CN115213415A - 一种高性能复合材料药型罩的制备方法 - Google Patents

一种高性能复合材料药型罩的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种复合材料药型罩，包括铜材和复合材料，复合材料分布于药型罩母线的圆周方向，其中复合材料的质量分数≤50％；所述复合材料为Al、Zr、Ni、Ti、Mg、Mo、Ta、W等元素中的一种或几种；并提供了制备方法包括强塑变形加工药型罩内层超细晶组织、复合材料药型罩增材制造、阶梯控温去应力处理、少余量精密切削加工。本发明的复合材料药型罩致密度高、杂质含量低、组织均匀对称性好，而且复合材料成分根据设计输入可精确控制，并能满足不同形状结构药型罩的加工制造，使复合材料药型罩在炸药爆轰加载下形成稳定的聚能射流，在聚能射流侵彻一定深度的靶标后，才产生爆炸、燃烧，提升毁伤后效。

Description

一种高性能复合材料药型罩的制备方法
技术领域
本发明涉及金属构件特种成型技术领域，特别是聚能侵彻战斗部用药型罩的成型制造，尤其涉及一种高性能复合材料药型罩的制备方法。
背景技术
国外对药型罩材料类型、组织(晶粒度、形貌、分布、晶粒取向等)、几何尺寸精度和毁伤效能之间的关系作了大量而深入的研究。结果表明，在药型罩结构参数与装药装配相同条件下，材料类型、组织与均匀性、织构(晶粒组织取向) 和其它内在组织参数对侵彻能力影响明显，其中材料类型(如单金属铜、复合材料、非晶、高熵合金)是影响聚能侵彻毁伤性能的关键因素之一。
目前，用于制造聚能侵彻战斗部用药型罩的金属材料主要有：铜、钽、镍、铁、钛等纯金属材料，以及铝铜、钽钨、钽铜等合金材料，其中铜具有密度高 (8.93g/cm3)、塑性好(室温断后伸长率达到50％)、声速大(4.7km/s)、熔点高(1083℃)，同时材料冷成形塑性好(冷镦粗压缩成形极限达到95％)、储藏丰富、价格相对便宜，能够满足常规武器战斗部的高性能与低成本要求。大量试验研究表明，采用挤制+拉拔、轧制的铜棒材或板材，再结合旋压、冲压、冷挤压等强塑变方法制造的药型罩，其中冷挤压药型罩内型面粗糙度达到Ra0.1μm，平均晶粒尺寸2.8μm～10μm，织构强度因子3～10，室温断后伸长率50％～ 60％，圆周壁厚差不大于0.02mm，从材料技术和制造工艺层面上讲，已达到现有技术水平的极限，对于打击新一代反应装甲、陶瓷装甲、复合装甲，单一铜/ 铝金属材料药型罩毁伤效能已明显不足，发展复合材料结构药型罩技术已成为研制高性能战斗部的当务之急。
为了高效毁伤打击新一代反应装甲、陶瓷装甲、复合装甲，从药型罩材料类型、连续射流长度、化学反应与侵彻威力之间的关联性，以及金属材料的强塑变理论、化学反应等出发，在高爆压、高爆速、瞬态下聚能射流侵彻体拉伸越长，并且在一定冲击作用下聚能射流动态侵彻的某一阶段侵彻体能释放出大量热能，从而对目标造成复合毁伤。国内现有复合材料药型罩制造工艺：一是采用复合板材冲压/旋压而成药型罩，具有材料易制备、结构简单等特点，但毁伤效能提升不明显；二是采用复合粉末压制+烧结而成药型罩，具有材料密度可调、容易制备等优点，但组织致密度差、对称性不高，导致侵彻性能不稳定；三是采用非晶、高熵合金制备的药型罩，材料制备难度大、不易加工，材料昂贵+综合制造成本高限制了工程化应用。对于聚能侵彻战斗部用药型罩，不仅要求高侵彻性能，而且稳定性、一致性好，能够满足大批量生产需要。由此，本申请提供了一种高性能复合材料药型罩及其制备方法。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种高性能复合材料药型罩，其界面结合紧密，致密度高、杂质含量低、组织均匀对称性好，在炸药爆轰加载下形成稳定的聚能射流，在聚能射流侵彻一定深度的靶标后，才产生爆炸、燃烧，提升毁伤后效，使目标彻底失效。
本发明是通过下列技术方案实现：
一种复合材料药型罩，包括铜材和复合材料，复合材料分布于药型罩母线的圆周方向，其中复合材料的质量分数≤50％。
所述药型罩角度偏差≤2′，圆度≤0.015mm，圆周壁厚差≤0.02mm，表面质量优于Ra0.4μm。
上述复合材料为Al、Zr、Ni、Ti、Mg、Mo、Ta、W等元素中的一种或几种。
所述复合材料分布于药型罩尖部、中部、口部(可以是间隔分布、连续分布，如图1所示)，在药型罩母线/圆周方向分布复合材料。
所述复合材料由Al、Zr、Ni、Ti、Mg、Mo、Ta、W等中的一种或几种的微末制备而成，粉末粒径为5μm～50μm。
本发明另一目的在于提供上述复合材料药型罩的制备方法。
本发明是通过下列技术方案实现：
一种高性能复合材料药型罩的制备方法，经过下列工艺步骤实现：
(1)复合材料药型罩结构设计：对复合材料药型罩成分、分布与结构等进行设计。满足在炸药爆轰冲击载荷作用下，药型罩形成聚能射流侵彻一定深度的靶标后，可以爆燃释放出大量热量，从而对靶后目标造成侵彻+爆燃复合毁伤。
(2)强塑变形加工药型罩内层超细晶组织：采用TU1/T2铜棒材(直径Φ40mm～Φ100mm)，将铜坯料放入挤压成形模具中，通过多道次冷挤压成形实现药型罩形性一体化控制成形；挤压成形完成后辅助以再结晶热处理(保温温度：200℃～350℃，保温时间：30min～90min)；
(3)复合材料药型罩增材制造：将步骤(2)所得超细晶铜药型罩坯件，通过精密切削加工获得预先设计的形状结构；选择Al、Zr、Ni、Ti、Mg、Mo、 Ta、W粉末，或者包覆复合粉，混合获得成分均匀的复合粉体；在药型罩外形面进行复合材料的增材制造；
(4)阶梯控温去应力处理：将步骤(3)获得的复合材料药型罩坯件，在高真空热处理炉中进行去应力热处理，保温温度120℃～180℃、保温时间3h～ 6h，真空度≥3×10-3Pa；然后进行低温冷却+室温静置处理，低温冷却介质为液氮，液氮温度130℃～196℃，处理时间2h～4h。
(5)少余量精密切削加工：将步骤(4)获得的复合材料药型罩坯件，在精密数控车床上进行少余量精密切削加工，加工表面粗糙度优于0.8μm、内外锥面同轴度不大于0.03mm、重量偏差不大于1g/100g。
所述步骤(2)中多道次冷挤压成形方法，是指铜材在室温条件下进行多道次挤压变形，每道次发生变形量5％～50％，累积变形量达到200％。
所述步骤(2)中在多道次冷挤压成形过程中，通过凸模、凹模的配合施力作用；即将药型罩挤压成形金属模具安装于机械式压力机上，压力机上滑块带动金属模具的凸模部分进行上下运动，从而对放置于凹模中的铜坯料施加压力作用，使铜坯料发生大塑性变形。
所述步骤(2)中的再结晶热处理过程中通入氮气，氮气流量1.5L/min～ 3L/min。配合再结晶热处理是在热的作用下强塑变组织发生回复、再结晶，细化晶粒组织，并提高塑韧性。解决药型罩表面氧化、受热不均匀等问题，
所述步骤(3)中药型罩尖部、中部、口部预留不同的空间体积，通过增材制造在预留的空间体积中填充复合材料，从而在药型罩母线/圆周方向上获得不同质量分布的复合材料，复合材料与铜材的质量之比可达到1:1。
所述步骤(3)中不同粒径的Al粉、Ni粉、Zr粉等，是指粉体的粒径在5μm～ 50μm。
所述步骤(3)中增材制造采用超音速等离子增材制造，等离子喷涂气体压力为1.0MPa～2.0MPa、流速为3L/min～4.5L/min，喷嘴与药型罩之间的距离为15mm～120mm、喷嘴与药型罩锥面法线角度为3°～10°，工件的转速为60r/min～300r/min。
所述步骤(3)中超音速等离子增材制造中采用陶瓷颗粒，陶瓷颗粒与复合粉体的质量比为5％～20％；陶瓷颗粒直径为100μm、30μm、10μm，数量比为 3:2:1～1:1:1。复合粉体和陶瓷颗粒之间不熔合，此步骤有打击压实变形作用，提高复合材料层的致密度。
所述步骤(3)中复合材料增材制造，药型罩外层可以是单金属交替叠层材料，也可以是均匀多金属复合层材料，还可以是多金属梯度复合材料；单金属交替叠层材料是指一层材料中只含有一种元素，层与层之间元素不同；均匀多金属复合层材料是指对粉体进行了包覆或预制混合，在微观上成分均匀一致；多金属梯度复合层材料是指沿药型罩厚度方向某一个或几个元素含量递增或递减。
所述步骤(4)中低温冷却循环进行2～4次，室温静置时间1h～3h。
所述步骤(5)中少余量精密切削加工，是以药型罩内型面为加工定位基准，在未增材制造复合材料的铜基层上切削加工0.05mm～0.15mm余量。
更具体的，一种高性能复合材料药型罩的制备方法，经过下列工艺步骤实现：
(1)复合材料药型罩结构设计：采用模拟仿真、理论计算等方法，对复合材料药型罩成分、分布与结构等进行优化设计(图1)，满足在炸药爆轰冲击载荷作用下，药型罩形成聚能射流侵彻一定深度的靶标后，可以爆燃释放出大量热量，从而对靶后目标造成侵彻+爆燃复合毁伤。
(2)强塑变形加工药型罩内层超细晶组织：采用TU1/T2铜棒材(直径Φ40mm～Φ100mm)，通过多道次冷挤压成形方法，将铜坯料放入挤压成形模具中，经过反复挤压实现药型罩形性一体化控制成形；在多道次冷挤压成形过程中，通过凸模、凹模的配合施力作用，使铜坯料发生多次反复的剪切强塑变形，获得均匀大塑性变形组织，挤压成形完成后辅助以再结晶热处理(保温温度： 200℃～350℃，保温时间：30min～90min)，通过发生静态再结晶，实现组织均匀细晶化、弱织构、低应力状态的多重控制(图2)。
(3)复合材料药型罩增材制造：将步骤(2)所得超细晶铜药型罩坯件，通过精密切削加工获得预先设计的形状结构，即通过切削加工在药型罩尖部、中部、口部预留不同的空间体积(图3)；根据超音速等离子增材制造设备技术条件，选择不同粒径的Al粉、Ni粉、Zr粉等，或者包覆复合粉，按设计成分进行混合处理，获得成分均匀的复合粉体；通过等离子喷涂气体压力/流速、喷嘴与药型罩之间的距离/角度、工件的转速等参数优化，以及陶瓷颗粒的含量与配比，在药型罩外形面进行复合材料的增材制造(图4)；根据特性进行复合材料加工制造，药型罩外层可以是单金属交替叠层材料，也可以是均匀多金属复合层材料，还可以是多金属梯度复合材料(图5、图6)。
(4)阶梯控温去应力处理：将步骤(3)获得的复合材料药型罩坯件，在高真空热处理炉中进行去应力热处理，保温温度120℃～180℃、保温时间3h～ 6h，真空度≥3×10-3Pa；然后在进行低温冷却+室温静置处理，低温冷却介质为液氮，液氮温度130℃～196℃，处理时间2h～4h。
(5)少余量精密切削加工：将步骤(4)获得的复合材料药型罩坯件，在精密数控车床上进行少余量精密切削加工，使药型罩几何尺寸满足图纸要求，同时加工表面粗糙度优于0.8μm、内外锥面同轴度不大于0.03mm、重量偏差不大于1g/100g，要求复合材料药型罩表面无凹坑、划痕、碰伤等缺陷。
有益效果
1、本发明包括强塑变形加工药型罩内层超细晶组织、复合材料药型罩增材制造、阶梯控温去应力处理、少余量精密切削加工，使制备的复合材料药型罩致密度高、杂质含量低、组织均匀对称性好，而且复合材料成分根据设计输入可精确控制，并能满足不同形状结构药型罩的加工制造，使复合材料药型罩在炸药爆轰加载下形成稳定的聚能射流，在聚能射流侵彻一定深度的靶标后，才产生爆炸、燃烧，提升毁伤后效。
2、本发明方法具有以下明显优势：采用强塑变形加工复合材料药型罩内层，通过多道次挤压变形获得累积大塑性剪切变形组织，再辅助以再结晶热处理，实现药型罩内层组织超细晶、均匀化，提高药型罩在炸药爆轰作用下聚能射流侵彻体的延展性、稳定性与连续性；提出复合材料药型罩增材制造方法，在细晶组织铜基体上制造不同成分、形状结构的复合材料，复合材料成分、质量分布可精确控制，能显著提升药型罩的综合毁伤效能；提出阶梯控温去应力处理方法，有效消除复合材料药型罩加工应力，稳定化组织结构。本发明克服了传统工艺药型罩形状结构与组织成分单一、毁伤后效不足等技术难题，同时还具有生产效率高、工艺稳定性好、易于实现工业化生产等优点。
(1)材料成分可调。复合材料药型罩中含有不超过50％质量分数的合金成分，合金中各元素比例可以任意调配，满足毁伤功能性指标要求。
(2)复合材料质量分布精确可控。复合材料在药型罩尖部、中部、口部(沿母线方向或圆周截面)等部位，复合粉体材料精准定点成形，实现不同部位不同重量复合材料的定量分布控制。
(3)尺寸精度高、表面质量好。复合材料药型罩内形面是经多道次挤压精确成形制造，外形面数控切削加工。复合材料药型罩角度偏差≤2′、圆度≤0.015mm、圆周壁厚差≤0.02mm，表面质量优于Ra0.4μm。
(4)本发明制备的药型罩侵彻深度大、毁伤后效高。与传统单金属铜药型罩相比，在侵彻深度相同情况下，侵彻孔径增大10％以上；在开放空间能引燃目标靶后木屑等物质，在密闭空间中气体压力增大2倍～3倍；与传统铝铜复合药型罩相比，侵彻深度提高20％以上，穿燃爆效果更明显。
附图说明
图1本发明复合材料结构药型罩
图2本发明多道次冷挤压成形铜药型罩基体及晶粒组织
图3本发明复合材料药型罩结合界面结构
图4本发明复合粉体增材制造过程示意图：(本发明喷丸颗粒是二氧化锆ZrO2、喷涂粒子是Al-Ni-Zr复合粉体)
图5本发明复合材料药型罩坯件
图6本发明复合材料药型罩复合材料层及基体结合形貌
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行描述，有必要在此指出的是，所述实施例只用于对本工艺进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据本发明的技术方案做出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种高性能复合材料药型罩的制备方法，它具体包括以下步骤：
(1)复合材料药型罩结构设计：基于第一性原理进行复合材料成分计算分析，并进行复合材料药型罩爆轰侵彻体形成、与靶标作用、爆燃过程仿真。根据侵彻体形成、拉伸、断裂，以及与靶标作用过程，进行复合材料药型罩成分、分布与结构等优化设计(图1)；
针对钢质靶标，复合材料成分为Al-Ni-Zr，复合材料与铜的重量之比为1:3，要求满足炸药爆轰冲击作用下，复合材料药型罩形成的聚能侵彻体穿透8倍口径厚度的钢质靶标后，可以爆燃释放出大量热量，从而对靶后目标造成侵彻+爆燃复合毁伤。
(2)强塑变形加工药型罩内层超细晶组织：根据步骤(1)中获得的药型罩结构，进行药型罩成形坯件设计与分析，采用TU1铜棒材(坯料尺寸规格为Φ65×47mm)，通过多道次冷挤压成形方法，将铜坯料放入挤压成形模具中，经过反复挤压实现药型罩形性一体化控制成形；在多道次冷挤压成形过程中，药型罩挤压成形金属模具安装于机械式压力机上，压力机上滑块带动金属模具凸模部分进行上下运动，从而对放置于凹模中的铜坯料施加压力作用，使铜坯料发生大塑性剪切变形；多道次冷挤压成形共设置为5道次，变形量依次为45％、40％、 30％、20％、8％，累积变形量为143％；采用普通氮气保护炉进行铜罩再结晶热处理，氮气流量2.5L/min，先将热处理炉加热到320℃，保温时间30min，再将铜罩放入热处理炉中加热保温60min，随炉冷却至150℃出炉，通过发生静态再结晶，药型罩平均晶粒尺寸在5μm～10μm，织构强度因子4～6，并呈现出等轴状晶粒。
(3)复合材料药型罩增材制造：将步骤(2)所得超细晶铜药型罩坯件，按照步骤(1)中设计的药型罩结构，通过精密切削加工获得预先设计的形状结构，即通过切削加工在药型罩尖部、中部、口部预留不同的空间体积(图3)；根据超音速等离子增材制造设备技术条件，选择不同粒径的Al粉(10μm～ 20μm)、Ni粉(5μm～10μm)、Zr粉(5μm～10μm)，按质量比2:1:1进行粉体研磨混合处理，获得成分均匀的复合粉体；通过调节超音速等离子设备气体压力为1.5MPa、流量为4L/min，喷嘴与药型罩之间的距离为50mm、喷嘴与药型罩锥面法线角度为8°，工件的转速为150r/min；陶瓷颗粒与复合粉体的质量比为 1:9，陶瓷颗粒的配比为重量比1:1:1(选择100μm、30μm、10μm三种粒径)；在铜药型罩基体上进行8道次均匀多金属复合层材料增材成形制造，复合材料层厚度达到2mm，复合材料增材制造层宏观形貌、微观组织如图5、图6所示。
(4)阶梯控温去应力处理：将步骤(3)获得的复合材料药型罩坯件，在高真空热处理炉中进行去应力热处理，热处理温度为180℃、热处理时间为3h，保温阶段真空度优于3×10-3Pa；在进行低温冷却+室温静置处理，低温冷却在液氮冷却装置中进行，低温冷却196℃×2h+室温静置1.5h，进行2次低温冷却+ 室温静置处理。
(5)少余量精密切削加工：将步骤(4)获得的复合材料药型罩坯件，在精密数控车床上进行少余量精密切削加工，以复合材料药型罩外锥面铜基层为基准，切削加工量为0.1mm，同时加工表面粗糙度优于0.8μm、内外锥面同轴度不大于0.03mm、重量偏差不大于1g/100g，药型罩表面无凹坑、划痕、碰伤等缺陷。
将上述得到的复合材料药型罩，进行致密度、抗弯曲性能测试，在复合材料药型罩上取12个试样(尖部、中部与口部各4个试样)致密度达到99.86％， 90°、180°弯曲试验试样结合面不开裂；采用X射线、水浸式超声波探伤方法，复合材料与铜基体之间没有间隙，结合紧密牢固；采用三坐标测量仪、粗糙度仪等分析设备，复合材料药型罩锥角偏差-0.89′～1.2′、圆周壁厚差-0.012mm～ 0.01mm、非加工面粗糙度达到Ra0.1μm、切削加工面粗糙度达到Ra0.4μm、 10件药型罩零件重量偏差-0.6g～1.3g(理论重量502g)；开展5发复合材料药型罩静态爆轰试验考核，在穿透900mm钢靶后，5发都能引燃靶后木屑(对比 3发纯铜药型罩，试验条件相同，在侵彻相同厚度的靶标后，都不能引燃靶后木屑)，同时侵彻孔径平均增大15％以上。
实施例2
一种高性能复合材料药型罩的制备方法，它具体包括以下步骤：
(1)复合材料药型罩结构设计：基于第一性原理进行复合材料成分计算分析，并进行复合材料药型罩爆轰侵彻体形成、与靶标作用、爆燃过程仿真。
根据侵彻体形成、拉伸、断裂，以及与靶标作用过程，进行复合材料药型罩成分、分布与结构等优化设计(图1)；针对钢筋混凝土靶标，复合材料成分为 W-Zr-Al-Ti，复合材料与铜的重量之比为1:4，要求满足炸药爆轰冲击作用下，复合材料药型罩形成的聚能侵彻体穿透10倍口径厚度的钢筋混凝土靶标后，可以爆燃释放出大量热能，从而对靶后目标造成侵彻+爆燃复合毁伤。
(2)强塑变形加工药型罩内层超细晶组织：根据步骤(1)中获得的药型罩结构，进行药型罩成形坯件设计与分析，采用TU1铜棒材(坯料尺寸规格为Φ65×62.5mm)，通过多道次冷挤压成形方法，将铜坯料放入挤压成形模具中，经过反复挤压实现药型罩形性一体化控制成形；在多道次冷挤压成形过程中，药型罩挤压成形金属模具安装于机械式压力机上，压力机上滑块带动金属模具凸模部分进行上下运动，从而对放置于凹模中的铜料施加压力作用，使铜料发生大塑性剪切变形；多道次冷挤压成形设置为7道次，变形量依次为48％、40％、35％、 30％、22％、15％、12％，累积变形量为202％；采用普通氮气保护炉进行铜罩再结晶热处理，氮气流量3L/min，先将热处理炉加热到300℃，保温时间30min，再将铜罩放入热处理炉中加热保温75min，随炉冷却至150℃出炉，通过发生静态再结晶，药型罩平均晶粒尺寸2.8μm～5μm，织构强度因子3～7，并呈现出等轴状晶粒。
(3)复合材料药型罩增材制造：将步骤(2)所得超细晶铜药型罩坯件，按照步骤(1)中设计的药型罩结构，通过精密切削加工获得预先设计的形状结构，即通过切削加工在药型罩尖部、中部、口部预留不同的空间体积(图3)；根据超音速等离子增材制造设备技术条件，选择不同粒径的W粉(2μm～5μm)、 Zr粉(10μm～15μm)、Al粉(20μm～30μm)、Ti粉(10μm～20μm)，按质量比1:2:2:5进行粉体研磨混合处理，获得成分均匀的复合粉体；通过调节超音速等离子设备气体压力为2.0MPa、流量为4.5L/min，喷嘴与药型罩之间的距离为 80mm、喷嘴与药型罩锥面法线角度为10°，工件的转速为120r/min；陶瓷颗粒与复合粉体的质量比为1:5，陶瓷颗粒的配比为重量比1:1:1(选择100μm、 30μm、10μm三种粒径)；在铜药型罩基体上进行8道次均匀多金属复合层材料增材成形制造，复合材料层厚度达到2.5mm，复合材料增材制造层宏观形貌、微观组织如图5、图6所示。
(4)阶梯控温去应力处理：将步骤(3)获得的复合材料药型罩坯件，在高真空热处理炉中进行去应力热处理，热处理温度为150℃、热处理时间为5h，保温阶段真空度优于3×10-3Pa；在进行低温冷却+室温静置处理，低温冷却是在液氮冷却装置中进行，低温冷却150℃×3h+室温静置2h，进行2次低温冷却+ 室温静置处理。
(5)少余量精密切削加工：将步骤(4)获得的复合材料药型罩坯件，在精密数控车床上进行少余量精密切削加工，以复合材料药型罩外锥面铜基层为基准，切削加工量为0.15mm，同时加工表面粗糙度优于0.8μm、内外锥面同轴度不大于0.03mm、重量偏差不大于1g/100g，药型罩表面无凹坑、划痕、碰伤等缺陷。
将上述得到的复合材料药型罩，进行致密度、抗弯曲性能测试，在复合材料药型罩上取12个试样(尖部、中部与口部各4个试样)致密度达到99.85％， 90°、180°弯曲试验试样结合面不开裂；采用X射线、水浸式超声波探伤方法，复合材料与铜基体之间没有间隙，结合紧密牢固；采用三坐标测量仪、粗糙度仪等分析设备，复合材料药型罩锥角偏差-0.95′～1.5′、圆周壁厚差-0.015mm～ 0.01mm、非加工面粗糙度达到Ra0.1μm、切削加工面粗糙度达到Ra0.4μm、 10件药型罩零件重量偏差-0.9g～2.4g(理论重量712g)；开展5发复合材料药型罩静态爆轰试验考核，在穿透1200mm钢筋混凝土靶标后(配筋率2％、混凝土强度C40)，5发都能引燃靶后0#柴油(对比3发纯铜药型罩，试验条件相同，在侵彻相同厚度的靶标后，都不能引燃靶后柴油)，测定密闭空间中气体压力增大2.5倍。
实施例3
一种高性能复合材料药型罩的制备方法，它具体包括以下步骤：
(1)复合材料药型罩结构设计：基于第一性原理进行复合材料成分计算分析，并进行复合材料药型罩爆轰侵彻体形成、与靶标作用、爆燃过程仿真。
根据侵彻体形成、拉伸、断裂，以及与靶标作用过程，进行复合材料药型罩成分、分布与结构等优化设计(图1)；针对钢筋混凝土靶标，复合材料成分为 Al-Zr-Ta，复合材料与铜的重量之比为1:20，要求满足炸药爆轰冲击作用下，复合材料药型罩形成的聚能侵彻体穿透6倍口径厚度的钢筋混凝土靶标后，可以爆燃释放出大量热量，从而对靶后目标造成侵彻+爆燃复合毁伤。
(2)强塑变形加工药型罩内层超细晶组织：根据步骤(1)中获得的药型罩结构，进行药型罩成形坯件设计与分析，采用TU1铜棒材(坯料尺寸规格为Φ65×55mm)，通过多道次冷挤压成形方法，将铜坯料放入挤压成形模具中，经过反复挤压实现药型罩形性一体化控制成形；在多道次冷挤压成形过程中，药型罩挤压成形金属模具安装于机械式压力机上，压力机上滑块带动金属模具凸模部分进行上下运动，从而对放置于凹模中的铜料施加压力作用，使铜料发生大塑性剪切变形；多道次冷挤压成形设置为6道次，变形量依次为50％、45％、40％、30％、20％、12％，累积变形量为197％；采用普通氮气保护炉进行铜罩再结晶热处理，氮气流量1.5L/min，先将热处理炉加热到250℃，保温时间30min，再将铜罩放入热处理炉中加热保温90min，随炉冷却至150℃出炉，通过发生静态再结晶，药型罩平均晶粒尺寸在5μm～10μm，织构强度因子5～8，并呈现出等轴状晶粒。
(3)复合材料药型罩增材制造：将步骤(2)所得超细晶铜药型罩坯件，按照步骤(1)中设计的药型罩结构，通过精密切削加工获得预先设计的形状结构，即通过切削加工在药型罩尖部、中部、口部预留不同的空间体积(图3)；根据超音速等离子增材制造设备技术条件，选择不同粒径的Al粉(20μm～ 30μm)、Zr粉(10μm～20μm)、Ta粉(5μm～10μm)；通过调节超音速等离子设备气体压力为2.0MPa、流量为4.5L/min，喷嘴与药型罩之间的距离为80mm、喷嘴与药型罩锥面法线角度为10°，工件的转速为120r/min；陶瓷颗粒与复合粉体的质量比为1:5，陶瓷颗粒的配比为重量比1:1:1(选择100μm、30μm、10μm 三种粒径)；在铜药型罩基体上进行9道次Al-Zr-Ta单一金属交替成形制造(即为Al-Zr-Ta-Al-Zr-Ta……，重复9次)，复合材料层厚度达到2mm，复合材料增材制造层宏观形貌、微观组织如图5、图6所示。
(4)阶梯控温去应力处理：将步骤(3)获得的复合材料药型罩坯件，在高真空热处理炉中进行去应力热处理，热处理温度为120℃、热处理时间为6h，保温阶段真空度优于3×10-3Pa；在进行低温冷却+室温静置处理，低温冷却是在液氮冷却装置中进行，低温冷却135℃×4h+室温静置2h，进行2次低温冷却+ 室温静置处理。
(5)少余量精密切削加工：将步骤(4)获得的复合材料药型罩坯件，在精密数控车床上进行少余量精密切削加工，以复合材料药型罩外锥面铜基层为基准，切削加工量为0.05mm，同时加工表面粗糙度优于0.8μm、内外锥面同轴度不大于0.03mm、重量偏差不大于1g/100g，药型罩表面无凹坑、划痕、碰伤等缺陷。
将上述得到的复合材料药型罩，进行致密度、抗弯曲性能测试，在复合材料药型罩上取12个试样(尖部、中部与口部各4个试样)致密度达到99.91％，90°、180°弯曲试验试样结合面不开裂；采用X射线、水浸式超声波探伤方法，复合材料与铜基体之间没有间隙，结合紧密牢固；采用三坐标测量仪、粗糙度仪等分析设备，复合材料药型罩锥角偏差-1.2′～1.5′、圆周壁厚差-0.015mm～ 0.01mm、非加工面粗糙度达到Ra0.1μm、切削加工面粗糙度达到Ra0.4μm、 10件药型罩零件重量偏差-0.4g～1.9g(理论重量632g)；开展5发复合材料药型罩静态爆轰试验考核，在穿透600mm复合靶标后(100mm均质钢+400mm 塑料夹层陶瓷+100mm均质钢)，5发都能引燃靶后0#柴油(对比3发铝铜复合板旋压药型罩，试验条件相同，其中2发仅穿透100mm均质钢+400mm塑料夹层陶瓷)。

Claims (10)

1.一种复合材料药型罩，包括铜材和复合材料，复合材料分布于药型罩母线的圆周方向，其中复合材料的质量分数≤50％；所述复合材料为Al、Zr、Ni、Ti、Mg、Mo、Ta、W等元素中的一种或几种。
2.如权利要求1所述的复合材料药型罩，所述复合材料分布于药型罩尖部、中部、口部。
3.如权利要求1所述的复合材料药型罩，所述复合材料由Al、Zr、Ni、Ti、Mg、Mo、Ta、W等中的一种或几种的粉末制备而成，粉末粒径为5μm～50μm。
4.如如权利要求1-3任一所述的复合材料药型罩的制备方法，包括以下步骤：
(1)强塑变形加工药型罩内层超细晶组织：采用铜棒材作为坯料，将铜坯料放入挤压成形模具中，通过多道次冷挤压成形实现药型罩形性一体化控制成形；挤压成形完成后再结晶热处理，保温温度为200℃～350℃，保温时间为30min～90min；
(2)复合材料药型罩增材制造：将步骤(1)所得超细晶铜药型罩坯件，通过精密切削加工获得预先设计的形状结构；选择Al、Zr、Ni、Ti、Mg、Mo、Ta、W粉末中的一种或几种或者包覆复合粉，混合获得成分均匀的复合粉体；采用超音速等离子增材制造技术在药型罩外形面进行复合材料的增材制造；
(3)阶梯控温去应力处理：将步骤(2)获得的复合材料药型罩坯件，在高真空热处理炉中进行去应力热处理，保温温度120℃～180℃、保温时间3h～6h，真空度≥3×10-3Pa；然后进行低温冷却和室温静置处理，低温冷却介质为液氮，液氮温度130℃～196℃，处理时间2h～4h；
(4)少余量精密切削加工：将步骤(3)获得的复合材料药型罩坯件，在精密数控车床上进行少余量精密切削加工，加工表面粗糙度优于0.8μm、内外锥面同轴度不大于0.03mm、重量偏差不大于1g/100g。
5.如权利要求4所述复合材料药型罩的制备方法，所述步骤(1)中多道次冷挤压成形方法，是指铜材在室温条件下进行多道次挤压变形，每道次发生变形量5％～50％，累积变形量达到200％。
6.如权利要求4或5所述复合材料药型罩的制备方法，所述步骤(1)中在多道次冷挤压成形过程中，将药型罩挤压成形金属模具安装于机械式压力机上，压力机上滑块带动金属模具的凸模部分进行上下运动，从而对放置于凹模中的铜坯料施加压力作用，使铜坯料发生大塑性变形。
7.如权利要求4-6任一所述复合材料药型罩的制备方法，所述步骤(1)中的再结晶热处理过程中通入氮气，氮气流量1.5L/min～3L/min。
8.如权利要求4-7任一所述复合材料药型罩的制备方法，所述步骤(2)中增材制造采用超音速等离子增材制造，等离子喷涂气体压力为1.0MPa～2.0MPa、流速为3L/min～4.5L/min，喷嘴与药型罩之间的距离为15mm～120mm、喷嘴与药型罩锥面法线角度为3°～10°，工件的转速为60r/min～300r/min。
9.如权利要求4-8任一所述复合材料药型罩的制备方法，所述步骤(2)中超音速等离子增材制造中采用陶瓷颗粒，陶瓷颗粒与复合粉体的质量比为5％～20％；陶瓷颗粒直径为100μm、30μm、10μm，数量比为3:2:1～1:1:1。
10.如权利要求4-9任一所述复合材料药型罩的制备方法，所述步骤(3)中低温冷却循环进行2～4次，室温静置时间1h～3h；所述步骤(4)中少余量精密切削加工，是以药型罩内型面为加工定位基准，在未增材制造复合材料的铜基层上切削加工0.05mm～0.15mm余量。
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