CN115961221B - 一种块体非晶合金药型罩及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种块体非晶合金药型罩及其制备方法，涉及非晶合金技术领域。非晶合金药型罩的元素组成包括Cu、Zr、Al和M，所述M为Ag、Hf、Ni中的一种或多种；所述非晶合金药型罩的化学式为：CuaZrbAlcMd，其中35≤a≤55，41≤b≤48，4≤c≤10，0≤d≤10，并且a+b+c+d＝100。本发明通过微合金化手段，成功开发了非晶形成能力、力学性能优异的CuaZrbAlcMd非晶合金，通过真空压铸成型工艺快速精准压铸成药型罩。本发明的非晶合金药型罩及其制备方法，兼顾石油射孔弹领域对高穿深和大破孔的需求，可普遍适用于石油射孔弹等领域。
Description
技术领域
本发明涉及非晶合金技术领域，特别是涉及一种块体非晶合金药型罩及其制备方法。
背景技术
随着侵彻目标愈加复杂多样化，提高开孔直径和射孔深度成为军用民用聚能射流技术的关键。药型罩是聚能射流的核心，在爆轰波压力的作用下被压垮，经历复杂的形变，形成高速向前的金属射流，实现对坚硬目标的侵彻与贯穿。根据侵彻流体动力学理论，要形成理想质量的射流，药型罩材料需要具备高密度、高声速、高动态断裂延展性等特性。
常见的药型罩材料包括紫铜、钨、钨铜合金、钛合金等。铜具有高密度、大声速、塑性好等特点，且易于形成延展性好、不易断裂的金属射流，同时其储量丰富、价格便宜，是制备药型罩最常用的金属材料，但随着现代技术的不断革新以及对毁伤威力要求的提高，纯铜药型罩已不能匹配更多的毁伤目标；钨具有高密度，通常使用钨与其他材料复合来改善其性能，发挥其优势，但对制备工艺要求较高；高密度纯金属合金(如钨、铜)以及金属合金(W-Cu)等药型罩可以达到高穿深效果，但开孔孔径较小。钛合金等活性材料，与紫铜、钨等相比，其对于侵彻混凝土目标具有明显的优越性，可以实现大开孔，但穿深不足。
目前通常采用粉末冶金、化学气相沉积以及挤压成型等方法制备药型罩，但由于复合粉末中各成分的密度、粒度差别较大，在混粉和压制时极易形成成分偏聚，所压制的粉末成分分布不均匀，制备的药型罩延展性差，射流易离散，导致其侵彻性能下降。如铜铋钨复合粉末，由于钨的密度较大，而体积百分数相对较少，容易造成分布不均，从而出现金属射流产生偏离的现象。化学气相沉积所制备的药型罩中容易含有杂质，对射流会产生破坏性作用，还存在工艺效率低等问题。此外，制备高精度药型罩时往往需要多次切削加工，成本也会提高。
药型罩应向多领域共性高侵彻毁伤发展，使其可以同时具备高穿深和大扩孔的侵彻效果。因此，如何提高药型罩的综合性能并优化制备工艺是本领域亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种非晶合金药型罩及其制备方法，在保证药型罩具有一定穿深的前提下，提高其开孔孔径，同时制备的药型罩结构致密、成分均匀。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明技术方案之一，一种非晶合金药型罩，所述非晶合金药型罩的元素组成包括Cu、Zr、Al和M，所述M为Ag、Hf、Ni中的一种或多种；所述非晶合金药型罩的化学式为：CuaZrbAlcMd，其中35≤a≤55，41≤b≤48，4≤c≤10，0≤d≤10，并且a+b+c+d＝100。
所述非晶合金药型罩的非晶临界尺寸>5mm，所述非晶合金药型罩的组元构成包括：Cu-Zr-Al、Cu-Zr-Al-Ag、Cu-Zr-Al-Ag-Hf、Zr-Cu-Al-Ni中的一种。
进一步的，所述CuaZrbAlcMd组元构成为Cu-Zr-Al时，为Cu40Zr55Al5；
进一步的，所述CuaZrbAlcMd组元构成为Cu-Zr-Al-Ag时，为Cu50Zr39Al6Ag5；
进一步的，所述CuaZrbAlcMd组元构成为Cu-Zr-Al-Ag-Hf时，为Cu38Zr43Al6Ag3Hf10。
三元Cu-Zr-Al合金系的玻璃形成能力与共晶点准则符合较好，因此根据二元共晶混合法设计非晶合金成分，选取深共晶点或次共晶点的二元共晶作为基本单元按不同比例混合获得不同的非晶合金成分。之后通过添加少量Ag、Hf、Ni等高密度元素进一步提高非晶合金密度以及性能。不同合金元素过多或过少均会导致非晶合金的热稳定性、非晶形成能力以及力学性能降低。因此，本发明限定35≤a≤55，41≤b≤48，4≤c≤10，0≤d≤10，使非晶合金药型罩具备良好热稳定性、非晶形成能力以及优异的力学性能性能。
Hf熔点高，较难熔，且加入量超出本发明的限定范围会影响非晶合金的非晶形成能力，本发明通过加大电流以及熔化时长，使其完全熔化，并通过性能检测优化获得了本发明限定的合金添加量范围。
本发明所述非晶合金药型罩具有高密度、多组元化学活性，非晶合金药型罩中Zr、Al为活泼金属，能够在强冲击作用下发生剧烈的化学反应而释放出巨大的能量，进而增大药型罩的穿孔孔径和穿深。所述非晶合金药型罩密度为7.05-8.25g/cm3，压缩断裂强度为1861-2195MPa。
本发明技术方案之二，上述非晶合金药型罩的制备方法，包括以下步骤：
通过真空压铸成型工艺将非晶合金铸锭制备成所述非晶合金药型罩。所述非晶合金铸锭的化学式为：CuaZrbAlcMd，其中35≤a≤55，41≤b≤48，4≤c≤10，0≤d≤10，并且a+b+c+d＝100；
所述非晶合金铸锭的制备方法包括以下步骤：
按照非晶合金药型罩的化学式的原子比配制原料，将所述原料利用真空电弧熔炼制备得到所述非晶合金铸锭。
进一步的，所述真空电弧熔炼的具体步骤为：将原料置于真空电弧熔炼炉中，抽真空，充入惰性气体，设置熔炼电流为250～400A，在1500～2400℃下对原料进行熔炼，熔炼次数≥4次，获得成分均匀的非晶合金铸锭。
进一步的，所述真空为3.0×10-3～1.0×10-3Pa；所述惰性气体为氩气，充入氩气后的压力为-0.05MPa；
熔炼电流过大会导致金属熔液过烧，过小会导致金属熔液熔化不完全，因此，本发明限定熔炼电流在250～400A，使非晶合金铸锭熔化完全且不过烧，非晶合金铸锭熔化后成分均匀，有利于提高非晶合金药型罩的致密性和强塑性。
进一步的，所述真空电弧熔炼过程中，熔炼时通过高纯Zr锭吸氧，进一步对炉内气体进行洗气除氧的。
进一步的，所述真空电弧熔炼过程中，按照高熔点金属颗粒在上，低熔点颗粒在下的顺序依次熔炼原料至完全融化，由高熔点金属熔液带动低熔点金属熔化，避免高熔点颗粒出现未完全熔化现象，同时可以使原料成分熔炼均匀。
进一步的，所述真空电弧熔炼过程中，加入电磁搅拌步骤可以使得到的非晶合金铸锭成分均匀。
进一步的，所述真空压铸成型工艺具体为：对药型罩规定尺寸的压铸模具进行加热，保持模具的工作温度；将所述非晶合金铸锭熔化后，充入所述压铸模具中，通过压射得到所述非晶合金药型罩，实现快速凝固形成非晶合金药型罩压铸成型。
进一步的，所述真空压铸成型工艺中，所述加热温度为150～300℃；
加热温度过高易导致非晶合金药型罩产生晶化，过低会导致充型能力较差。保持模具的工作温度，可以避免出现不平均或不适当的模具温度导致铸件表面质量以及成型效率差等问题。
进一步的，所述真空压铸成型工艺中，非晶合金铸锭熔化的方式为感应电场熔化，具体为：通过感应线圈加热熔化，感应加热频率为3～7KW，感应熔化温度为1000～1250℃，直至非晶合金铸锭完全熔化；
感应加热频率过快其感应熔化温度容易过高从而导致熔液四处飞溅，感应熔化温度过低合金熔化不完全，造成产品缺陷；
进一步的，所述真空压铸成型工艺中，真空度为50～10-2Pa。
进一步的，所述真空压铸成型工艺中，压射的压射速度为1.0～2.0m/s，压力为12～14MPa，压射时间为4s。
压射压力大可以使获得的药型罩结构更为致密；压射时间不宜过短，时间过短会导致其成型效率差。
进一步的，所述真空压铸成型工艺之后还包括以下步骤：采用高压水切割或激光切割，去除压铸非晶合金药型罩毛坯流道部分的金属。
本发明技术方案之三，所述的非晶合金药型罩在石油射孔弹领域中的应用。
本发明技术构思：
非晶合金与传统的晶态合金材料相比，没有位错、晶界等缺陷，具有高强度、高硬度、高耐腐蚀性等优异特性；各组元之间具有较高的化学活性，在受到外界冲击时会诱发化学反应，释放内能，可以在具有一定侵彻深度的同时提高开孔孔径；此外，非晶合金在高应力或高应变速率条件下变形时，具有高剪切敏感性和剪切“自锐性”，可以发挥出比传统晶态合金材料更好的性能。
非晶合金处于亚稳态，在较低的冷速下凝固体内部易出现晶化现象，从而破坏非晶合金结构，且非晶合金的组成元素在加热熔化状态下容易与氧元素结合形成氧化物，同样会影响非晶合金的形成。所采用的立式真空压铸可以保持成型工艺整体的真空环境，避免非晶合金压铸过程中产生氧化；压铸采用模具钢冷速较大，非晶合金成分可以选择的范围更加广泛；真空压铸快速充型，成型效果好，所制备的非晶合金药型罩内部无气孔。
真空压铸成型工艺作为一种金属成型工艺，具有较快的冷却速度，可以近净成形。但目前对于采用真空压铸制备非晶合金药型罩的工艺尚不明了，非晶合金的成分决定了压铸所需要的冷却强度，需要根据不同的成分设计不同浇铸温度，避免非晶合金产生晶化导致产品出现缺陷；非晶合金收缩率很低，真空压铸速度快，凝固后尺寸精度高，因此需要精确控制压铸模具的加工精度，从而确保药型罩的尺寸精度；在真空压铸过程中，每次的浇铸量需要根据药型罩的体积进行合理控制，从而减少气体，防止产生气孔，影响产品结构与尺寸，导致性能下降。本发明通过探索合适的成分以及制备工艺，以期获得形状完整、精度高且性能满足要求的非晶合金药型罩。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种块体非晶合金药型罩及其制备方法，通过微合金化手段，添加Ag、Hf、Ni中的一种或多种微量元素，优化非晶合金药型罩中的元素组合及比例，从而提高非晶形成能，成功开发了非晶形成能力、力学性能优异的CuaZrbAlcMd非晶合金，通过真空立式压铸机快速精准压铸成药型罩。
本发明的非晶合金药型罩区别于传统纯铜、钛合金等材质药型罩，具有高密度、多组元化学活性，有助于形成化学侵彻(非晶合金药型罩中Zr、Al为活泼金属，能够在强冲击作用下发生剧烈的化学反应而是放出巨大的能量)，且非晶合金材料质地均匀，无晶粒晶界等缺陷，可更好的满足药型罩高速均匀流变，从而形成高穿深、大扩孔的效果。
本发明的非晶合金药型罩采用真空压铸成型，区别于传统粉末冶金、热挤压、电镀沉积等制备工艺，成型效率高；生产周期短，为280s左右；尺寸精度高，尺寸误差±0.02mm；操作流程简便，生产成本低，可以大幅度提高制备效率，所制备出的非晶合金药型罩结构致密且误差小，适合用于复杂精密结构和大尺寸的药型罩产品的制备。
本发明的非晶合金药型罩及其制备方法，兼顾石油射孔弹领域对高穿深和大破孔的需求，可普遍适用于石油射孔弹等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1-3制备出的非晶合金药型罩的XRD图；
图2为实施例1-3制备得到的非晶合金药型罩产品的压缩断裂应力-应变图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明以下实施例中非晶合金铸锭的原料，如无特别说明，均为Cu(质量分数≥99.95％)、Zr(质量分数≥99.98％)、Al(质量分数≥99.99％)、Ag(质量分数≥99.99％)、Hf(质量分数≥99.95％)、Ni(质量分数≥99.99％)，配料误差精度为±0.002g。
实施例1
步骤1、按照Cu40Zr56Al4的原子比称量配料；
步骤2、将原料在氩气保护下利用真空电弧熔炼制备非晶合金铸锭，熔炼过程中加入电磁搅拌，且反复熔炼4次；熔炼电流为250A，熔炼温度2000℃，真空度为3.0×10-3Pa；氩气充至-0.05MPa(真空压力表读数)；通过高纯Zr锭吸氧，按照高熔点金属颗粒在上，低熔点颗粒在下的顺序依次熔炼原料至完全融化，得到非晶合金铸锭。
步骤3、对药型罩规定尺寸的压铸模具进行加热，加热温度150℃；
步骤4、将非晶合金铸锭放置于真空立式压铸机内，通过储料仓落入石墨坩埚中，充入氩气保护，真空度为30Pa。将感应频率手动调节到3KW，对石墨坩埚进行预热，之后慢慢增加感应频率，感应频率在7KW，熔化温度为1139℃时，非晶合金铸锭完全熔化。通过给汤臂将熔融的母合金熔液快速准确的倒入模具中，以1～2m/s的速度在12MPa压力下压射4s获得均匀致密的非晶合金药型罩；
步骤5、对致密非晶合金药型罩采用高压水切割或激光切割，去除压铸非晶合金药型罩毛坯流道部分的金属，完成精密成型Cu40Zr56Al4三元Cu基非晶合金药型罩产品。
实施例2
步骤1、按照Cu50Zr39Al6Ag5的原子比称量配料；
步骤2、将原料在氩气保护下利用真空电弧熔炼制备非晶合金铸锭，熔炼过程中加入电磁搅拌，反复熔炼4次；熔炼电流为400A，熔炼温度1500℃，真空度为1.0×10-3Pa；氩气充至-0.05MPa；通过高纯Zr锭吸氧，按照高熔点金属颗粒在上，低熔点颗粒在下的顺序依次熔炼原料至完全融化。
步骤3、对药型罩规定尺寸的压铸模具进行加热，加热温度200℃；
步骤4、将非晶合金铸锭放置于真空立式压铸机内，通过储料仓落入石墨坩埚中，充入氩气保护，真空度为2Pa。将感应频率手动调节3KW，对石墨坩埚进行预热，之后慢慢增加感应频率，感应频率在7KW，熔化温度为1143℃时，非晶合金铸锭完全熔化。通过给汤臂将熔融的母合金熔液快速准确的倒入模具中，以1～2m/s的速度在12MPa压力下压射4s获得均匀致密的非晶合金药型罩；
步骤5、对致密非晶合金药型罩采用高压水切割或激光切割，去除压铸非晶合金药型罩毛坯流道部分的金属，完成精密成型Cu50Zr39Al6Ag5四元Cu基非晶合金药型罩产品。
实施例3
步骤1、按照Cu38Zr43Al6Ag3Hf10的原子比称量配料；
步骤2、将原料在高纯氩气保护下利用真空电弧熔炼制备非晶合金铸锭，熔炼过程中加入电磁搅拌，且每个合金锭反复熔炼5次；熔炼电流为350A，熔炼温度2400℃，真空度为1.0×10-3Pa；氩气充至-0.05MPa；通过高纯Zr锭吸氧，按照高熔点金属颗粒在上，低熔点颗粒在下的顺序依次熔炼原料至完全融化。
步骤3、对药型罩规定尺寸的压铸模具进行加热，加热温度300℃；
步骤4、将非晶合金铸锭放置于真空立式压铸机内，通过储料仓落入石墨坩埚中，充入氩气保护，真空度为1×10-2Pa。将感应频率手动调节3KW以下，对石墨坩埚进行预热，之后慢慢增加感应频率，感应频率在10KW以内，熔化温度为1187℃时，非晶合金铸锭完全熔化。通过给汤臂将熔融的母合金熔液快速准确的倒入模具中，以1～2m/s的速度在14MPa压力下压射4s获得均匀致密的非晶合金药型罩；
步骤5、对致密非晶合金药型罩采用高压水切割或激光切割，去除压铸非晶合金药型罩毛坯流道部分的金属，完成精密成型Cu38Zr43Al6Ag3Hf10五元非晶合金药型罩产品。
以本发明的技术方案对其他组元构成的CuaZrbAlcMd进行实验，最终均能获得性能良好的非晶合金药型罩产品。图1为实施例1-3制备出的非晶合金药型罩的XRD图，从图1中可以看出，实施例1-3所得药型罩为非晶合金。
上述实施例1-3非晶合金药型罩的性能参数列于表1。
表1
| 成分 | Tg(K) | Tx(K) | Tl(K) | dc(mm) | ρ(g/cm3) | α(MPa) |
| Cu40Zr56Al4 | 690 | 750 | 1139 | 10 | 7.05 | 2195 |
| Cu50Zr39Al6Ag5 | 678 | 745 | 1143 | 12 | 7.15 | 1934 |
| Cu38Zr43Al6Ag3Hf10 | 684 | 768 | 1187 | 10 | 8.25 | 1861 |
上述实施例1-3非晶态药型罩口径均为20mm，dc为非晶的临界形成尺寸，图2为实施例1-3制备得到的非晶合金药型罩产品的压缩断裂应力-应变图。
对比例1
以传统的热挤压工艺制备得到与实施例1-3相同口径的紫铜合金药型罩。具体制备方法如下：按照预设尺寸切割紫铜材料，将紫铜基材加热至再结晶温度以上预热，之后进行热挤压成型，获得半成品，冷却，进一步去除表面氧化物、切割余料获得纯铜合金药型罩。(该方法属于本领域技术人员熟知的现有技术，此处不再详细描述)。
效果验证实验
分别以实施例1-3得到的药型罩对45#钢和C40混凝土进行静破甲实验，与对比例1热挤压紫铜药型罩穿深与破孔进行数据对比，结果列于表2。
表2
实施例1-3获得的非晶态药型罩与纯铜药型罩相比，对于45#钢靶侵彻，实施例1-3所得药型罩破孔孔径比纯铜药型罩提高了25％以上，对于C40混凝土侵彻，实施例1-3所得药型罩破孔比纯铜药型罩提升了60％以上。在保证一定穿深情况下，增加了开孔孔径。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种非晶合金药型罩的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过真空压铸成型工艺将非晶合金铸锭制备成所述非晶合金药型罩；
所述非晶合金铸锭的化学式为Cu38Zr43Al6Ag3Hf10；
所述非晶合金铸锭的制备方法包括以下步骤：
按照非晶合金药型罩的化学式的原子比配制原料，将所述原料利用真空电弧熔炼制备得到所述非晶合金铸锭；
所述真空电弧熔炼的具体步骤为：将原料置于真空电弧熔炼炉中，抽真空，充入惰性气体，设置熔炼电流为250～400A，在1500～2400℃下对原料进行熔炼，熔炼次数≥4次，获得成分均匀的非晶合金铸锭；
所述真空压铸成型工艺具体为：对药型罩规定尺寸的压铸模具进行加热，保持模具的工作温度；将所述非晶合金铸锭熔化后，充入所述压铸模具中，通过压射得到所述非晶合金药型罩；
所述加热温度为150～300℃；
所述非晶合金铸锭熔化的方式为感应电场熔化，具体为：通过感应线圈加热熔化，感应加热频率为3～7KW，感应熔化温度为1000～1250℃，直至非晶合金铸锭完全熔化；
所述压射的压射速度为1.0～2.0m/s，压力为12～14MPa，压射时间为4s。
2.根据权利要求1所述的非晶合金药型罩的制备方法，其特征在于，所述真空压铸成型工艺之后还包括以下步骤：采用高压水切割或激光切割，去除压铸非晶合金药型罩毛坯流道部分的金属。
3.一种根据权利要求1或2所述制备方法得到的非晶合金药型罩在石油射孔弹领域中的应用。
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