CN112797852A - 钛合金基体含活性破片夹杂的侵彻爆破战斗部及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钛合金基体含活性破片夹杂的侵彻爆破战斗部及制备方法，弹头和壳体之间设有隔板；弹头内安装有前段药；壳体内安装有后段药；壳体包括钛合金基体和活性破片，钛合金基体包括钛合金薄壁圆筒骨架和钛合金金属粉末，钛合金薄壁圆筒骨架筒壁上设有阵列空槽，活性破片粘在阵列空槽里；钛合金薄壁圆筒骨架、活性破片与钛合金金属粉末压制成壳体；壳体前端设有内螺纹与弹头尾部外螺纹连接；壳体尾端分别与体接套、端盖螺纹连接，体接套内装填引信。本发明采用3D打印薄壁骨架以填充固定活性破片，为设计及制造提供了便利，且骨架材料与粉末冶金的壳体基体材料相同，壳体内部具有良好的相容性，壳体结构强度得到保证。

Description

钛合金基体含活性破片夹杂的侵彻爆破战斗部及制备方法

技术领域

本发明属于破片战斗部领域，具体涉及一种钛合金基体含活性破片夹杂的侵彻爆破战斗部及制备方法。

背景技术

活性结构材料是近年来适应国防工程领域需求发展而出现的一类新型多功能材料，国外一般称该材料为ReactiveMaterials(反应材料)，又称Impact-initiatedEnergeticMaterials(冲击引发的含能材料),(以下统称活性材料)，利用活性材料制备的破片(以下统称活性破片)在对目标侵彻贯穿过程中，不仅能有足够的动能击穿目标而且能产生附加的化学反应释放能量对目标产生更大的毁伤效果,如对油箱弹药等，具有穿透油箱并引燃引爆功能；但活性材料的强度与活性是一对矛盾体，无法满足强度高的同时活性好，这些缺陷影响了活性材料的工程应用、适用类型和其性能发挥，如最早作为活性材料配方的PTFE/Al含能反应材料，其密度约2.3g/cm³、压缩强度最高约160MPa，拉伸强度仅17～23MPa，具有典型的脆性材料特征，远达不到穿甲类高速冲击环境的强度要求，北京理工大学的Liu等人在2019年研究了PTFE/Al/W活性破片在着速900m/s的情况下，可贯穿10mm厚铝靶且引燃航空燃油，因此需要衡量强度与活性的关系选择活性材料制备的破片。

预制破片常用于传统爆破战斗部中，破片按需要的形状和尺寸，用规定的材料预先制造好，运用粘接剂粘接在装药外的内衬上，内衬可以是薄铝筒、薄钢筒或玻璃钢筒，破片层外再加一外套，预制破片则直接装入外套和内衬之间，通过环氧树脂或其他材料填充间隙，预制破片可以加工成高密度材料以增大破片杀伤效能，传统爆破战斗部杀伤效能强，但无侵彻攻坚能力。

如将活性破片制成如上传统爆破战斗部，则这样的预制破片爆破战斗部存在以下不足：

1、为了提高结构强度，破片层外面通常有一层玻璃钢，在重量有限的发射平台上，质量的微小上升将大大削弱战斗部的作战能力；

2、全预制破片战斗部结构强度低，攻坚能力弱，无侵彻能力，无法贯穿硬目标对敌方核心位置如战机的油箱造成有效打击。

3、战斗部内装药引爆可能提前引燃引爆活性破片，导致活性破片对目标的打击毁伤作用降低，存在毁伤效能、能量、破片利用率低的缺点。

发明内容

本发明目的在于克服上述不足，提供一种侵彻与全预制活性破片爆破战斗部及其制备方法，旨在提升现有全预制活性破片战斗部侵彻攻坚能力、毁伤效能和有效控制战斗部整体质量过高的问题。

为了达到上述目的，本发明技术设计方案为：

钛合金基体含活性破片夹杂的侵彻爆破战斗部，包括一个弹头和壳体；

弹头和壳体之间设有隔板；

弹头内安装有前段药；壳体内安装有后段药；

所述的弹头尾部突出一段空心圆筒开设外螺纹；

所述的壳体包括钛合金基体和活性破片，所述的钛合金基体包括钛合金薄壁圆筒骨架和钛合金金属粉末，钛合金薄壁圆筒骨架筒壁上设有阵列空槽，活性破片粘在所述的阵列空槽里；钛合金薄壁圆筒骨架、活性破片与钛合金金属粉末压制成壳体；壳体的前端设有内螺纹，与弹头尾部外螺纹连接；尾端分别与体接套、端盖螺纹连接，体接套内装填引信。

所述的钛合金基体含活性破片夹杂的侵彻爆破战斗部的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、加工具有一定弹径比的高强度的弹头，弹头尾部突出一段空心圆筒，开设一道外螺纹以连接壳体；弹头内安装有前段药；

步骤二、壳体制作及材料选择，壳体的钛合金基体材料和活性破片材料的选用具有良好的相容性，采用粉末冶金的成型工艺结合3D打印技术将预制活性破片以有序的阵列组合放置于钛合金基体中，活性破片间距/活性破片直径＝D1/D0～[1,2],壳体壁厚/活性破片直径＝L/D0～[2,4],以保证壳体的结构强度满足需求；

步骤三、运用3D打印技术打印一个含有阵列空槽的钛合金薄壁圆筒骨架，将活性破片涂上粘胶，填进钛合金薄壁圆筒骨架的空槽里，直至胶干后，活性破片固定于钛合金薄壁圆筒骨架上；

步骤四、将带有破片阵列的钛合金薄壁圆筒骨架放置在模具圆筒和模具底座组成的模具中，装填钛合金金属粉末并密封，利用转动和振动方法来装填粉末以达到初始密度；

步骤五，将模具进行冷等静压处理，直到达到合金需求密度及力学性能时形成壳体，将壳体从模具中取出；

步骤六、采用真空熔结的方法进一步提升壳体金属密度，最后使用热等静压对壳体预制件进行处理，烧结和扩散结合，达到增加金属密度和强度的目的；

步骤七、壳体前端设有内螺纹，与弹头尾部外螺纹连接；弹头和壳体之间设有隔板；加工端盖并开设外螺纹与壳体尾端的内螺纹配合，壳体内填充后段药及安装引信。

本发明与现有全预制破片战斗部相比，其显著优点如下：

1、该制造方法采用3D打印技术打印薄壁骨架以填充固定活性破片，为设计及制造提供了极大的便利，且骨架材料与粉末冶金的壳体基体材料相同，壳体内部具有良好的相容性，壳体结构强度得到保证。

2、采用粉末冶金成型工艺和3D打印技术，该设计方法可实现将两种材料混合，既发挥其全预制活性破片物理、化学毁伤效能，同时能满足其结构强度，对攻坚侵彻能力有很大提高，与传统全预制破片爆破战斗部相比，在侵彻功能上实现0到1的突破。

3、在发射平台约束条件下，灵活选择不同材料配合，选择相容性好活性强的两种材料，且控制质量在发射平台极值之内，可大大提高破片引燃引爆功能，提高作战能力。

4、活性破片包裹于壳体中，能有效提高含能破片的毁伤效能及利用率。

5、本发明可灵活更改破片形状、大小，在满足结构强度的条件下，破片形状可更换为圆柱形，六面体形等利于加工的形状，且可依据3D打印技术平台，灵活更改预制破片的排布阵列方式以达作战需求。

附图说明

图1为3D打印钛合金薄壁圆筒骨架模型示意图；

图2为钛合金薄壁圆筒骨架含活性破片模型示意图；

图3为壳体成型模具示意图；

图4为模具成型壳体剖面示意图；

图5为含活性破片成型壳体剖面示意图；

图6为钛合金基体含全预制活性破片的侵彻爆破战斗部设计示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施范例对本发明做进一步说明。

结合图6所示战斗部总体结构示意图，加工一定系数弹径比的截顶卵形弹头7，截顶卵形弹头尾部突出一段，开设一道外螺纹与壳体内螺纹配合连接；采用3D打印技术设计钛合金薄壁圆筒骨架1，将高密度的活性破片2粘至钛合金薄壁圆筒骨架1的阵列空槽里，待活性破片2固定之后，将其放置于模具圆筒3和模具底座4组成的模具中，添加钛合金金属粉末5，其中，需要增大活性破片2表面粗糙度，以增大和基体钛合金的粘接面积，从而提升其结构强度，将二者在冷等静压和热静压条件下成型，最终达到足够的力学强度的壳体；考虑装药安定性，战斗部内特装有隔板9，以隔开前段药8和后段药10，药柱后为与壳体螺纹连接的体接套11以装填引信12；端盖13开设一道外螺纹与壳体尾部内螺纹配合连接。

钛合金基体含活性破片夹杂的侵彻爆破战斗部的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、加工一定系数弹径比的截顶卵形弹头7，材料选用合金钢，以增强侵彻能力，弹头7尾开设外螺纹与壳体内螺纹配合，弹头7内装有前段药8

步骤二、壳体制作及材料选择，钛合金材料具有比强度高，低密度等优点，是轻量化要求的最佳材料之一，而粉末冶金成型的钛合金组织均匀细小，力学性能接近锻造钛合金水平，同时钛合金也是3D打印技术常用的金属制备材料，两种工艺选用统一材料使得壳体基体内材料具有良好的相容性，而钛合金和活性材料也具有良好的相容性；以粉末冶金方式预制钛合金和活性材料，既能保证壳体整体的结构强度，又能控制整体结构质量，以满足发射平台质量约束的要求，因此选用TC4钛合金粉末作为3D打印骨架材料和粉末冶金成型壳体基体材料，选用高密度全金属活性材料作为全预制破片，活性破片颗粒间距/活性破片直径＝D1/D0～[1,2]，战斗部壳体壁厚/活性破片直径＝L/D0～[2,4]，以保证壳体的结构强度满足需求。

步骤三、如图1所示，运用3D打印技术打印一个含有正方形排布阵列空槽的钛合金薄壁圆筒骨架1，阵列空槽用以填充活性破片2，将活性破片表面涂上粘胶，以手工形式填进钛合金薄壁圆筒骨架的空槽中，如图2所示，待胶干后，活性破片2固定在钛合金薄壁圆筒骨架上。

步骤四、如图3所示，依据需要的壳体尺寸，设计一套壳体成型模具，模具圆筒3和模具底座4组成的模具；如图4所示，将带有活性破片2的钛合金薄壁圆筒骨架1放置在模具中，装填钛合金基体粉末5并密封，利用转动和振动方法来装填粉末以达初始设定密度。

步骤五、将装有带有活性破片的钛合金薄壁圆筒骨架1和钛合金基体粉末5的模具放入冷等静压机械压制成型设备中，冷静压成型压力设为60-65000Psi，当成型设备中的壳体成型金属密度达到最终密度的80％并且具有足够的力学强度时，将壳体从模具中取出。

步骤六、采用真空熔结的方法使壳体金属密度达到最终密度的95～96％；最后，使用热等静压进一步对壳体预制件进行处理，设立约为1650F/2hr/1500psi的热静压力，烧结和扩散结合，最终达到增加壳体金属密度和强度的目的，如图5所示，钛合金基体6含全预制活性破片2的壳体成型完毕。

步骤七、加工端盖13并开设外螺纹与壳体内螺纹配合，壳体内装有隔板9、后段药10及体接套11，隔板9和体接套11皆与壳体螺纹连接，体接套11用以安装引信12。

Claims (3)

1.钛合金基体含活性破片夹杂的侵彻爆破战斗部，其特征在于，包括一个弹头(7)和壳体；

弹头(7)和壳体之间设有隔板(9)；

弹头(7)内安装有前段药(8)；壳体内安装有后段药(10)；

所述的弹头(7)尾部突出一段空心圆筒开设外螺纹；

所述的壳体包括钛合金基体(6)和活性破片(2)，所述的钛合金基体(6)包括钛合金薄壁圆筒骨架(1)和钛合金金属粉末(5)，钛合金薄壁圆筒骨架(1)筒壁上设有阵列空槽，活性破片(2)粘在所述的阵列空槽里；钛合金薄壁圆筒骨架(1)、活性破片(2)与钛合金金属粉末(5)压制成壳体；壳体的前端设有内螺纹，与弹头(7)尾部外螺纹连接；体接套(11)内装填引信(12)，体接套(11)和端盖(13)分别与壳体尾端先后螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的钛合金基体含活性破片夹杂的侵彻爆破战斗部的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、加工具有一定弹径比的高强度的弹头(7)，弹头(7)尾部突出一段空心圆筒，开设一道外螺纹以连接壳体；弹头(7)内安装有前段药(8)；

步骤二、壳体制作及材料选择，壳体的钛合金基体(6)材料和活性破片(2)材料的选用具有良好的相容性；

步骤三、运用3D打印技术打印一个含有阵列空槽的钛合金薄壁圆筒骨架(1)，将活性破片(2)涂上粘胶，填进钛合金薄壁圆筒骨架(1)的空槽里，直至胶干后，活性破片(2)固定于钛合金薄壁圆筒骨架(1)上；

步骤四、将带有破片阵列的钛合金薄壁圆筒骨架(1)放置在模具圆筒(3)和模具底座(4)组成的模具中，装填钛合金金属粉末(5)并密封，利用转动和振动方法来装填粉末以达到初始密度；

步骤五、将模具进行冷等静压处理，当成型设备中的壳体成型金属密度达到最终密度的80％并且具有足够的力学强度时形成壳体，将壳体从模具中取出；

步骤六、采用真空熔结的方法进一步提升壳体金属密度，最后使用热等静压对壳体预制件进行处理，烧结和扩散结合，达到增加金属密度和强度的目的；

步骤七、壳体前端设有内螺纹，与弹头(7)尾部外螺纹连接；弹头(7)和壳体之间设有隔板(9)；加工端盖(13)并开设外螺纹与壳体尾端的内螺纹配合，壳体内填充后段药(10)及安装引信(12)。

3.根据权利要求2所述的钛合金基体含活性破片夹杂的侵彻爆破战斗部的制备方法，其特征在于，所述的活性破片(2)，活性破片间距/活性破片直径＝D1/D0～[1,2]；壳体壁厚/活性破片直径＝L/D0～[2,4]。

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