CN110017739B - 一种新型水下子弹弹头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型水下子弹弹头及其制备方法，其在弹头的外表面均匀设计三角形展向沟槽结构，并在沟槽外表面均镀覆有微、纳二元结构复合的镍硼合金镀层。本发明通过机械加工、化学镀与热处理相结合的方法，在弹体表面制备出特定表面微观结构，并在形貌效应的作用下，在固/液界面间构建出气相结构最终实现减阻，显著改善了弹头的水动力学性能，大幅度提高水下子弹的航速和有效射程。且本发明是在不改变水下子弹原有发射装置任何结构以及子弹外形尺寸的情况下实现，不仅可以用于新型子弹的制造，也可以对现有水下子弹进行升级改造，以提高其战斗战术性能，具有广泛的工程应用前景和重要的军事价值。

Description

一种新型水下子弹弹头及其制备方法

技术领域

本发明属表面工程与摩擦学技术领域，尤其涉及一种新型水下子弹弹头及其制备方法。

背景技术

随着国际反恐形势的日益复杂严峻，水下作战的战术特点以及水下枪械的服役特性正逐渐引起各国的关注和重视。由于水的密度是空气密度的近800倍，使得水下阻力远远大于在空气介质中的行进阻力。普通枪械如手枪或步枪等在水下击发时的有效射程小于2m，无任何实战价值，水下枪械及子弹应运而生，如图1所示。

针对子弹在水中行进的巨大阻力，目前的水下子弹主要有两种设计思路：

一是箭状弹，子弹具有较大长径比，借助流体力学效应保持子弹飞行稳定性，如俄罗斯SPP-1M型水下手枪用SPS水下子弹，以及俄罗斯APS水下突击步枪和我国仿制型号QBS06型水下步枪用MPS水下子弹。其中，SPS手枪子弹的弹头直径为4.5mm，弹长115mm，长径比为25.6；而MPS步枪子弹的弹径为5.66mm，弹长120mm，长径比为21.2。大长径比水下子弹虽然可以借助流体力学效应保持飞行稳定性，但却增大了弹头与水的接触面积，摩擦阻力大幅度增加，有效射程受到较大影响，如SPS子弹在5m水深的有效杀伤射程为17m，在地面使用的有效杀伤距离为20米。

另一种是超空泡子弹，利用弹头头部特殊的外形结构设计来制造超空泡效应，产生可持续存在的、毫米量级厚度的气膜将弹头与水隔离开，从而有效降低子弹在水中飞行时的摩擦阻力，代表性产品如挪威DSG公司的CAV-X水下子弹。由于超空泡子弹在弹体表面所形成宏观尺寸的气膜形态稳定性较差，且超空泡子弹长径比较小、难以利用流体力学效应保持稳定飞行，因此超空泡子弹在水下行进时的飞行稳定性和抗湍流干扰能力都比较差。此外，为实现超空泡效应，超空泡子弹对弹头外形进行了全新设计，无法使用已批量装备部队的常规水下枪械进行发射。目前，该型水下子弹还处于试验研制阶段，技术尚不成熟，更没有装备部队用于实战。

本发明针对水下子弹的服役工况以及技术现状，提出一种新型的水下子弹弹头及其制备方法，该弹头经过特殊的机械表面改性处理，具有良好的水动力学性能，相比于目前的普通箭状弹其有效射程显著增加，可用作水下手枪弹和水下步枪弹等。

发明内容

针对目前水下子弹在流体动力学方面的技术现状以及存在的问题，提供一种新型水下子弹弹头及其制备方法，具有水动力学性能优异、减阻效果显著、可以工程化实现的优势。

本发明的一种新型水下子弹弹头，其弹头的外表面均匀分布有三角形展向沟槽结构，并镀覆有微、纳二元结构复合的镍硼合金镀层。

进一步的，所述三角形展向沟槽结构的截面形状为直角三角形，且在弹头外表面沿垂直于轴向的方向、等间距均匀分布，沟槽分布具有方向性，迎流面为斜边，背流面为直角边。

可选的，本发明所述的三角形展向沟槽的几何参数尺寸范围为：

三角形沟槽开口宽度a 10～25μm、

两个三角形沟槽之间的平直段宽度b 10～75μm、

且a：b为1：(1～3)、

三角形沟槽深度d 10～50μm、

三角形顶角θ 15°～45°。

进一步的，所述的微、纳二元结构复合的镍硼合金镀层，其一阶形貌为微米量级的涡胞状结构单元，二阶形貌为纳米量级的绒毛状结构单元。

可选的，本发明所述的镍硼合金镀层的厚度为1～10μm。

本发明还提供了一种新型水下子弹弹头的制备方法，其包括以下步骤：

S10、采用常规加工工艺制备弹头基体，并对弹头基体进行打磨和抛光，弹头的表面粗糙度Ra<0.8μm，备用；

S20、采用刃磨工艺磨削出与三角形沟槽截面尺寸相同的车刀刃口，备用；

S30、利用刃磨车刀在精密车床上采用车螺纹工艺在弹头基体表面车削出三角形沟槽形貌，并进行修型处理；

S40、对带有三角形沟槽形貌的弹头进行除机械杂质、除油、超声清洗和干燥的表面预处理；

S50、将弹头放入镀液中进行化学镀覆处理，镀覆温度由恒温水浴控制；

S60、将弹头进行表面热处理，制成微、纳二元结构复合的镍硼合金镀层。

可选的，本发明所述的化学镀液包含以下各重量份的组分：

NiCI₂·6H₂O 15～25g/L、

NaBH₄ 0.8～0.9g/L、

NaOH 38～42g/L、

C₂H₈N₂ 70～80g/L、

TISO₄ 1～3mL/L。

可选的，本发明所述的化学镀覆条件为：pH值为13～14、温度为85℃～95℃、镀覆时间为0.5～2.5h。

可选的，本发明所述的表面热处理温度为380℃～420℃、时间为1～2h。

有益之处在于，

本发明的新型水下子弹弹头及其制备方法，通过机械加工、化学镀与热处理相结合的方法，在弹体表面制备出特定表面微观结构，并在形貌效应的作用下，在固/液界面间构建出气相结构最终实现减阻，显著改善了弹头的水动力学性能，大幅度提高水下子弹的航速和有效射程。

而且本发明是在不改变水下子弹原有发射装置任何结构以及子弹外形尺寸的情况下实现，不仅可以用于新型子弹的制造，也可以对现有水下子弹进行升级改造，以提高其战斗战术性能，具有广泛的工程应用前景和重要的军事价值。

具体如下：

1)在弹头的外表面均匀设计三角形展向沟槽结构，减阻效果显著：

当子弹击发出膛后，弹头在水中行进的过程中，三角形沟槽内形成微旋涡；以镍硼合金镀层表面微观孔隙内驻留的微气泡为气核，微旋涡造成的流场空化和流动分离促使微气泡生长，并沿流动方向在近壁面铺展形成气膜，进而在弹体与水介质的固/液界面间构建出气相结构，原有的固/液剪切被气/液剪切代替，由于气/液间的摩擦系数只有固/液间的1/800，因此可以大幅度降低摩擦阻力。随来流速度增加，微旋涡和微气泡的生长强度持续增加，减阻率进一步提高。

2)采用精密机加工、化学镀覆与热处理相结合的工艺对弹头进行表面改性，使弹头具有特定表面形貌，并在形貌效应作用下显著改善其水动力学性能：

采用化学镀覆与热处理相结合的工艺制备的镍硼合金镀层，其表面具有微、纳二元复合的微观形貌结构，一阶形貌为微米量级的涡胞状结构单元，二阶形貌为纳米量级的绒毛状结构单元。镍硼合金镀层这种仿荷叶的特殊表面微观结构，使其表面具有极佳的疏水性能，并可在表面微观结构的孔隙内驻留微气泡。

3)镍硼合金镀层还具有良好的散热性能、基体结合强度以及耐磨损性能等，适用于子弹击发出膛时的高温、高压以及磨损等极端工况条件。

附图说明

图1为水下子弹的结构示意图；

图2为新型水下子弹弹头表面微观结构示意图；

图3为二元复合结构镍硼合金镀层表面微观结构的显微图；

图4为形貌效应作用下弹头表面实现气相结构减阻原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来描述本发明。应该指出的是，这些实施例仅用于说明本发明，不应理解为对本发明的限制。

下面结合实例对所提出的新型水下子弹弹头及其制备方法做进一步的详细说明。

弹头可以依次分为与弹壳固定的尾椎、中间圆柱段和头部三部分，本发明的一种新型水下子弹弹头，即在弹头三部分的外表面上均匀设计三角形展向沟槽结构，并镀覆有微、纳二元结构复合的镍硼合金镀层。所述三角形展向沟槽结构的截面形状为直角三角形，且在弹头外表面沿垂直于轴向的方向、等间距均匀分布。本发明所述的三角形展向沟槽的几何参数尺寸范围为：三角形沟槽开口宽度a 10～25μm、两个三角形沟槽之间的平直段宽度b 10～75μm、且a：b为1：(1～3)、三角形沟槽深度d 10～50μm、三角形顶角θ 15°～45°，如图2所示。

如图3所示，所述的微、纳二元结构复合的镍硼合金镀层，其一阶形貌为微米量级的涡胞状结构单元，二阶形貌为纳米量级的绒毛状结构单元。镍硼合金镀层的厚度为1～10μm。

如图4所示，沟槽分布具有方向性，迎流面为斜边，背流面为直角边。

实施例1

S110、选择Ф39mm×325mm的黄铜材质圆管制成试样，对圆管试样进行打磨和抛光，使其表面粗糙度Ra<0.8μm，备用；

S120、选择人造金刚石车刀并进行刃磨处理，刀尖顶角为45°；

S130、利用GCK-1502高精度OPC鼓基数控车床对圆管试样进行微形貌加工，并进行修型处理以去除表面切屑；

S140、将带有沟槽形貌的圆管试样进行除机械杂质、除油、超声清洗和干燥的表面预处理。

S150、在完成上述车削加工及表面预处理后，对圆管试样进行如下化学镀覆处理。首先，按如下重量份配制化学镀液，调至镀液pH值为13.5，备用。

NiCI₂·6H₂O 25g/L、

NaBH₄ 0.85g/L、

NaOH 40g/L、

C₂H₈N₂ 75g/L、

TISO₄ 3mL/L。

通过恒温水浴加热化学镀液，使化学镀液温度恒定在90±1℃。将圆管试样浸入上述镀液中进行化学镀覆，并通过磁力搅拌器搅拌化学镀液以消除镀液的浓差极化，均匀溶液成分，提高镀层均匀度。控制化学镀覆时间为1h，取出做清洗、干燥处理，备用。

S160、将上述镀态圆管试样放入真空炉中进行热处理，热处理温度为400℃，时间为1h。热处理完成后，取出备用。

利用MicroXAM白光干涉三维形貌仪对圆管试样表面的三角形沟槽形貌进行测量和表征；利用扫描电子显微镜(SEM)对试样表面的镍硼合金镀层进行表面微观形貌的测量和分析；采用膜厚测量仪测定镍硼合金镀层的平均厚度；利用SKLT-1型小型高速水洞对比测定上述表面改性圆管试样和光滑圆管试样(Ra<0.8μm)的摩擦阻力，以考察本发明对于降低摩擦阻力的有效性。

MicroXAM白光干涉三维形貌仪的测量结果表明，圆管试样表面均匀分布有三角形沟槽，沟槽开口宽度a为27.6μm，沟槽深度p为28.2μm，三角形沟槽的顶角θ为44.4°，平直段长度b为40.3μm，沟槽段与平直段的比例a:b＝1:1.46。SEM表面分析结果表明，三角形沟槽内部以及平直段均镀覆有镍硼合金镀层，镍硼合金镀层的表面存在两个尺度的形貌结构单元，其一阶形貌为微米量级的涡胞状结构单元，其中涡胞单元的直径为10～25μm、高度为0.5～2.5μm；二阶形貌为纳米量级的绒毛状结构单元，其中绒毛单元的当量直径为5～15nm、高度为20～100nm；采用膜厚测量仪测定镍硼合金镀层的平均厚度为2.73μm。在SKLT-1型小型高速水洞的阻力测试结果表明，在22m/s的来流速度下，相比于常规水力学光滑表面的圆管试样，采用本发明的弹头摩擦阻力下降了23.7％。

实施例2

S210、选用镀镍钢制成1:1比例的SPS手枪子弹弹头模型，模型直径为4.5mm，弹长115mm，长径比为25.6；对弹头模型进行打磨和抛光，使其表面粗糙度Ra<0.8μm，备用；

S220、选择人造金刚石车刀并进行刃磨处理，刀尖顶角为30°；

S230、利用数控车床对弹头模型进行微形貌加工并进行修型处理；

S240、将机加工后的弹头模型进行表面预处理。在完成车削及表面预处理后；

S250、对弹头模型进行如下化学镀覆处理。首先，按如下重量份配制化学镀液，调至镀液pH值为14，备用。

NiCI₂·6H₂O 15g/L、

NaBH₄ 0.8g/L、

NaOH 38g/L、

C₂H₈N₂ 75g/L、

TISO₄ 1mL/L。

进行化学镀覆时，镀液温度恒定在85±1℃，镀覆时间为0.5h。

S260、镀覆完成后进行热处理，热处理温度为380℃，时间为0.5h。热处理完成后，取出备用。

对弹头模型进行表面微观分析的结果表明，弹头模型表面均匀分布有三角形沟槽，沟槽开口宽度a为16.2μm，深度p为25.9μm，顶角θ为32°，平直段长度b为31.8μm，沟槽段与平直段的比例a:b＝1:1.96。三角形沟槽内部以及平直段均镀覆有镍硼合金镀层；镀层的平均厚度为1.57μm。

利用小型拖曳水池对上述表面改性处理的弹头模型和常规水力学光滑弹头模型(Ra<0.8μm)进行阻力对比测试，结果表明，在1m水深、15m/s的拖曳速度下，采用本发明的弹头模型总阻力下降了13.6％，相当于摩擦阻力减阻率达到18％以上。利用自行研制的压缩空气弹射发射装置，将弹头模型加速到117m/s后以5°入射角度射入水中，利用高速相机拍摄发现弹头表面被气膜包覆，弹头在水中稳定飞行；相比于常规水力学光滑的弹头模型，本发明的弹头在各测试位置的速度均有较大程度提高，速度提高率在35％以上；试验工况下的有效射程增至原来的1.8倍以上。上述试验结果证明了本发明的减阻、提速和增程的效果十分显著。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种新型水下子弹弹头，其特征在于，弹头的外表面均匀分布有三角形展向沟槽，所述三角形展向沟槽在弹头外表面沿垂直于轴向的方向、等间距均匀分布，且所述三角形展向沟槽的几何参数尺寸范围为：

三角形沟槽开口宽度a为10～25μm，两个三角形沟槽之间的平直段宽度b为10～75μm，且a：b为1：(1～3)；

三角形沟槽深度d为10～50μm；

三角形顶角θ为15°～45°。

2.如权利要求1所述的新型水下子弹弹头，其特征在于，所述三角形展向沟槽的截面形状为直角三角形。

3.如权利要求2所述的新型水下子弹弹头，其特征在于，所述三角形展向沟槽分布具有方向性，迎流面为斜边，背流面为直角边。

4.如权利要求1所述的新型水下子弹弹头，其特征在于，所述弹头的外表面以及三角形展向沟槽外表面均镀覆有微、纳二元结构复合的镍硼合金镀层。

5.如权利要求4所述的新型水下子弹弹头，其特征在于，所述的微、纳二元结构复合的镍硼合金镀层，其一阶形貌为微米量级的涡胞状结构单元，二阶形貌为纳米量级的绒毛状结构单元。

6.如权利要求4所述的新型水下子弹弹头，其特征在于，镍硼合金镀层的厚度为1～10μm。

7.如权利要求1所述的新型水下子弹弹头，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：

S10、采用常规加工工艺制备弹头基体，并对弹头基体进行打磨和抛光，弹头的表面粗糙度Ra<0.8μm；

S20、采用刃磨工艺磨削出与三角形沟槽截面尺寸相同的车刀刃口；

S30、利用刃磨车刀在精密车床上采用车螺纹工艺在弹头基体表面车削出三角形展向沟槽形貌，并进行修型处理；

S40、对带有三角形展向沟槽形貌的弹头进行除机械杂质、除油、超声清洗和干燥的表面预处理；

S50、将弹头放入镀液中进行化学镀覆处理，镀覆温度由恒温水浴控制；其中，化学镀覆条件为：pH值为13～14、温度为85℃～95℃、镀覆时间为0.5～2.5h；

S60、将弹头进行表面热处理，制成微、纳二元结构复合的镍硼合金镀层，其中，表面热处理温度为380℃～420℃、时间为1～2h。

8.如权利要求7 所述的新型水下子弹弹头，其特征在于，所述S50中镀液包含以下各重量份的组分：

NiCI₂·6H₂O 15～25g/L；

NaBH₄ 0.8～0.9g/L；

NaOH 38～42g/L；

C₂H₈N₂ 70～80g/L；

TISO₄ 1～3mL/L。

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