含强韧外层及脆性内层的复合含能破片及其制备方法
阅读说明：本技术 含强韧外层及脆性内层的复合含能破片及其制备方法 (Composite energetic fragment containing tough outer layer and brittle inner layer and preparation method thereof ) 是由 束庆海 石艳松 吕席卷 成丽荣 赵帅 王东旭 邹浩明 徐博林 文萍 夏为浩 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了含强韧外层及脆性内层的复合含能破片及其制备方法,所述制备方法包括：获得包括钨锆合金的内层材料；将铝金属粉末、镍金属粉末和增强材料粉末的混合球磨粉填充于所述内层材料外,进行共模压及共烧结,得到所述复合含能破片,本发明的制备方法过程简单、生产成本低,所得复合含能破片具有高强高韧性的外层和高脆性的内层,具有很高的侵彻和二次毁伤效能。(The invention discloses a composite energetic fragment containing a tough outer layer and a brittle inner layer and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the following steps: obtaining an inner layer material comprising a tungsten-zirconium alloy; the preparation method has the advantages of simple process and low production cost, and the obtained composite energetic fragment has an outer layer with high strength and high toughness and an inner layer with high brittleness, and has very high penetration and secondary damage efficiency.)
技术领域
本发明涉及金属基复合含能破片的技术领域。
背景技术
钨合金破片由于其密度大，保持速度和穿甲的能力强，被日益广泛地用作杀伤弹药的杀伤元素，同时，根据弹药战术使用的要求，破片在满足穿甲威力的同时还被期望具有引燃或纵火功能，且能具有较高的穿甲后的二次毁伤面积和毁伤后效，因此具有这一功能的单一钨锆系复合含能破片应运而生。
铝镍系合金是典型的含能结构材料，在室温下相当稳定，且具有较高的强度和塑性，钨锆系合金具有较高的脆性。在冲击载荷作用下，铝镍系与钨锆系合金都会因受冲击而诱发化学反应，释放出大量的热量。利用该特性制备的复合含能破片，即可利用铝镍系合金破片的高强韧来侵彻贯穿目标，又可利用钨锆系合金的易碎性在目标后形成破片云弹幕，结合其释能特性对靶后目标产生附加的毁伤效果，最终显著提高毁伤效能。
但现有技术中的铝镍系或钨锆系金属含能破片的侵彻能力和二次毁伤能力仍不足，同时制备方法较为复杂，生产成本较高，无法满足复杂环境下新的军事应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可进一步提高铝镍系-钨锆系复合含能破片的侵彻和二次毁伤效能的制备方法，同时该制备方法过程简单、无特殊工艺要求，生产成本低，所得复合含能破片具有高强高韧性的外层和高脆性的内层。
本发明首先提供了如下的技术方案：
含强韧外层及脆性内层的复合含能破片的制备方法，其包括：
获得所述含能破片的内层材料，所述内层材料包括钨金属和锆金属的合金；
将铝金属粉末、镍金属粉末和增强材料粉末经混合球磨后得到的混合球磨粉填充于所述内层材料外，进行共模压及共烧结，得到所述复合含能破片。
根据本发明的一些优选实施方式，所述内层材料的制备包括：
将钨金属粉末和锆金属粉末进行混合球磨，得到双金属混合粉；
向所述双金属混合粉中加入粘结剂溶液，进行粘结造粒；
将造粒后得到的混合物颗粒进行预压及预烧结，得到所述内层材料。
根据本发明的一些优选实施方式，所述钨金属粉末的质量为所述双金属混合粉质量的30～70％。
根据本发明的一些优选实施方式，所述钨金属粉末与所述锆金属粉末进行所述混合球磨的时间为1～5h。
根据本发明的一些优选实施方式，所述预压的压力为10～50MPa。
根据本发明的一些优选实施方式，所述预压的时间为1～10min。
根据本发明的一些优选实施方式，所述预烧结的温度为1250～1550℃。
根据本发明的一些优选实施方式，所述预烧结的时间为2～4h。
根据本发明的一些优选实施方式，所述粘结剂溶液选自低熔点具有粘结性的高分子材料如1wt％～10wt％的聚乙烯醇溶液。
根据本发明的一些优选实施方式，所述铝金属粉末的质量为所述混合球磨粉的质量的20～60％。
根据本发明的一些优选实施方式，所述混合球磨粉中，所述铝金属粉末、所述镍金属粉末和所述增强材料粉末的质量比为(1～10):(3～15):1。
根据本发明的一些优选实施方式，所述增强材料选自重金属如W、Ta等。
根据本发明的一些优选实施方式，所述共模压的压力为10～50MPa。
根据本发明的一些优选实施方式，所述共烧结的温度为450～550℃，和/或共烧结的时间为0.5～2h。
根据本发明的一些优选实施方式，所述内层材料与所述混合球磨粉的质量比为(1～5)：5。
本发明进一步提供了根据上述任一制备方法制得的复合含能破片。
该复合含能破片内层与外层材料的结合取代了现有的间隙配合方式，内层钨锆系合金与外层铝镍系合金实现合金化结合，一体化成型，无明显界面层，结合紧密，保证了整体的强塑性和侵彻反应效果。
本发明具备以下有益效果：
本发明制得的复合含能破片中，高脆性的钨锆系合金由高强韧的铝镍系含能材料包覆，外层材料密度低活性好、强度高塑性好，具有侵彻和扩孔能力，内层材料易破碎形成破片云弹幕，可以进行梯度装药设计，一体化加工，相对于分体式复合结构效率高且加工制备工艺简单，工程应用实现容易；
本发明制得的复合含能破片相对于单一钨锆系破片，整体具有更高的强韧性，有明显的侵彻和扩孔效应，经过靶场试验，其侵彻和爆炸的威力显著提高；
本发明制得的复合含能破片中，内层钨锆系合金破片在冲击载荷作用下能发生化学反应放出巨大能量，与铝镍的金属间反应放热协同后，活性更高、破片云弹幕更大，二次毁伤效果得到明显提高；
本发明的制备方法采用常规的钨粉、锆粉、铝粉等金属粉，通过混粉、模压、预烧结和烧结工艺等即可实施，过程简单，无特殊工艺要求，成本低，便于批量生产。
附图说明
图1为实施例1所得复合含能破片以1050m/s的初速撞击复合靶板的综合毁伤效果图，其中图(a)为前靶板效果图，图(b)为后靶板效果图；
图2为实施例2所得复合含能破片以1300m/s的初速撞击靶板的综合毁伤效果图；
图3为实施例3所得复合含能破片以1300m/s的初速撞击引燃航空煤油油箱后的综合毁伤效果图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
根据本发明的技术方案，一种具体的所述复合含能破片的制备方法，包括：
步骤一：将钨粉和锆粉置于全方位行星式球磨机中混合均匀，其中，钨粉的质量为钨粉和锆粉总质量的30～70％；
步骤二：向步骤一所得的均匀粉末中加入配好的粘结剂溶液，粘结造粒；
步骤三：将步骤二所得造粒金属置于压药模具中，预压成型；
步骤四：将步骤三得到的预压成型件进行预烧结，得到产品A；
步骤五：将铝粉、镍粉和增强体粉末置于全方位行星式球磨机中混合均匀，其中，铝粉的质量为铝粉、镍粉和增强体粉末的总质量的20～60％；
步骤六：将步骤四所得的产品A与步骤五所得的混合粉按质量配比由内而外填充到模具腔体中，压制成型；
步骤七：将步骤六的压坯样品进行烧结，得到复合含能破片。
其中，在具体实施时，一些优选方式如：
步骤一与步骤五所述混合的时间为1h～5h。
步骤三所述的预压压强为10～50MPa，预压时间为1～10min。
步骤四所述预烧结的温度为1250～1550℃，预烧结时间为2～4h。
步骤七所述烧结的温度为450～550℃，烧结时间为0.5～2h。
步骤二所述的粘结剂溶液选自1wt％～10wt％的聚乙烯醇溶液。
步骤五所述增强体选自1～10微米的W粉或Ta粉。
步骤六所述质量配比为(1～5)：5。
实施例1
通过以下步骤制备含强韧外层及脆性内层的复合含能破片：
称量、混粉：
按组份质量比为钨粉/锆粉＝30/70，称取钨粉30g，锆粉70g，置于全方位行星式球磨机中混合1h，混匀后加入2wt％的聚乙烯醇粘结剂溶液，粘结造粒；
预压：
将造粒后得到的混合物置于圆柱形模具中压缩，以加压速率30N/s加压至压强为30MPa，保压3min后以泄压速率30N/s进行泄压，泄压后脱模，得到预压件；
预烧结：
将得到的预压件置于真空高温烧结炉中在氩气气氛下进行烧结，烧结温度为1450℃，烧结时长为2h，得到圆柱形试件A；
称量、混粉：
按组份质量比为Al粉/Ni粉/增强粉＝30/55/15，称取微米级铝粉30g，镍粉65g，钨粉15g，置于全方位行星式球磨机中混合1h；
模压、烧结：
将所得的产品A与步骤五所得的混合粉按质量配比1：5，在边长8mm的立方形的模具中心加入试件A，在试件A外填充所得混合粉至立方形模腔后，在全自动压样机下压制成型，压制压力为20MPa，将所得压制坯在真空或高温气氛炉下进行450℃、2h烧结，得到所述复合含能破片。
本实施例制备出的外层铝镍系内层钨锆系的复合含能破片的密度约为5.8g/cm3；其在应变率1000/s下强度极限约为1800MPa；在准静态压缩测试下，产品的强度约为1200MPa；当其以1050m/s的初速撞击6mm厚Q235钢板和2mm厚铝板组成的复合靶板时，发生爆燃，并穿透前靶板、形成直径约为14～16mm的规则贯穿孔，在后靶板形成大面积的毁伤效果，分别如附图1(a)、(b)所示。
实施例2
通过以下步骤制备含强韧外层及脆性内层的复合含能破片：
称量、混粉：
按组份质量比钨粉/锆粉＝50/50，称取钨粉50g，锆粉50g，置于全方位行星式球磨机中混合1h，混匀后粘结造粒；
预压：
将所得造粒置于圆柱形模具中压缩，以加压速率30N/s加压至压强为30MPa，保压5min后以泄压速率30N/s进行泄压，泄压后脱模，得到模压件；
预烧结：
将模压件置于烧结炉中烧结，烧结过程中使用氩气气氛，烧结温度为1500℃，烧结时长为1h，得到圆柱形试件A；
称量、混粉：
按各组份质量比为Al粉/Ni粉/增强粉＝30/55/15，称取微米级铝粉30g，镍粉55g，钨粉15g，置于全方位行星式球磨机中混合1h；
模压、烧结：
将所得的产品A与所得混合粉按质量配比2：5，在直径10mm的圆柱形模具中心加入试件A，在试件A外填充所得混合粉至圆柱形模腔后，在全自动压样机下压制成型，压制压力为30MPa，将所得压制坯在真空或高温气氛炉下进行480℃、1.5h烧结，得到所述复合含能破片。
本实施例制备出的复合含能破片的密度约为6.3g/cm3；其在应变率1000/s下的强度极限约为1900MPa；在准静态压缩测试中产品的强度约为1300MPa；以1300m/s的初速撞击6mm厚EH36钢板会发生爆燃，并产生直径约为20mm的规则贯穿孔，如附图2所示。
实施例3
通过以下步骤制备含强韧外层及脆性内层的复合含能破片：
称量、混粉：
按质量比为钨粉/锆粉＝70/30，称取钨粉70g，锆粉30g，置于全方位行星式球磨机中混合1h，混匀后造粒；
预压：
将上述造粒置于圆柱形模具中压缩，以加压速率20N/s加压至压强为20MPa，保压2min后以泄压速率20N/s进行泄压，泄压后脱模，得到模压件；
预烧结：
将上述模压件置于烧结炉中烧结，烧结过程中使用氩气气氛，烧结温度为1500℃，烧结时长为3h，得到圆柱形试件A；
称量、混粉：
按各组份质量比为Al粉/Ni粉/增强粉＝15/75/10，称取微米级铝粉15g，镍粉75g，增强Ta粉10g，置于全方位行星式球磨机中混合2h；
模压、烧结：
将所得的产品A与所得混合粉按质量配比3：5，在直径10mm的圆柱形模具中心加入试件A，在试件A外填充所得混合粉至圆柱形模腔后，在全自动压样机下压制成型，压制压力为50MPa，将所得压制坯在真空或高温气氛炉下进行500℃、1h烧结，得到所述复合含能破片。
本实施例制备出的复合含能破片的密度约为8.1g/cm3，在应变率1000/s下的强度极限约为2200MPa，在准静态压缩测试中的强度约为1500MPa，以1300m/s的初速撞击装有航空煤油的油箱，产生引燃烧蚀效果，并产生直径约为20mm的不规则撕裂孔，如附图3所示。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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