of the hard structure warhead

設(shè)計完成后，采用經(jīng)驗式(1)取破甲影響系數(shù)為0.717進行計算，可得該戰(zhàn)斗部對裝甲鋼靜破甲威力穿深達110.2 mm。考慮到該罩型結(jié)構(gòu)，2.4倍裝藥口徑炸高條件下較大口徑復(fù)合戰(zhàn)斗部3.4倍裝藥口徑更有利于發(fā)揮連續(xù)射流的破甲侵徹能力，預(yù)計對裝甲鋼的實際穿深應(yīng)大于110.2 mm。

復(fù)試采用垂直侵徹45鋼柱的靜破甲試驗方法，進行一組共5發(fā)。45鋼柱為φ130 mm×120 mm和φ130 mm×50 mm各一塊疊合而成。

試驗后鋼柱入口未產(chǎn)生崩落情況，由于各發(fā)均未穿透第二塊φ130 mm×50 mm鋼柱，出口尺寸為第一塊φ130 mm×120 mm鋼柱的出口尺寸。試驗結(jié)果，5發(fā)平均穿深為145.2 mm(具體數(shù)據(jù)見表5)，按裝甲鋼材料等效為1.1倍45鋼計算，對裝甲鋼穿深達132.0mm。

表5 攻堅戰(zhàn)斗部對45#鋼柱靜破甲穿深(mm)Table 5 Hard structure warhead of 45# steel column static armor penetration

隨后開展了戰(zhàn)斗部動態(tài)威力試驗，分別對0.5 m/0°鋼筋混凝土靶板、50 mm/60°裝甲鋼板射擊，結(jié)果均穿透。

根據(jù)對裝甲鋼穿深132.0 mm的試驗結(jié)果，按照式(1)進行反推，計算可得該裝藥條件下粉末冶金工藝鈦合金材料對裝甲鋼靶板的破甲影響系數(shù)為0.859。

綜合2次試驗結(jié)果，粉末冶金工藝鈦合金對裝甲鋼靶板的破甲影響系數(shù)分別為0.717、0.859，平均0.788。后一次數(shù)據(jù)較前一次數(shù)據(jù)大19.8%，分析與裝藥結(jié)構(gòu)(圓柱形/收斂形)、炸高(2.4倍/3.4倍裝藥口徑)的差異，以及靶標(biāo)(鋼柱)是否合適等因素有較大關(guān)系。在一定的裝藥結(jié)構(gòu)下，炸高有利時影響系數(shù)取值可偏大，炸高不利時影響系數(shù)取值偏??；罩頂藥層厚度滿足合理設(shè)計要求的前提下，藥型罩同口徑時影響系數(shù)取值可偏大，藥型罩次口徑時影響系數(shù)取值可偏小。

4 結(jié)論

1) 本文中粉末冶金工藝制備的鈦合金對裝甲鋼靶板的破甲影響系數(shù)，是對特定的鈦合金材料牌號、制作工藝方法和靶板材料等條件而言的。影響破甲威力水平高低及其穩(wěn)定性的因素眾多，藥型罩及其裝藥結(jié)構(gòu)、炸藥柱壓制和戰(zhàn)斗部裝配工藝技術(shù)、試驗炸高等因素，均可能導(dǎo)致威力水平差異。

2) 綜合2次試驗情況，粉末冶金工藝鈦合金破甲影響系數(shù)平均為0.788，鋼材料破甲影響系數(shù)為0.77～0.79，2種材料藥型罩破甲性能基本相近。

3) 研究了鈦合金破甲影響系數(shù)的選取，為判斷和計算鈦合金藥型罩的破甲性能提供了一種依據(jù)，在常規(guī)破甲戰(zhàn)斗部鈦合金藥型罩及其裝藥中具有參考意義和借鑒價值。