CN105014072B - 一种W‑Cu药型罩的制备方法 - Google Patents

一种W‑Cu药型罩的制备方法 Download PDF

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    • F42B1/02—Shaped or hollow charges
    • F42B1/032—Shaped or hollow charges characterised by the material of the liner

Abstract

本发明公开了一种W‑Cu药型罩的制备方法。步骤如下：将铜粉和钨粉原料按比例称取，在球磨机中混合得到钨铜混合粉；建立药型罩的实体模型，进行处理获取各个截面的几何信息，并转化成数控工作台运动轨迹的信息；将基板固定在五轴联动的数控工作台上，采用同步送粉法，将钨铜混合粉送入激光束的照射范围内进行熔化；此时数控工作台运动，使得在基板表面形成熔覆层；在熔覆层的基础上凝固成新的沉积层，之后逐层堆积，直至初始药型罩的制作完成；将初始药型罩放入电阻炉中进行再结晶退火处理，然后炉冷，最后对药型罩的内外壁表面进行铣削加工得W‑Cu药型罩。本发明有成形时间短、材料利用率高、能耗少的优点，便于推广应用。

Description

一种W-Cu药型罩的制备方法
技术领域
本发明涉及药型罩技术领域，特别是一种W-Cu药型罩的制备方法。
背景技术
药型罩是在成型装药结构中用来形成聚能射流的关键部件，在用来侵彻建筑物、装甲的破甲弹和开采石油的射孔弹等方面得到了广泛使用。为了提高射流的长度和稳定性，通常要求药型罩材料具有良好的延展性和导热性，高的声速和密度等性能。而由W和Cu组成的W-Cu复合材料既具有W的密度高、强度高和耐高温的优点，又具有Cu导热性、塑性和延展性好的优点。在高温条件下，由于其所含有的铜蒸发吸热而产生的自冷却作用大大降低了W-Cu复合材料的表面温度从而保证了该材料的部件能在极高的温度下使用。目前W-Cu复合药型罩由于其优良的侵彻和破碎性能而越来越多地受到研究人员的重视，与传统的紫铜药型罩相比更耐高温，而且更易穿透坚硬的岩石或金属；同时又克服了钨药型罩易脆、射流不稳定的缺点。
由于W属于体心立方晶体结构而Cu属于面心立方晶体结构，两者基本不固溶，所以很难用常规的冶金方法得到W-Cu复合材料。目前制备W-Cu复合药型罩的方法主要有混合压制烧结法和熔渗法。混合压制烧结法是指将钨粉和铜粉充分混合均匀后，压制成药型罩的毛坯，最后在高温和保护气氛下进行烧结。
但是混合压制烧结法存在以下缺陷：
(1)W粉颗粒的硬度大，难以压制；
(2)烧结成品的致密度一般都偏低，只有理论密度的90％～94％；
(3)W和Cu的密度差大，易造成药型罩密度分布不均匀；
熔渗法是指将钨粉压制成压坯，在高温下烧结制备成多孔钨基体骨架，然后将熔点较低的金属铜熔化，熔融的铜会通过毛细管的作用渗入到钨骨架中，从而得到较致密的钨铜复合材料。
但是熔渗法也存在以下缺点：
(1)在渗铜过程中熔融的铜无法进入钨骨架封闭的空隙中，故易产生孔隙，从而影响药型罩的使用性能。
(2)熔渗后需要进行机加工来去除多余的渗金属铜，从而增加了加工成本，降低了成品率。
(3)熔渗法要消耗大量的材料，且材料利用率较低，对工艺控制的水平要求也很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成形时间短、材料利用率高、能耗少的W-Cu药型罩的制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种W-Cu药型罩的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将铜粉和钨粉原料按比例称取，在球磨机中充氩气保护混合得到钨铜混合粉；
步骤2，建立药型罩的实体模型，然后对实体模型进行处理，获取各个截面的几何信息，并将各个截面的几何信息转化成数控工作台运动轨迹的信息；
步骤3，将基板固定在五轴联动的数控工作台上，采用同步送粉法，将步骤1所得钨铜混合粉通过送粉器和同轴喷嘴送入激光束的照射范围内进行熔化；此时数控工作台根据步骤2所得运动轨迹信息运动，使得在基板表面形成第一层熔覆层；
步骤4，同轴喷嘴抬升至与第一层熔覆层相同高度，激光束对从送粉喷嘴中喷出的粉末进行加热并熔化，在第一层熔覆层的基础上凝固成新的沉积层，之后逐层堆积，直至初始药型罩的制作完成；
步骤5，将初始药型罩放入电阻炉中进行再结晶退火处理，然后炉冷，最后对药型罩的内外壁表面进行铣削加工得W-Cu药型罩。
优选地，步骤1中所述铜粉和钨粉原料按比例称取，其中钨含量为60～80wt.％，其余为铜。
优选地，步骤1中所述球磨机混合时间为10～20小时，额定转速为200～400r/min。
优选地，步骤3采用氩气全程作为保护气氛，其中激光束的参数为：单束激光功率为0.5～3kW，聚焦光斑直径为2～6mm；数控工作台的运动速度为2～500mm/s。
优选地，步骤3所述激光束的产生设备为CO2激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器或半导体激光器。
优选地，步骤5所述再结晶退火处理的退火温度为270～350℃，时间为0.5～3小时。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)制造过程快速，材料的利用率高，成本低，极大地降低了能耗；(2)得到的药型罩组织致密，有利于提高金属射流的侵彻能力；(3)成形的药型罩尺寸精度高，需要的后续加工较少，便于推广应用。
附图说明
图1是药型罩的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
结合图1，采用本发明W-Cu药型罩的制备方法所制备的W-Cu药型罩分为支撑柱体1、罩顶2、内壁面3和外壁面4四个部分，制备方法具体如下：
一种W-Cu药型罩的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将铜粉和钨粉原料按比例称取，在球磨机中充氩气保护混合得到钨铜混合粉；所述铜粉和钨粉原料按比例称取，其中钨含量为60～80wt.％，其余为铜。所述球磨机混合时间为10～20小时，额定转速为200～400r/min。
步骤2，建立药型罩的实体模型，然后对实体模型进行处理，获取各个截面的几何信息，并将各个截面的几何信息转化成数控工作台运动轨迹的信息。
步骤3，将基板固定在五轴联动的数控工作台上，采用同步送粉法，将步骤1所得钨铜混合粉通过送粉器和同轴喷嘴送入激光束的照射范围内进行熔化；此时数控工作台根据步骤2所得运动轨迹信息运动，使得在基板表面形成第一层熔覆层；本步骤采用氩气全程作为保护气氛，其中激光束的参数为：单束激光功率为0.5～3kW，聚焦光斑直径为2～6mm；数控工作台的运动速度为2～500mm/s。所述激光束的产生设备为CO2激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器或半导体激光器。
步骤4，同轴喷嘴抬升至与第一层熔覆层相同高度，激光束对从送粉喷嘴中喷出的粉末进行加热并熔化，在第一层熔覆层的基础上凝固成新的沉积层，之后逐层堆积，直至初始药型罩的制作完成；其中激光束的参数、数控工作台的运动速度与步骤3相同。
步骤5，将初始药型罩放入电阻炉中进行再结晶退火处理，所述再结晶退火处理的退火温度为270～350℃，时间为0.5～3小时然后炉冷，最后对药型罩的内外壁表面进行铣削加工得W-Cu药型罩。
为了使本发明的内容更容易被理解，下面通过具体的实施例来对本发明加以阐释。
实施例1
一种W-Cu药型罩的制备方法，其制作步骤如下：
(1)将150-325目的球形钨粉和铜粉按含钨量为60wt.％、含铜量为40wt.％的比例称取；将铜粉和钨粉放入不锈钢真空球磨罐，向其中倒入乙醇和不锈钢磨球并抽真空，采用氩气作为保护气体，然后将球磨罐安装在行星式球磨机上混合20小时，额定机器转速为350r/min；球磨完成后在真空手套箱中充氩气保护取粉；
(2)将上述混合好的钨铜粉末放入真空干燥箱中100℃干燥20小时，然后研磨并过130目筛；
(3)采用45#钢作为基体材料，并切割成80mm×80mm×10mm尺寸，利用金相试样预磨机和600#水砂纸对基体表面进行除锈和表面处理。最后将基体置于超声波清洗机中，加入乙醇或丙酮溶液，清洗10分钟，以对基体做除油处理。
(4)通过CAD产生药型罩的实体模型并存储为STL格式文件，然后用分层软件对实体模型进行处理，获取各个截面的几何信息，并将其转化成数控工作台运动轨迹的信息。
(5)将基板安装在五轴联动的工作台上，采用3kW Nd:YAG激光器作为激光设备，采用同步送粉法，激光束使从同轴喷嘴喷出的粉末快速熔化凝固；同时工作台根据CAD给定的各层截面的轨迹信息下运动，使得在基板表面的特定区域内形成熔覆层，加工参数：激光输出功率2kW，光斑直径5mm，数控工作台的运动速度为80mm/s。保护气和载气均为氩气，保护气流量为10L/min，载气流量为3L/min。
(6)同轴喷嘴自动抬升与单层熔覆层相同的高度，激光束对从送粉喷嘴中喷出的粉末进行加热并熔化，在第一层熔覆层的基础上凝固成新的沉积层，之后逐层堆积，直至整个药型罩的制作完成，堆积顺序为先堆积支撑的柱体1，再堆积罩顶2以及其它部分。
(7)将支撑的柱体1切除，把药型罩放入箱式电阻炉中进行再结晶退火处理，退火温度300℃，保温时间2小时，然后炉冷；最后对药型罩的内壁面3和外壁面4进行铣削加工。
实施例2
一种W-Cu药型罩的制备方法，其制作步骤如下：
(1)将150-325目的球形钨粉和铜粉按含钨65wt.％，含铜35wt.％的比例称取，将铜粉和钨粉放入不锈钢真空球磨罐，向其中倒入乙醇和不锈钢磨球并抽真空，采用氩气作为保护气体，然后将球磨罐安装在行星式球磨机上混合15小时，额定机器转速为200r/min；球磨完成后在真空手套箱中充氩气保护取粉；
并根据实施例1所述的方法，进行球磨混合并烘干；
(2)通过CAD产生药型罩的实体模型并存储为STL格式文件，然后用分层软件对实体模型进行处理，获取各个截面的几何信息，并将其转化成数控工作台运动轨迹的信息。
(3)将10mm厚的45#钢基板经过表面处理后安装在五轴联动的工作台上，采用5kWCO2激光器作为激光设备，采用同步送粉法，激光束使从同轴喷嘴喷出的粉末快速熔化凝固，同时工作台根据CAD给定的各层截面的轨迹信息下运动，使得在基板表面的特定区域内形成熔覆层，加工参数：激光输出功率0.5kW，光斑直径2mm，数控工作台的运动速度为2mm/s。保护气和载气均为氩气，保护气流量为15L/min，载气流量为4.5L/min。
(4)同轴喷嘴自动抬升与单层熔覆层相同的高度，激光束对从送粉喷嘴中喷出的粉末进行加热并熔化，在第一层熔覆层的基础上凝固成新的沉积层。
(5)重复(3)～(4)步，按照先堆积支撑的柱体1，再堆积罩顶2以及其它部分的顺序逐层堆积，直至整个药型罩的制作完成。
(6)将支撑的柱体1切除，把药型罩放入箱式电阻炉中进行再结晶退火处理，退火温度270℃，保温时间3小时，然后炉冷。最后对药型罩的内壁面3和外壁面4进行铣削加工。
实施例3
一种W-Cu药型罩的制备方法，其制作步骤如下：
(1)将-200目的球形钨粉和铜粉按含钨80wt.％，含铜20wt.％的比例称取，将铜粉和钨粉放入不锈钢真空球磨罐，向其中倒入乙醇和不锈钢磨球并抽真空，采用氩气作为保护气体，然后将球磨罐安装在行星式球磨机上混合10小时，额定机器转速为400r/min；球磨完成后在真空手套箱中充氩气保护取粉；
并根据实施例1所述的方法，进行球磨混合并烘干；
(2)通过CAD产生药型罩的实体模型并存储为STL格式文件，然后用分层软件对实体模型进行处理，获取各个截面的几何信息，并将其转化成数控工作台运动轨迹的信息。
(3)将15mm厚的45#钢基板经过表面处理后安装在五轴联动的工作台上，采用1.5kW光纤激光器作为激光设备，采用同步送粉法，激光束使从同轴喷嘴喷出的粉末快速熔化凝固，同时工作台根据CAD给定的各层截面的轨迹信息下运动，使得在基板表面的特定区域内形成熔覆层，沿药型罩壁厚方向采用横向搭接，加工参数：激光输出功率3kW，光斑直径6mm，数控工作台的运动速度为500mm/s，搭接率30％。保护气和载气均为氩气，保护气流量为12L/min，载气流量为4L/min。
(4)同轴喷嘴自动抬升与单层熔覆层相同的高度，激光束对从送粉喷嘴中喷出的粉末进行加热并熔化，在第一层熔覆层的基础上凝固成新的沉积层。
(5)重复(3)～(4)步，按照先堆积支撑的柱体1，再堆积罩顶2以及其它部分的顺序逐层堆积，直至整个药型罩的制作完成；
(6)将支撑的柱体1切除，把药型罩放入箱式电阻炉中进行再结晶退火处理，退火温度350℃，保温时间0.5小时，然后炉冷。最后对药型罩的内壁面3和外壁面4进行铣削加工。
综上所述，本发明制成的W-Cu药型罩有效解决了此前用混合压制烧结法和熔渗法制备时产生的成分不均匀、存在孔洞等缺点，并且整个成形过程通过计算机和精密机床精确控制，制成的药型罩尺寸精度高，又具有成形时间短、材料利用率高、能耗少的优点，便于推广应用。

Claims (4)

1.一种W-Cu药型罩的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将铜粉和钨粉原料按比例称取，在球磨机中充氩气保护混合得到钨铜混合粉；所述球磨机混合时间为10～20小时，额定转速为200～400r/min；
步骤2，建立药型罩的实体模型，然后对实体模型进行处理，获取各个截面的几何信息，并将各个截面的几何信息转化成数控工作台运动轨迹的信息；
步骤3，将基板固定在五轴联动的数控工作台上，采用同步送粉法，将步骤1所得钨铜混合粉通过送粉器和同轴喷嘴送入激光束的照射范围内进行熔化；此时数控工作台根据步骤2所得运动轨迹信息运动，使得在基板表面形成第一层熔覆层；
步骤4，同轴喷嘴抬升至与第一层熔覆层相同高度，激光束对从送粉喷嘴中喷出的粉末进行加热并熔化，在第一层熔覆层的基础上凝固成新的沉积层，之后逐层堆积，直至初始药型罩的制作完成；
步骤5，将初始药型罩放入电阻炉中进行再结晶退火处理，然后炉冷，最后对药型罩的内外壁表面进行铣削加工得W-Cu药型罩，所述再结晶退火处理的退火温度为270～350℃，时间为0.5～3小时。
2.根据权利要求1所述的W-Cu药型罩的制备方法，其特征在于：步骤1中所述铜粉和钨粉原料按比例称取，其中钨含量为60～80wt.％，其余为铜。
3.根据权利要求1所述的W-Cu药型罩的制备方法，其特征在于：步骤3采用氩气全程作为保护气氛，其中激光束的参数为：单束激光功率为0.5～3kW，聚焦光斑直径为2～6mm；数控工作台的运动速度为2～500mm/s。
4.根据权利要求1所述的W-Cu药型罩的制备方法，其特征在于：步骤3所述激光束的产生设备为CO2激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器或半导体激光器。
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