CN115200417A - 一种具有释能扩孔效应射孔弹的铜高熵合金药型罩 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有释能扩孔效应射孔弹的铜高熵合金药型罩，铜高熵合金的分子式为CoaCrbFecNidCue，通过以下步骤制备：一、将钴、铬、铁、镍和铜去除氧化皮后混合，得到混合原料；二、将混合原料在在真空感应熔炼炉反复熔炼后浇铸，得到毛坯铸锭；三、将毛坯铸锭进行均匀化热处理，得到热处理铸锭；四、将热处理铸锭依次进行车削和抛光平整，得到药型罩。本发明通过去除氧化皮、混合、真空熔炼、均匀化热处理和车削抛光后得到药型罩结构件，既避免了氧化物脆性杂质的引入，保证了材料的纯度，能够改善材料混合的均匀度，确保了药型罩的密度和延展性，使大孔径深穿透射孔弹药型罩结构件在高应变率下具有冲击释能的扩孔效应。
Description
技术领域
本发明属于射孔弹药型罩技术领域，具体涉及一种具有释能扩孔效应射孔弹的铜高熵合金药型罩。
背景技术
聚能射流是利用装药在金属药型罩上的门罗效应，将炸药的能量汇聚起来，在爆轰作用下，金属药型罩被压垮形成高温、高速、流塑状态的金属延性射流，主要应用于在油气井开挖领域中聚能式射孔弹的锥形药型罩。聚能式射孔弹分为深穿透型和大孔径型。深穿透型主要用于完成深孔开设，对穿孔深度要求较高；大孔径型主要用于防砂射孔完井，对穿孔孔径要求较高。
当前射孔弹的锥形药型罩材料主要采用粉末金属混合物压制成型，主要有铜、钨、锌、铅等。锥形药型罩的作用是在炸药爆炸作用后形成射流束，以惰性高压和高速的射流束穿透套管、水泥环和地层。传统结构的锥形射孔弹药型罩，主要依靠动能开孔侵彻，难以同时满足对穿孔深度和开孔孔径的要求。通常采用的方式是先开孔后扩孔，或设计加工结构复杂的药型罩结构，这无疑增加了加工成本，延误了工程进度。此外，采用粉末金属混合物压制成型工艺，极易引入杂质，严重影响射流束形成的质量，最终影响开孔效果。
高熵合金属于多主元合金，是近年来发展起来的一类新型合金材料。通常含有至少五种主要金属元素，各元素含量可以按照等原子比或者非等原子比例设计，通常各元素原子数含量不应少于5%。不同于传统的合金材料，高熵合金的混合熵高，不易形成金属间化合物，反而容易形成固溶体结构。高熵合金在动力学、组织结构、性能等方面相比传统合金也具有自身独特的特性，即热力学上的高熵效应、动力学上的迟滞扩散效应、结构上的晶格畸变效应和性能上的“鸡尾酒”效应。因此，高熵合金具有好的综合性能，具备很高的耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性，在获得高硬度的同时，也能够具有较好的塑韧性，保证良好的机械加工性能。因此，有望成为新一代材料应用于矿山和油气井的射孔开孔作业等领域。
因此需要提供一种即具有释能扩孔效应又具有大孔径深穿透性能的射孔弹的铜高熵合金药型罩。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种具有释能扩孔效应射孔弹的铜高熵合金药型罩。本发明通过设计铜高熵合金作为药型罩，在保证药型罩材料密度和延展性的前提下，提高了金属药型罩材料的强度和熔点，保证良好的延展性，具备释能效应，同时提高了射流束的凝聚效果，并且射流在撞击靶板目标时，实现在高应变率下的冲击释能扩孔效应，能够在满足穿深的同时，高速撞击引发冲击反应，释放大量能量，有助于保证金属聚能射流在油气井射孔深度，同时提高孔径大小。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有释能扩孔效应大孔径深穿透射孔弹的铜高熵合金药型罩，其特征在于，所述铜高熵合金的分子式为CoaCrbFecNidCue，其中a，b，c，d，e分别各元素的原子数比，且0.5≤a≤2，0.5≤b≤1，0.5≤c≤1，0.5≤d≤2，0.5≤e≤2，该铜高熵合金药型罩的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将钴、铬、铁、镍和铜去除氧化皮后混合，得到混合原料；
步骤二、将步骤一中得到的混合原料在在真空感应熔炼炉反复熔炼后浇铸，得到毛坯铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的毛坯铸锭进行均匀化热处理，得到热处理铸锭；
步骤四、将步骤三中得到的热处理铸锭依次进行车削和抛光平整，得到铜高熵合金药型罩。
本发明的铜高熵合金中Co、Ni和Fe的活性较高，相互配合能够在高速撞击下实现冲击释能，达到扩孔效果，Cr能够保证材料的耐腐蚀性，Cu能适当提升合金材料的强度，并且根据金属原材料的理化性质可知：Co：密度8.9g/cm3，熔点1495℃，沸点2900℃；Cr：密度7.19g/cm3，熔点1907℃，沸点2672℃；Fe：密度7.87g/cm3，熔点1538℃，沸点2750℃；Ni：密度8.9g/cm3，熔点1453℃，沸点2730℃；Cu：密度8.9g/cm3，熔点1083℃，沸点2567℃，熔点最高的元素Cr为1907℃，由此并根据铜高熵合金的成分，本发明的铜高熵合金的熔点为1300℃~1600℃，能够同时满足药形罩材料所要求的高塑形、高熔点、高密度的要求，能够在满足穿深的同时，高速撞击引发冲击反应，释放大量能量，有助于保证金属聚能射流在油气井射孔深度，同时提高孔径大小。
上述的一种具有释能扩孔效应射孔弹的铜高熵合金药型罩，其特征在于，步骤一中所述钴、铬、铁、镍和铜的质量纯度大于99.9%；所述钴、铬、铁、镍和铜均为颗粒状、块状或球形。本发明通过控制原料纯度，保证了制备的药型罩的纯度，提高了药型罩的性能。
上述的一种具有释能扩孔效应射孔弹的铜高熵合金药型罩，其特征在于，步骤一中所述去除氧化皮用砂纸在隔离保护条件下进行，并在无水乙醇或丙酮中超声清洗。本发明通过去除氧化皮用砂纸在隔离保护条件下进行，避免引入杂质，氧化皮作为杂质引入合金中，可能导致材料变脆，严重影响材料的塑形，将制约其在药形罩上应用时射流的有效形成。
上述的一种具有释能扩孔效应射孔弹的铜高熵合金药型罩，其特征在于，步骤二中所述反复熔炼过程中原料保持液态的时间不低于20min，所述反复熔炼过程中反复熔炼5次~10次，其中每次熔炼均将得到的铸锭翻转180°后再进行熔炼。本发明控制反复熔炼过程中原料保持液态的时间不低于20min，是指整个反复熔炼过程中保持液态的总时间，并通过控制反复熔炼的次数和铸锭翻转，均是保证毛坯铸锭的成分更加均匀，减少成分不均匀导致的偏析等现象，提高合金材料的性能，反复熔炼中每次熔炼后均需要冷却得到铸锭后将得到的铸锭翻转180°后再进行熔炼。
上述的一种具有释能扩孔效应射孔弹的铜高熵合金药型罩，其特征在于，步骤三中所述均匀化热处理在氩气气氛或真空条件下加热至1000℃~1200℃后保温12h~24h，然后随炉冷却。本发明通过均匀化热处理，有助于各个元素原子的充分扩散迁移，使得成分进一步扩散均匀。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过设计铜高熵合金作为药型罩，在保证药型罩材料密度和延展性的前提下，提高了金属药型罩材料的强度和熔点，保证良好的延展性，具备释能效应，同时提高了射流束的凝聚效果，并且射流在撞击靶板目标时，实现在高应变率下的冲击释能扩孔效应，能够在满足穿深的同时，高速撞击引发冲击反应，释放大量能量，有助于保证金属聚能射流在油气井射孔深度，同时提高孔径大小。
2、本发明涉及的合金元素资源较为充足，各合金元素的熔点相近，熔炼难度较小，同时，在熔炼前和熔炼中，有效避免了杂质成分的引入，从而保证了射流束的成形率。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的药型罩的金相组织结构图。
图2为本发明实施例1制备的药型罩的准静压应力应变曲线图。
图3为本发明实施例1制备的药型罩的动态力学性能曲线图。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将钴、铬、铁、镍和铜去除氧化皮后按原子比为2:1:1:2:1进行混合，得到混合原料；所述钴、铬、铁、镍和铜的质量纯度大于99.9%；所述钴、铬、铁、镍和铜均为颗粒状；所述去除氧化皮用砂纸在隔离保护条件下进行，并在无水乙醇中超声清洗；
步骤二、将步骤一中得到的混合原料在在真空感应熔炼炉反复熔炼后浇铸，得到毛坯铸锭；所述熔炼中合金液态的时间保持不低于20min，铸锭翻转180°反复熔炼10次；
步骤三、将步骤二中得到的毛坯铸锭进行均匀化热处理，得到热处理铸锭；所述均匀化热处理在氩气气氛下加热至1200℃后保温24h，然后随炉冷却；
步骤四、将步骤三中得到的热处理铸锭依次进行车削和抛光平整，得到铜高熵合金药型罩。
经检测，本实施例制备的药型罩中铜高熵合金的分子式为Co2CrFeNi2Cu，得到的Co2CrFeNi2Cu高熵合金，熔点大约为1489℃，密度为8.51g/cm3，进一步提高合金材料的密度，提高Ni的含量，有助于提高反应活性，进而提升释能扩孔效果。
图1为本实施例制备的药型罩的金相组织结构图，从图1中可以看出，药型罩显微组织为等轴的树枝晶形貌，在基体中可观察到大量的枝晶相的存在，其晶粒尺寸为20μm~70μm。
图2为本发明实施例1制备的药型罩的准静压应力应变曲线图，从图2中可以看出，本实施例制备的药型罩的屈服强度大约为260MPa，塑形大于50%，准静态力学性能表现出的高塑性，应证了该材料在射孔弹药形罩上应用的潜力。
图3为本发明实施例1制备的药型罩的动态力学性能曲线图，从图2中可以看出，随着应变率的提升，从1371的应变率到4535的应变率，其中应变率的单位为s-1，该药型罩的强度、塑形均有显著提升，说明该药型罩具有优异的动态力学性能，能够满足具有释能扩孔效应射孔弹的药形罩的使用要求。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将钴、铬、铁、镍和铜去除氧化皮后按原子比为1:1:1:1:1进行混合，得到混合原料；所述钴、铬、铁、镍和铜的质量纯度大于99.9%；所述钴、铬、铁、镍和铜均为球形；所述去除氧化皮用砂纸在隔离保护条件下进行，并在无水乙醇中超声清洗；
步骤二、将步骤一中得到的混合原料在在真空感应熔炼炉反复熔炼后浇铸，得到毛坯铸锭；所述熔炼中合金液态的时间保持不低于20min，铸锭翻转180°反复熔炼8次；
步骤三、将步骤二中得到的毛坯铸锭进行均匀化热处理，得到热处理铸锭；所述均匀化热处理在真空条件下加热至1000℃后保温12h，然后随炉冷却
步骤四、将步骤三中得到的热处理铸锭依次进行车削和抛光平整，得到铜高熵合金药型罩。
经检测，本实施例制备的药型罩中铜高熵合金的分子式为CoCrFeNiCu，得到的CoCrFeNiCu高熵合金，熔点大约为1495℃，密度为8.35g/cm3，在保证密度没有显著下降的前提下，提高了药型罩合金材料的熔点；本实施例制备药型罩表现为等轴的树枝晶形貌，其晶粒尺寸为20μm~70μm，在基体中可观察到大量的枝晶间相的存在，合金经过均质化热处理后，仍然可观察到大量枝晶间相的存在，表明该枝晶间相具有良好的热稳定性，药型罩的屈服强度大约为260MPa，塑形大于50%，准静态力学性能表现出的高塑性，药型罩具有优异的动态力学性能，能够满足具有释能扩孔效应射孔弹的药形罩的使用要求。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将钴、铬、铁、镍和铜去除氧化皮后按原子比为0.5:0.5:0.5:0.5:2进行混合，得到混合原料；所述钴、铬、铁、镍和铜的质量纯度大于99.9%；所述钴、铬、铁、镍和铜均为颗粒状；所述去除氧化皮用砂纸在隔离保护条件下进行，并在无水乙醇中超声清洗；
步骤二、将步骤一中得到的混合原料在在真空感应熔炼炉反复熔炼后浇铸，得到毛坯铸锭；所述熔炼中合金液态的时间保持不低于20min，铸锭翻转180°反复熔炼7次；
步骤三、将步骤二中得到的毛坯铸锭进行均匀化热处理，得到热处理铸锭；所述均匀化热处理在氩气气氛下加热至1100℃后保温20h，然后随炉冷却
步骤四、将步骤三中得到的热处理铸锭依次进行车削和抛光平整，得到铜高熵合金药型罩。
经检测，本实施例制备的药型罩中铜高熵合金的分子式为Co0.5Cr0.5Fe0.5Ni0.5Cu2，得到的Co0.5Cr0.5Fe0.5Ni0.5Cu2高熵合金，熔点大约为1341℃，密度为8.56g/cm3，提高了药型罩的密度，降低了药型罩的制备成本；本实施例制备药型罩表现为等轴的树枝晶形貌，其晶粒尺寸为20μm~70μm，在基体中可观察到大量的枝晶间相的存在，合金经过均质化热处理后，仍然可观察到大量枝晶间相的存在，表明该枝晶间相具有良好的热稳定性，药型罩的屈服强度大约为260MPa，塑形大于50%，准静态力学性能表现出的高塑性，药型罩具有优异的动态力学性能，能够满足具有释能扩孔效应射孔弹的药形罩的使用要求。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将钴、铬、铁、镍和铜去除氧化皮后按原子比为1:0.8:0.7:1.5:0.5进行混合，得到混合原料；所述钴、铬、铁、镍和铜的质量纯度大于99.9%；所述钴、铬、铁、镍和铜均为块状；所述去除氧化皮用砂纸在隔离保护条件下进行，并在丙酮中超声清洗；
步骤二、将步骤一中得到的混合原料在在真空感应熔炼炉反复熔炼后浇铸，得到毛坯铸锭；所述熔炼中合金液态的时间保持不低于20min，铸锭翻转180°反复熔炼5次；
步骤三、将步骤二中得到的毛坯铸锭进行均匀化热处理，得到热处理铸锭；所述均匀化热处理在氩气气氛下加热至1000℃后保温18h，然后随炉冷却
步骤四、将步骤三中得到的热处理铸锭依次进行车削和抛光平整，得到铜高熵合金药型罩。
经检测，本实施例制备的药型罩中铜高熵合金的分子式为CoCr0.8Fe0.7Ni1.5Cu0.5，得到的CoCr0.8Fe0.7Ni1.5Cu0.5高熵合金，熔点大约为1515℃，密度为8.44g/cm3，提高了药型罩的反应活性，保证了药型罩的熔点和密度；本实施例制备药型罩表现为等轴的树枝晶形貌，其晶粒尺寸为20μm~70μm，在基体中可观察到大量的枝晶间相的存在，合金经过均质化热处理后，仍然可观察到大量枝晶间相的存在，表明该枝晶间相具有良好的热稳定性，药型罩的屈服强度大约为260MPa，塑形大于50%，准静态力学性能表现出的高塑性，药型罩具有优异的动态力学性能，能够满足具有释能扩孔效应射孔弹的药形罩的使用要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种具有释能扩孔效应射孔弹的铜高熵合金药型罩，其特征在于，所述铜高熵合金的分子式为CoaCrbFecNidCue，其中a，b，c，d，e分别各元素的原子数比，且0.5≤a≤2，0.5≤b≤1，0.5≤c≤1，0.5≤d≤2，0.5≤e≤2，该铜高熵合金药型罩通过以下步骤制备：
步骤一、将钴、铬、铁、镍和铜去除氧化皮后混合，得到混合原料；
步骤二、将步骤一中得到的混合原料在在真空感应熔炼炉反复熔炼后浇铸，得到毛坯铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的毛坯铸锭进行均匀化热处理，得到热处理铸锭；
步骤四、将步骤三中得到的热处理铸锭依次进行车削和抛光平整，得到铜高熵合金药型罩。
2.根据权利要求1所述的一种具有释能扩孔效应射孔弹的铜高熵合金药型罩，其特征在于，步骤一中所述钴、铬、铁、镍和铜的质量纯度大于99.9%；所述钴、铬、铁、镍和铜均为颗粒状、块状或球形。
3.根据权利要求1所述的一种具有释能扩孔效应射孔弹的铜高熵合金药型罩，其特征在于，步骤一中所述去除氧化皮用砂纸在隔离保护条件下进行，并在无水乙醇或丙酮中超声清洗。
4.根据权利要求1所述的一种具有释能扩孔效应射孔弹的铜高熵合金药型罩，其特征在于，步骤二中所述反复熔炼过程中原料保持液态的时间不低于20min，所述反复熔炼过程中反复熔炼5次~10次，其中每次熔炼均将得到的铸锭翻转180°后再进行熔炼。
5.根据权利要求1所述的一种具有释能扩孔效应射孔弹的铜高熵合金药型罩，其特征在于，步骤三中所述均匀化热处理在氩气气氛或真空条件下加热至1000℃~1200℃后保温12h~24h，然后随炉冷却。
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