CN106694877A - 一种铜药型罩及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜药型罩及其制备方法。该铜药型罩包括支撑柱体、罩顶、内壁面和外壁面，所述支撑柱体与罩顶相接；该铜药型罩采用激光熔覆快速成形的方法，利用激光束产生的熔池中温度梯度，同时利用水冷系统控制热流扩散方向，使熔覆层内的细小柱状枝晶沿药型罩轴线方向定向生长，从而制备出各个部分均具有定向凝固组织特征的药型罩。本发明制成的铜药型罩在轴线方向上具有优异的拉伸性能，能有效提高金属射流的延伸性能，延长射流断裂时间，从而提高侵彻性能。此外，该制备方法具有成形时间短、尺寸精度和材料利用率高的优点。

Description

一种铜药型罩及其制备方法
技术领域
本发明涉及药型罩技术领域，特别是一种铜药型罩及其制备方法。
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。而铜因为具有良好的综合性能(塑性和导热性好，声速较高)，同时便于加工，所以是目前药型罩中使用最为广泛的材料。
目前制备铜药型罩的方法主要有车削成形、冲压成形。车削成形法是利用棒材直接经车削加工得到药型罩成品。此方法的特点是操作简单易行。但是车削成形法存在以下缺陷：
(1)车削过程中要消耗大量的材料且材料利用率低；
(2)制成的药型罩内部组织为棒材的原始组织，存在粗大的晶粒，不利于金属射流的延展；
冲压成形是在冲床上以冲压模具冲制板料而成。主要工艺过程包括落料冲盂、一次冲尖、二次冲尖、校形、机加工等。但是冲压成形法也存在以下缺点：
(1)尺寸精度较低，存在壁厚差，从而影响金属射流的性能；
(2)生产的工序较多，对模具的要求较高；
(3)药型罩的内部组织不均匀，存在取向不同的织构，会造成金属射流的不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效提高金属射流的延伸性能，延长射流断裂时间，从而提高侵彻性能的铜药型罩及其制备方法，该制备方法具有成形时间短、尺寸精度和材料利用率高的优点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种铜药型罩，包括支撑柱体、罩顶、内壁面和外壁面，所述支撑柱体与罩顶相接；该铜药型罩采用激光熔覆快速成形的方法，利用激光束产生的熔池中温度梯度，同时利用水冷系统控制热流扩散方向，使熔覆层内的细小柱状枝晶沿药型罩轴线方向定向生长，从而制备出各个部分均具有定向凝固组织特征的药型罩。
一种铜药型罩的制备方法，步骤如下：
步骤1，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2，将基板固定在五轴联动的数控工作台上，采用同步送粉法，将铜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1所得运动轨迹信息运动，熔化的铜经过冷却凝固后在基板形成第一层熔覆层，通过基板下方的水冷系统使熔覆层迅速冷却以增加温度梯度同时又使热流保持沿垂直于基板方向扩散，熔覆层内部柱状枝晶受热流影响沿<100>方向择优生长；
步骤3，同轴喷嘴抬升至与第一层熔覆层相同高度，激光束对第一层熔覆层内存在的转向枝晶区进行重熔，同时对铜粉熔化并快速冷却凝固，从而形成新的熔覆层；在凝固过程中热量通过水冷系统传递，同时显微组织内的枝晶受垂直于基板方向的热流影响继续沿<100>方向连续生长，之后逐层堆积，直至初始药型罩的制作完成；
步骤4，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铜药型罩。
优选地，步骤2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10～300mm/s。
优选地，步骤2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4所述再结晶退火处理的退火温度为200～300℃，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)组织致密且晶体的取向一致，都平行于轴线方向，能大幅提高金属射流的塑性和延展性，从而提高侵彻性能；(2)成形时间短，工序少；(3)材料利用率高，极大地降低了能耗；(4)成形的药型罩尺寸精度高，需要的后续加工较少。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明铜药型罩的结构示意图。
具体实施方式
在激光熔覆过程中，高能量密度的激光束(约105～107W/cm2)在极短的时间内(10-3～10-2s)与熔覆材料发生交互作用，产生的高温使熔覆材料快速熔化，与处于冷态的基材接触后又快速凝固形成熔覆层，所以激光熔池具有极大的温度梯度和极高的凝固速度，能够实现熔池金属的定向外延生长。近十几年来研究人员开始运用激光快速成形的方法得到细小致密的定向凝固组织。瑞士联邦理工学院的M.Gaumann等人利用CMSX-4镍基高温合金粉末在单晶基材上进行激光金属外延成形，得到了从基板外延生长的定向凝固组织，并将该技术成功应用于对单晶发动机叶片的修复。
结合图1，本发明铜药型罩，包括支撑柱体1、罩顶2、内壁面3和外壁面4，所述支撑柱体1与罩顶2相接；该铜药型罩采用激光熔覆快速成形的方法，利用激光束产生的熔池中温度梯度，同时利用水冷系统控制热流扩散方向，使熔覆层内的细小柱状枝晶沿药型罩轴线方向定向生长，从而制备出各个部分均具有定向凝固组织特征的药型罩。
一种铜药型罩的制备方法，步骤如下：
步骤1，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2，将基板固定在五轴联动的数控工作台上，采用同步送粉法，将铜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1所得运动轨迹信息运动，熔化的铜经过冷却凝固后在基板形成第一层熔覆层，通过基板下方的水冷系统使熔覆层迅速冷却以增加温度梯度同时又使热流保持沿垂直于基板方向扩散，熔覆层内部柱状枝晶受热流影响沿<100>方向择优生长；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10～300mm/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3，同轴喷嘴抬升至与第一层熔覆层相同高度，激光束对第一层熔覆层内存在的转向枝晶区进行重熔，同时对铜粉熔化并快速冷却凝固，从而形成新的熔覆层；在凝固过程中热量通过水冷系统传递，同时显微组织内的枝晶受垂直于基板方向的热流影响继续沿<100>方向连续生长，之后逐层堆积，直至初始药型罩的制作完成；
步骤4，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铜药型罩。步骤4所述再结晶退火处理的退火温度为200～300℃，时间为0.5～3小时。
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
一种铜药型罩的制备方法，其制作步骤如下：
(1)将150～325目的球形铜粉放入真空干燥箱进行烘干处理以去除粉末表面吸附的水分，保温温度100℃，保温时间20小时。
(2)采用DZ22定向凝固镍基高温合金作为基材，将其切割成直径为30mm，厚度为10mm的圆柱状试样，利用金相试样预磨机和400#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，加入丙酮溶液，清洗10分钟，以对基体做除油处理。
(3)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。
(4)将基板安装在五轴联动的工作台上，采用额定功率8kW的横流连续CO2激光器作为激光设备，采用同步送粉法，激光束对从同轴送粉喷嘴喷出的铜粉快速加热熔化。熔化的铜经过冷却凝固后在基板形成熔覆层，通过基板下方的水冷系统使熔覆层迅速冷却以增加温度梯度同时又使热流保持沿竖直方向扩散，熔覆层内部枝晶受热流影响沿<100>方向择优生长。加工参数：激光输出功率3kW，光斑直径6mm，送粉速率9g/min，数控工作台的运动速度为10mm/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。
(5)同轴喷嘴在工作台控制下自动抬升与单层熔覆层相同高度，高能激光束在对上一熔覆层内存在的转向枝晶区进行重熔，同时对铜粉熔化并快速冷却凝固，从而形成新的熔覆层；在凝固过程中热量通过水冷系统快速传递，同时显微组织内的枝晶受竖直方向的热流影响继续沿<100>方向连续生长，之后逐层堆积，直至药型罩的制作完成，使药型罩具有定向凝固特征；堆积的顺序为先堆积支撑的柱体1，再堆积罩顶2以及其它部分，在此过程中通过五轴联动数控机床精确控制药型罩的三维造型。
(6)将支撑的柱体1切除，并对药型罩的内壁面3和外壁面4进行铣削加工，最后将药型罩放入箱式电阻炉中进行去应力退火处理，退火温度200℃，保温时间3小时，然后炉冷。
实施例2
一种铜药型罩的制备方法，其制作步骤如下：
(1)将150～325目的球形铜粉根据实施例1所述的方法进行烘干处理。
(2)采用DZ22定向凝固镍基高温合金作为基材，并根据实施例1所述的方法对基材表面进行除锈和除油处理。
(3)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。
(4)将基板安装在五轴联动的工作台上，采用额定功率2kW的光纤激光器作为激光设备，采用同步送粉法，激光束对从同轴送粉喷嘴喷出的铜粉快速加热熔化；熔化的铜经过冷却凝固后在基板形成熔覆层，通过基板下方的水冷系统使熔覆层迅速冷却以增加温度梯度同时又使热流保持沿竖直方向扩散，熔覆层内部枝晶受热流影响沿<100>方向择优生长。加工参数：激光输出功率1.5kW，光斑直径3mm，送粉速率8g/min，数控工作台的运动速度为150mm/s。保护气和载气均为氩气，保护气流量为9L/min，载气流量为4L/min。
(5)同轴喷嘴在工作台控制下自动抬升与单层熔覆层相同高度，高能激光束在对上一熔覆层内存在的转向枝晶区进行重熔，同时对铜粉熔化并快速冷却凝固，从而形成新的熔覆层；在凝固过程中热量通过水冷系统快速传递，同时显微组织内的枝晶受竖直方向的热流影响继续沿<100>方向连续生长，之后逐层堆积，直至药型罩的制作完成，使药型罩具有定向凝固特征；堆积的顺序为先堆积支撑的柱体1，再堆积罩顶2及其它部分，在此过程中通过五轴联动数控机床精确控制药型罩的三维造型。
(6)将支撑的柱体1切除，并对药型罩的内壁面3和外壁面4进行铣削加工，最后将药型罩放入箱式电阻炉中进行去应力退火处理，退火温度250℃，保温时间2.5小时，然后炉冷。
实施例3
一种铜药型罩的制备方法，其制作步骤如下：
(1)将-200目的球形铜粉根据实施例1所述的方法进行烘干处理。
(2)采用DZ125定向凝固镍基高温合金作为基材，并根据实施例1所述的方法对基材表面进行除锈和除油处理。
(3)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。
(4)将基板安装在五轴联动的工作台上，采用额定功率5kW的Nd:YAG激光器作为激光设备，采用同步送粉法，激光束对从同轴送粉喷嘴喷出的铜粉快速加热熔化；熔化的铜经过冷却凝固后在基板形成熔覆层，通过基板下方的水冷系统使熔覆层迅速冷却以增加温度梯度同时又使热流保持沿竖直方向扩散，熔覆层内部枝晶受热流影响沿<100>方向择优生长。加工参数：激光输出功率0.5kW，光斑直径2mm，送粉速率10g/min，数控工作台的运动速度为300mm/s。保护气和载气均为氩气，保护气流量为8L/min，载气流量为3L/min。
(5)同轴喷嘴自动抬升与单层熔覆层相同高度，高能激光束在对上一熔覆层内存在的转向枝晶区进行重熔，同时对铜粉熔化并快速冷却凝固，从而形成新的熔覆层；在凝固过程中热量通过水冷系统快速传递，同时显微组织内的枝晶受竖直方向的热流影响继续沿<100>方向连续生长，之后逐层堆积，直至药型罩的制作完成，使药型罩具有定向凝固特征；堆积的顺序为先堆积支撑的柱体1，再堆积罩顶2以及其它部分，在此过程中通过五轴联动数控机床精确控制药型罩的三维造型。
(6)将支撑的柱体1切除，并对药型罩的内壁面3和外壁面4进行铣削加工，最后将药型罩放入箱式电阻炉中进行去应力退火处理，退火温度300℃，保温时间0.5小时，然后炉冷。
本发明制成的铜药型罩在轴线方向上具有优异的拉伸性能，能有效提高金属射流的延伸性能，延长射流断裂时间，从而提高侵彻性能。此外，该制备方法具有成形时间短、尺寸精度和材料利用率高的优点。

Claims (5)

1.一种铜药型罩，其特征在于，包括支撑柱体(1)、罩顶(2)、内壁面(3)和外壁面(4)，所述支撑柱体(1)与罩顶(2)相接；该铜药型罩采用激光熔覆快速成形的方法，利用激光束产生的熔池中温度梯度，同时利用水冷系统控制热流扩散方向，使熔覆层内的细小柱状枝晶沿药型罩轴线方向定向生长，从而制备出各个部分均具有定向凝固组织特征的药型罩。
2.一种铜药型罩的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1，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2，将基板固定在五轴联动的数控工作台上，采用同步送粉法，将铜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1所得运动轨迹信息运动，熔化的铜经过冷却凝固后在基板形成第一层熔覆层，通过基板下方的水冷系统使熔覆层迅速冷却以增加温度梯度同时又使热流保持沿垂直于基板方向扩散，熔覆层内部柱状枝晶受热流影响沿<100>方向择优生长；
步骤3，同轴喷嘴抬升至与第一层熔覆层相同高度，激光束对第一层熔覆层内存在的转向枝晶区进行重熔，同时对铜粉熔化并快速冷却凝固，从而形成新的熔覆层；在凝固过程中热量通过水冷系统传递，同时显微组织内的枝晶受垂直于基板方向的热流影响继续沿<100>方向连续生长，之后逐层堆积，直至初始药型罩的制作完成；
步骤4，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铜药型罩。
3.根据权利要求2所述的铜药型罩的制备方法，其特征在于，步骤2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10～300mm/s。
4.根据权利要求2所述的铜药型罩的制备方法，其特征在于，步骤2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。
5.根据权利要求2所述的铜药型罩的制备方法，其特征在于，步骤4所述再结晶退火处理的退火温度为200～300℃，时间为0.5～3小时。
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