CN115055686A - 一种钨颗粒增强高熵合金战斗部及其增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钨颗粒增强高熵合金战斗部及其增材制造方法，所述钨颗粒增强高熵合金战斗部的壳体包括多个合金层；每层合金层由尺寸相同的多个矩形破片拼合而成，并且所述多个矩形破片采用钨颗粒增强高熵合金与高熵合金交替排列的方式布置；相邻层之间钨颗粒增强高熵合金的矩形破片与高熵合金的矩形破片交错布置。本发明战斗部采用钨颗粒增强高熵合金和高熵合金交替的特殊设计，首先由于在高熵合金中加入高含量的W，一方面能够大幅提高材料的硬度和强度进而提高其穿透能力，一方面还可降低其韧性进而在战斗部爆炸时方便解体形成破片；同时，在战斗部爆炸的时候，由于其力学性能的差异，两者连接结合处将容易解体，进而形成大量破片，达到毁伤效果。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造的技术领域，尤其是涉及一种钨颗粒增强高熵合金战斗部及其增材制造方法。
背景技术
导弹和炮弹的战斗部一般采用破片的方式对人员进行杀伤，其原理为高爆炸药引爆后将破片高速弹出。提高破片战斗部威力的方法主要为增加炸药提高破片速度和增加破片数量，无论哪种方法都将增加战斗部的重量。因此，亟待研究一种新型破片战斗部。
高熵合金作为多主元高性能合金，其比强度优于传统合金，而且抗断裂能力、抗拉强度、抗腐蚀及抗氧化特性等都优于传统合金，由于其强度高导致穿甲能力强，可以用作杀导弹和炮弹的战斗部。高熵合金是典型的结构材料，在室温下相当稳定，且具有很高的强度，而在冲击载荷作用下，高熵合金中加载的含能物质受冲击而诱发进一步的反应，释放出巨大能量。利用该特性制备的含能高熵合金破片，既可利用其强度来侵彻贯穿目标，又可利用其释能特性对目标产生附加的毁伤，最终显著提高毁伤效果。
传统武器战斗部的设计为面向并基于传统的制造方式，通过粘结等非冶金的方式填充，制备周期长且杀伤效果难以充分达到预期。金属增材制造技术是一种以数字模型为基础，通过逐层堆积成型的兼具高自由度、高材料利用率以及低周期的新兴制造技术。金属增材制造技术的发展为武器战斗部的制备与设计提供了一种全新的制备思路，复合材料的增材制造为战斗部的设计提供了新的依据，需要开发一种基于增材制造技术面向武器战斗部的高杀伤性能的战斗部制备方法。
发明内容
本发明的目的，即在于提供一种新型破片战斗部，其采用金属增材制造的方法生产，能够在相同重量下大幅提高战斗部的毁伤能力，具体的，本发明采用钨颗粒增强的高熵合金代替传统的钢作为结构材料，采用增材制造工艺进行制造，能够在保证结构强度的同时，减少重量。
本发明的技术方案具体为，一种钨颗粒增强高熵合金战斗部，其特征在：所述钨颗粒增强高熵合金战斗部的壳体包括多个合金层；
每层合金层由尺寸相同的多个矩形破片拼合而成，并且所述多个矩形破片采用钨颗粒增强高熵合金与高熵合金交替排列的方式布置；
相邻层之间钨颗粒增强高熵合金的矩形破片与高熵合金的矩形破片交错布置。
进一步优选的，所述高熵合金成分为TiZrHfNbX，X为Mo、V、Ta、Cr中的一种。
进一步优选的，所述钨颗粒增强高熵合金为所述高熵合金中加入10-75wt%的W。
进一步优选的，邻近的所述钨颗粒增强高熵合金的矩形破片的W含量不同。
进一步优选的，所述层的数量为5-10，所述层的厚度为1-5mm，所述矩形的边长为10-40mm。
本发明还提供一种上述钨颗粒增强高熵合金战斗部增材制造方法，其特征在于：
1）设计出所述钨颗粒增强高熵合金战斗部的三维模型，然后对该三维模型进行切片分层，得到各截面的钨颗粒增强高熵合金与高熵合金交替排列方式的具体数据；
2）将高熵合金预合金粉末装入高熵合金送粉器，将高熵合金预合金粉末与钨粉末按比例混合后装入钨颗粒增强高熵合金送粉器；
3）根据所述各截面的钨颗粒增强高熵合金与高熵合金交替排列方式的具体数据进行激光增材制造，具体为，在钨颗粒增强高熵合金处使用高熵合金送粉器送粉进行增材制造，在高熵合金处使用钨颗粒增强高熵合金送粉器送粉进行增材制造。
进一步优选的，所述高熵合金预合金粉末在预合金制备完成后采用旋转电极雾化法或者机械破碎法制备粉末，粉末粒径为37μm~600μm；所述钨粉末采用机械破碎法制备粉末，粉末粒径为150μm~2mm。
进一步优选的，激光增材制造的单位面积能量输入E有如下公式：
式中，P为激光功率，v为扫描速度，l为束斑直径，单位面积能量输入E维持在180~200J·mm-2。
进一步优选的，束斑直径为层厚的80-85%，扫描速度为200-400mm/min，激光功率为1000-3000W，送粉量为30g/min-150g/min，搭接率一般为20-30%。
进一步优选的，所述钨颗粒增强高熵合金送粉器为多个，其中的混合粉末的W含量不同。
与现有技术相比，本发明采用金属增材制造技术制造新型导弹战斗部壳体，创新性地提出了钨颗粒增强高熵合金和高熵合金交替的新型战斗部壳体结构，可以在相图重量下，大幅提高装药量和破片数量，使毁伤能力大幅提高。本发明采用的高熵合金自身为含能材料，战斗部爆炸时将引发其能量释放，促进破片形成，而本发明战斗部采用钨颗粒增强高熵合金和高熵合金交替的特殊设计，首先由于在高熵合金中加入高含量的W，一方面能够大幅提高材料的硬度和强度进而提高其穿透能力，一方面还可降低其韧性进而在战斗部爆炸时方便解体形成破片；同时，在战斗部爆炸的时候，由于其力学性能的差异，两者连接结合处将容易解体，进而形成大量破片，达到毁伤效果。本发明所设计的新型战斗部采用传统的制造方法无法制造，因此采用增材制造的方法，通过合适的工艺参数，可完成其制造。
附图说明
图1为本发明战斗部壳体钨颗粒增强高熵合金和高熵合金交替排列的结构示意图。
图2为本发明实施例制得产品的金相照片。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行描述。
图1为本发明壳体钨颗粒增强高熵合金和高熵合金交替排列的结构示意图，壳体1采用多层设计（图示虽显示3层，但仅为示意，一般优选5-10层，层数过少产生不了足够破片，但层数过多制造复杂，成本急剧增加），每一层均采用“钨颗粒增强高熵合金”与“高熵合金”交替排列的方式制造，具体而言，每一层合金层由尺寸相同的多个矩形破片拼合而成，并且多个矩形破片采用钨颗粒增强高熵合金矩形破片2与高熵合金区矩形破片3交替排列的方式布置（即有一条边拼接重合的两个矩形破片分属钨颗粒增强高熵合金和高熵合金两种不同材料，而仅有一个共同顶点的两个矩形破片同为钨颗粒增强高熵合金或高熵合金）；相邻层之间钨颗粒增强高熵合金矩形破片2与高熵合金矩形破片3交错布置，也即相邻层之间要错位排布（两层对应位置处的矩形破片分属钨颗粒增强高熵合金和高熵合金两种不同材料）。如此，在战斗部爆炸时，由于钨颗粒增强高熵合金和高熵合金的力学性能差异，两者连接处将解体，形成大量破片进行毁伤。
优选的，每一层合金层的层厚1-5mm，矩形的边长为10mm~40mm范围内时破片毁伤效果较好，特别优选的矩形为20mm*20mm的正方形，这是因为，层厚过薄难以产生破片，而过厚则破片过厚，毁伤效果不好，破片边长在10-40mm范围内时既能产生足够多的破片，也能保证单个破片的杀伤力，达到最大的毁伤效果。
战斗部采用的高熵合金成分为TiZrHfNbX，X为Mo、V、Ta、Cr中的一种，其力学性能优异，且为含能材料，在剧烈冲击作用下其内部能量释放，可促进壳体解体产生破片。
战斗部采用的钨颗粒增强高熵合金是在上述高熵合金中加入10-75wt%的W，从而能够大幅提高材料的硬度和强度，进而提高战斗部的穿透能力，同时降低其韧性，从而在战斗部爆炸时可解体形成破片，少于10%达不到强化效果，而多于75%钨颗粒则无法弥散分布于基体中，脆性大大增加，严重影响性能。
对于不同的钨颗粒增强高熵合金矩形破区域，其W含量可以都相同，也可以部分或者全部不同，尤其优选其W含量不同，因为W含量不同能进一步促进破片产生，从而增强毁伤效果。
增材制造采用激光为热源，粉末为原材料。高熵合金粉末采用预合金法进行制备，预合金制备完成后采用旋转电极雾化法或者机械破碎法制备粉末，粉末粒径为37μm~600μm。钨粉末采用机械破碎法制备，粒径150μm~2mm。送粉前将钨和高熵合金粉末在机械搅拌下进行充分混合，以尽量得到设计含量的钨颗粒增强高熵合金。
增材制造时选用锻造钛合金作为基板，从下向上，从内向外分段进行制造。增材制造必须在惰性气氛保护下进行，否则会发生氧化甚至燃烧。启动激光器进行增材制造前，首先设计出钨颗粒增强高熵合金战斗部的三维模型，然后对该三维模型进行切片分层，得到各截面的钨颗粒增强高熵合金与高熵合金交替排列方式的具体数据，根据设计的具体数据，将采用多个送粉器送粉，每个送粉器对应一种W含量的粉末（W含量为0的即为高熵合金）。增材制造相关区域时，打开对应送粉器进行送粉，并照射激光束斑进行增材制造。
本发明需对增材制造工艺参数进行调控，为实现W颗粒有效强化，需严格控制工艺参数，特别是能量输入。单位面积能量输入E有如下公式：
式中，P为激光功率，v为扫描速度，l为束斑直径。单位面积能量输入过小时，高熵合金粉末无法完全熔化，会产生气孔和未熔合等缺陷，单位面积能量输入过大时，W颗粒完全熔化，形成粗大的枝晶，也严重影响性能。经多次试验总结，单位面积能量输入需维持在180~200J·mm-2，此时，高熵合金粉末完全熔化，而W颗粒少部分熔化和高熵合金保持冶金结合并弥散的分布在高熵合金中，此时合金性能最优。束斑直径根据所需的层厚进行选择，因粉末熔化后的熔体会流动，冷却后宽度会略大于光斑直径，为了达到设定层厚，光斑直径应略小于层厚，一般为层厚的80-85%。激光功率为1000-3000W，扫描速度控制在200mm/min~400mm/min之间。送粉量和激光束斑直径呈正比关系，一般为30g/min~150g/min。搭接率一般为20~30%，搭接率过小则结合不好，搭接率过大则会在搭接处形成突起。
综上，本发明提出了一种新型破片战斗部制造方法，相同重量下，能大幅提高战斗部的毁伤能力，为高毁伤导弹、炮弹等破片战斗部设计提供一种新的切实可行的方法。
实施例：
设计战斗部壳体为5层，每层层厚2mm，破片为20mm*20mm的正方形。
高熵合金成分为TiZrHfNbCr，含W区域含W量为50%。高熵合金制成预合金后采用机械破碎为100~150μm的粉末，W为机械破碎的250-350μm的粉末，两者采用搅拌的方式混合均匀。
激光束斑直径选择为层厚的80%为1.6mm，送粉量选择50g/min，搭接率为25%。激光功率选择1600W，激光扫描速度为300mm/min。
含W区域显微组织如图2所示，W颗粒弥散分布于基体中，无粗大枝晶产生。
经测试，高熵合金硬度为412.1HV，钨颗粒增强高熵合金硬度为732.1HV，高熵合金抗拉强度为1210MPa，延伸率为12.3%，钨颗粒增强高熵合金抗拉强度为1971MPa，延伸率为3.2%，两者力学性能差距较大，在爆破过程中会极易产生破片。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种钨颗粒增强高熵合金战斗部，其特征在：所述钨颗粒增强高熵合金战斗部的壳体包括多个合金层；
每层合金层由尺寸相同的多个矩形破片拼合而成，并且所述多个矩形破片采用钨颗粒增强高熵合金与高熵合金交替排列的方式布置；
相邻层之间钨颗粒增强高熵合金的矩形破片与高熵合金的矩形破片交错布置。
2.根据权利要求1所述的钨颗粒增强高熵合金战斗部，其特征在于，所述高熵合金成分为TiZrHfNbX，X为Mo、V、Ta、Cr中的一种。
3.根据权利要求2所述的钨颗粒增强高熵合金战斗部，其特征在于，所述钨颗粒增强高熵合金为所述高熵合金中加入10-75%wt的W。
4.根据权利要求1所述的钨颗粒增强高熵合金战斗部，其特征在于，邻近的所述钨颗粒增强高熵合金的矩形破片的W含量不同。
5.根据权利要求1所述的钨颗粒增强高熵合金战斗部，其特征在于，所述层的数量为5-10，所述层的厚度为1-5mm，所述矩形的边长为10-40mm。
6.一种权利要求1-5任意一项所述钨颗粒增强高熵合金战斗部的增材制造方法，其特征在于：
1）设计出所述钨颗粒增强高熵合金战斗部的三维模型，然后对该三维模型进行切片分层，得到各截面的钨颗粒增强高熵合金与高熵合金交替排列方式的具体数据；
2）将高熵合金预合金粉末装入高熵合金送粉器，将高熵合金预合金粉末与钨粉末按比例混合后装入钨颗粒增强高熵合金送粉器；
3）根据所述各截面的钨颗粒增强高熵合金与高熵合金交替排列方式的具体数据进行激光增材制造，具体为，在钨颗粒增强高熵合金处使用高熵合金送粉器送粉进行增材制造，在高熵合金处使用钨颗粒增强高熵合金送粉器送粉进行增材制造。
7.根据权利要求6所述的增材制造方法，其特征在于，所述高熵合金预合金粉末在预合金制备完成后采用旋转电极雾化法或者机械破碎法制备粉末，粉末粒径为37μm~600μm；所述钨粉末采用机械破碎法制备粉末，粉末粒径为150μm~2mm。
8.根据权利要求6所述的增材制造方法，其特征在于，激光增材制造的单位面积能量输入E有如下公式：
式中，P为激光功率，v为扫描速度，l为束斑直径，单位面积能量输入E维持在180~200J·mm-2。
9.根据权利要求8所述的增材制造方法，其特征在于，束斑直径为层厚的80-85%，扫描速度为200-400mm/min，激光功率为1000-3000W，送粉量为30g/min-150g/min，搭接率一般为20-30%。
10.根据权利要求6所述的增材制造方法，其特征在于，所述钨颗粒增强高熵合金送粉器为多个，其中的混合粉末的W含量不同。
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