CN116858035A - 一种多层多组分复合药型罩及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多层多组分复合药型罩，包括由外层、中层和内层构成的“三明治”结构，外层为低声阻抗材料，中层为Cu，内层高声阻抗材料。制备方法步骤包括：“三明治”薄壁锥形药型罩设计，多组分复合结构材料设计，纯铜中间层制备，增材制造多组分复合材料，强塑变形，低温去应力处理，少余量精密切削加工。采用本发明方法设计制造的多层结构、多组分材料的锥形薄壁药型罩，可以显著提升药型罩侵彻性能，尤其是增强毁伤后效，具有穿透力强、侵彻深度深、侵彻毁伤体积大等特点。

Description

一种多层多组分复合药型罩及其制备方法

技术领域

本发明属于药型罩技术领域，尤其涉及一种多层多组分复合药型罩及其制备方法。

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进行了大量而深入的研究分析。试验结果表明，在药型罩结构参数与装药装配相同条件下，材料类型、组织均匀性、织构（晶粒组织取向）和其它内在组织参数对最终侵彻能力影响明显，其中材料类型（如单金属铜、复合材料、非晶、高熵合金）是影响侵彻毁伤效能的核心因素之一。

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：钽、铜、镍、铁、钛等单金属材料，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98%）、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制造要求。大量试验研究表明，采用挤制+拉拔、轧制的铜棒材或片材，再结合旋压、冲压、冷挤压等强塑变形制造的药型罩，其中冷挤压药型罩内锥面粗糙度达到Ra0.2μm，平均晶粒尺寸2.8μm～5μm，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，从现有材料制造技术层面上讲，已达到极限水平。但是，对于打击新一代爆炸反应装甲、陶瓷装甲、复合装甲，这类单一铜/铝金属材料药型罩毁伤效能已明显不足，发展高性能复合材料结构药型罩技术已成为研制先进战斗部的重中之重。

为了高效毁伤打击新一代爆炸反应装甲、陶瓷装甲、复合装甲，从药型罩材料类型、连续射流长度、物理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、冲击诱发化学反应等出发，在高爆压、高爆速、瞬态下聚能射流侵彻体就拉伸得越长，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。国内现有复合药型罩制造工艺：一是采用复合片材冲压/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，但组织致密性差、对称性不高，导致侵彻能力跳差大；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，材料昂贵导致综合成本居高不小限制了工程化应用。

现有文献CN115338422A提供了一种提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法，采用冷喷涂工艺技术在铜药型罩外形锥面制备铝、镍、钛等金属或合金粉末，多层药型罩在弹药终点毁伤作用时，既能有效穿透轻型薄壁装甲、防护层目标，又能够产生较高的毁伤后效（引燃爆炸、高爆压等），提高弹药对目标的毁伤威力；从研究结果可以得出，涂层孔隙率0.1%～0.7%、显微硬度52HV0.05～60HV0.05、涂层与基体的结合强度16.8MPa～20.5MPa，以及药型罩在1倍～1.2倍装药口径炸高下，能够穿透0.5倍装药口径的装甲钢板。然而，该方案制备的复合药型罩具有涂层材料致密度不高、结合强度偏低等制约性难题，导致药型罩在炸药爆轰波作用下形成的射流易断裂，侵彻毁伤效能提升不明显，仅适用于毁伤轻型薄壁装甲、有生目标，限制了工程化应用，更关键的是这种多层药型罩在侵彻地下、密闭空间目标时毁伤效果提升不明显。

发明内容

对于聚能侵彻战斗部用药型罩，不仅要求具有高侵彻性能，而且稳定性、一致性要求非常高，且满足大批量研制生产需要。本发明至少为了解决传统薄壁锥形药型罩结构/材料组分单一、侵彻毁伤后效不足的技术难题，而提供一种深侵彻、大侵彻孔容积、高毁伤后效的多层多组分复合药型罩，能够有效地将材料性能优势转化为药型罩侵彻毁伤效能优势。

本发明采用的技术方案如下。

一种多层多组分复合药型罩，包括由外层、中层和内层构成的“三明治”结构，所述外层为Al、Zr、Ti、Mg一种或几种的低声阻抗材料，中间层为Cu，内层为Ni、Nb、Ta、W一种或几种的高声阻抗材料。优选的，所述外层为Al-Zr-Ti复合材料层、Ti-Zr复合材料层或Al-Zr复合材料层，内层为Ta-Nb复合材料层、Ta-Ni-Nb复合材料层或Ta-Ni-W复合材料层。

上述外层厚度为0.6mm～0.75mm，中间层厚度为0.8mm～1mm，内层厚度为0.7mm～1mm。

上述药型罩为薄壁锥形药型罩。优选的，薄壁锥形药型罩的壁厚为1.5mm～2.75mm。

上述药型罩所用的片材复合材料中间层厚度1.6mm～2mm、外层厚度1mm～2mm。

本发明多层多组分复合药型罩为多层的“三明治”复杂结构，且各层的组成元素多而又各异，要保证薄壁、锥形的产品形状结构和尺寸精度，同时要保证产品内部组织细小、致密度高、塑韧性好，并具有优异的侵彻效果，加工难度很大。本发明另一目的在于提供一种薄壁锥形药型罩的制备方法。

一种薄壁锥形药型罩的制备方法，包括中间层制备、“三明治”复合片材制备、成形、去应力处理、切削加工，所述复合片材制备采用激光熔覆增材制造方法，在中间铜层的一面进行低声阻抗材料的增材制造，在另一面进行高声阻抗复合材料的增材制造；所述成形采用强塑变形。

上述激光熔覆增材制造，采用连续横流CO₂激光器，激光功率为500W～2200W，光斑直径为0.07mm～4mm，熔覆速度为20m/min～100m/min，送粉速度为10g/min-150g/min，预热温度为150℃～300℃。

上述强塑变形是指复合片材在双旋轮点加载作用下进行1～3次旋压变形，片材厚度减薄变形量37.8%～62.2%。

优选的，上述复合片材制备包括制备低声阻抗材料粉体和高声阻抗材料粉体包覆复合粉，将两种及以上成分粉末混合在一起，其中含量少的一种包覆在其他元素粉末表面，使复合粉末成分更加均匀、流动性更好，复合粉体粒度不大于20μm。所述复合片材的总厚度为3.5mm～6mm，中间层纯铜片材厚度为1.5mm～2.5mm。

上述去应力处理将成形后的药型罩放入高真空热处理炉中进行低温去应力热处理，热处理过程中真空度优于1×10^-3pa，热处理温度（150～300）℃×（120～360）min，热处理炉中九点温控区内的各点温度偏差不大于5℃。

具体的，上述薄壁锥形药型罩的制备方法，包括以下步骤。

步骤1，“三明治”薄壁锥形药型罩设计：依据聚能侵彻射流成形理论与近均匀强塑变形原理，进行药型罩侵彻射流形成过程模拟，优化设计“三明治”薄壁锥形药型罩形状结构（图1所示）。本步骤中药型罩侵彻射流形成过程模拟，采用LS-DYNA软件，在某型结构基础上进行射流形成、拉伸、侵彻过程模拟，优化药型罩形状结构。

步骤2，多组分复合结构材料设计：通过药型罩聚能侵彻模拟和毁伤后效理论分析，进行低声阻抗材料外层+纯铜中间层+高声阻抗材料内层的多组分复合结构材料设计（图2），即从外到里药型罩密度梯次增大，根据聚能侵彻理论，进一步优化设计复合材料比例与分布。步骤2中复合材料分布是根据药型罩侵彻毁伤性能要求，可以调控内层、外层复合材料的组分，并可以做成梯度成分组织材料。

步骤3，纯铜中间层制备：在药型罩零件结构基础上，考虑强塑变形、切削加工过程装夹定位余量等进行药型罩坯件设计（图3），从而计算得出多组分复合片材的厚度、长×宽尺寸（或圆饼材的直径、厚度），并选取一定规格的纯铜片材（TU1、T2等）作为复合材料的中间层（即基体材料）；采用磨削去除表面氧化物质，并控制片材的平面度、厚度及表面粗糙度；采用线切割方法加工得到单件坯料，为下一道工序作准备。

复合片材总厚度为3.5mm～6mm，中间层纯铜片材厚度为1.5mm～2.5mm。所述步骤3中药型罩成形坯件，内锥面由强塑变形得到，预留0.2mm～0.4mm切削加工余量；外锥面预留0.5mm～0.8mm切削加工余量，保证药型罩的几何尺寸精度与表面质量。

步骤4，增材制造多组分复合材料：优选Al、Zr、Ni、Ti、Mg、Nb、Ta、W等单金属粉末，其中Al、Zr、Ti、Mg等属于低声阻抗材料，Ni、Nb、Ta、W等属于高声阻抗材料；可以将低声阻抗材料粉体、高声阻抗材料粉体做成包覆粉，改善金属粉体的流动性能；通过激光熔覆增材制造方法，在步骤3所得纯铜片材的一面进行低声阻抗复合材料的增材制造，在铜板另一面进行高声阻抗复合材料的增材制造；通过激光熔覆工艺参数调整与优化，获得不同厚度多组分复合片材，复合片材形貌如图4所示。

所述步骤4中包覆复合粉体，是指两种及以上成分粉末混合在一起，其中含量少的一种包覆在其他元素粉末表面，使复合粉末成分更加均匀、流动性更好，要求复合粉体粒度不大于20μm。

所述步骤4中激光熔覆增材制造，采用连续横流CO₂激光器，激光功率500W～2200W，光斑直径0.07mm～4mm，熔覆速度20m/min～100m/min，送粉速度10g/min-150g/min，预热温度150℃～300℃。

步骤5，强塑变形：将步骤4所得复合片材进行表面磨光处理（图5），控制片材厚度、表面质量；再在双旋轮数控旋压设备上进行锥形薄壁结构药型罩坯件的强塑变形（根据药型罩内形面尺寸设计制造工装夹具），变形量、几何尺寸、内表面质量等满足设计要求（图2），制得锥形薄壁药型罩坯件如图6所示。

步骤5中强塑变形，是指复合片材在双旋轮点加载作用下发生强塑性变形，片材厚度减薄变形量37.8%～62.2%，可以通过1～3次旋压变形获得最终形状结构与表面质量。

步骤6，低温去应力处理：将步骤5所得锥形薄壁结构药型罩坯件内外表面清理干净，放入高真空热处理炉中，进行低温去应力热处理，去除部分加工应力，降低硬度，并改善塑韧性。步骤6中高真空热处理炉，是指热处理过程中真空度优于1×10^-3pa；步骤6中低温去应力处理，热处理温度（150～300）℃×（120～360）min，热处理炉中九点温控区内给点温度偏差不大于5℃。

步骤7，少余量精密切削加工：将步骤6获得的复合药型罩坯件，在精密数控车床上进行少余量精密切削加工（根据药型罩产品设计制造相应的工装夹具），满足产品设计加工要求（图7），加工表面粗糙度优于0.8μm、内外锥面同轴度不大于0.03mm、圆周壁厚差不大于0.02mm。步骤7中少余量精密切削加工，是指强塑变形药型罩坯件表面最小加工余量仅0.3mm。

有益效果

采用本发明方法设计制造的多层结构、特定多组分材料的锥形薄壁药型罩，可以显著提升药型罩侵彻性能，尤其是增强毁伤后效，具有穿透力强、侵彻深度大、侵彻毁伤体积大等特点。通过检测、综合使用试验表明，该多层结构、多组分锥形薄壁药型罩具有五方面优点：（1）组织性能好，平均晶粒尺寸不大于5μm，致密度达到99.9%以上；（2）材料利用率高，材料利用率达到60%以上；（3）表面质量好，表面粗糙度优于Ra0.8um；（4）尺寸精度高，圆周壁厚差不大于0.02mm，产品重量偏差不大于0.5%；（5）毁伤性能好，与纯铜药型罩相同侵彻深度情况下，平均破孔孔径40mm～50mm（侵彻孔径增大15%以上），并能引燃靶后木屑、柴油等物质；（6）能够在地下、密闭的狭小空间，尤其是在无氧气环境条件下进行有效爆燃，增大毁伤后效。

本发明通过多组分材料结构设计+增材制造+强塑变形+少余量切削加工方法的集成创新（即增减材复合成形方法），解决多层结构、多组分材料、锥形薄壁复合药型罩设计制造一体化的技术难题，创新该新材料结构药型罩的制备方法。复合材料层厚度、组分根据设计要求调控；锥形药型罩形状、内部组织的形性一体化控制；确保尺寸精度、表面质量满足设计要求。

附图说明

图1 为多层多组分复合材料薄壁锥形药型罩示意图，其中，A部分对应药型罩零件设计图，B部分对应聚能射流形成过程模拟过程；

图2 为多层多组分复合药型罩截面局部示意图；

图3 为强塑变形药型罩坯件尺寸；

图4 为增材制造复合片材；

图5 为磨光的复合片材；

图6 为强塑变形药型罩坯件；

图7 为多层多组分的薄壁锥形药型罩零件图；

图8 为药型罩的复合材料与铜基层结合界面形貌图。

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

一种多层多组分复合药型罩（锥形薄壁）的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，“三明治”结构锥形薄壁药型罩设计：依据聚能侵彻射流成形理论与近均匀强塑变形原理，进行药型罩侵彻射流形成过程模拟，锥形薄壁药型罩口径为130mm的最大壁厚为2.4mm、最小壁厚为1.5mm（图1）。

步骤2，多组分复合结构材料设计：以最大壁厚为例，多组分复合材料为0.7mm（低声阻抗复合材料外层）+1mm（纯铜材料中间层）+0.7mm（高声阻抗复合材料内层），截面形状如图2所示。

步骤3，多组分复合结构材料设计：在药型罩零件图基础上，考虑强塑变形、切削加工过程装夹定位等余料，得到成形坯件口径为138.4mm、最大壁厚为2.8mm、最小壁厚为1.7mm（图3），片材长宽尺寸为200mm×200mm。

步骤4，增材制造复合片材：选取厚度为2.5mm的TUI纯铜片材作为复合材料的中间层（即基体材料）；采用线切割方法加工出长×宽尺寸为200mm×200mm的方块，并采用磨削去除表面氧化层、毛刺、油污等物质，得到厚度2mm片材；低声阻抗层复合材料成分为Al-Zr-Ti，其中Zr质量分数为30%、Ti为10%，剩余为Al；Al粉、Zr粉粒径为5μm～10μm、Ti粉粒径3μm～5μm；采用连续横流CO₂激光器，激光功率800W，光斑直径1.2mm，熔覆速度80m/min，送粉速度40g/min，预热温度220℃。高声阻抗层复合材料成分为Ta-Nb，其中Nb质量分数为32%、剩余为Ta；Nb粉粒径为8μm～15μm、Ta粉粒径5μm～10μm；采用连续横流CO₂激光器，激光功率1500W，光斑直径0.8mm，熔覆速度50m/min，送粉速度30g/min，预热温度280℃。在纯铜片材一面进行5道次均匀复合材料增材成形制造，复合材料层厚度达到2.5mm，在另一面进行8道次均匀复合材料增材成形制造，复合材料层厚度达到2.5mm，如图4。

步骤5，强塑变形：将步骤4所得复合片材进行表面磨光处理，上表面磨削去掉1mm、下表面磨削去掉1mm，片材厚度为4.5mm、表面粗糙度优于0.8μm（图5），在双旋轮数控旋压设备上进行锥形薄壁药型罩的强塑变形，共进行2道次成形，第一道次壁厚最大减薄2.5mm、第二道次壁厚最大减薄0.3mm，片材厚度变形减薄量37.8%～62.2%（图6）。

步骤6，低温去应力处理：将步骤5所得锥形薄壁药型罩内外表面清理干净，放入高真空热处理炉中，进行低温去应力处理，热处理过程中真空度优于1×10^-3pa，热处理温度180℃×300min，热处理炉九点温控区的温度偏差不大于5℃。

步骤7，少余量精密切削加工：将步骤6获得的复合药型罩成形件，在精密数控车床上进行外锥面少余量精密切削加工，表面厚度加工余量0.2mm～0.4mm，满足产品设计要求（图7），加工表面粗糙度优于0.8μm、内外锥面同轴度0.003mm～0.015mm、圆周壁厚差0.005mm～0.015mm。

将本实施例制得的药型罩，在锥面上取12个试样（尖部、中部与口部各4个试样，试样尺寸8mm×8mm×-），进行低倍组织、致密度、抗弯曲性能测试，由金相试验得到中间层铜与复合材料之间界面结合牢固，没有间隙，如图8所示；近一步采用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。由排水法测得致密度达到99.96%，由MTS弯曲试验测得90°、180°折弯变形面不开裂。

采用三坐标测量仪、粗糙度仪等分析设备，测得复合药型罩锥角偏差-0.89′～1.2′、圆周壁厚差-0.005mm～0.02mm、切削加工面粗糙度达到Ra0.8μm、10件药型罩零件重量偏差-0.6g～1.3g（理论重量505g）。

开展5发复合药型罩静态爆轰试验考核，1100厚的钢靶、木屑放置于地坑中，周围用土层填埋压紧实，减少木屑、钢靶周围氧气含量；5发都能穿透1100厚的钢靶，并引燃靶后木屑（对比2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），复合药型罩平均破孔孔径Φ36～Φ45mm，纯铜药型罩平均破孔孔径Φ20～Φ30mm，平均侵彻孔径增大62%。

实施例

一种多层多组分复合药型罩（锥形薄壁）的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，“三明治”结构锥形薄壁药型罩设计：依据聚能侵彻射流成形理论与近均匀强塑变原理，进行药型罩侵彻射流形成过程模拟，锥形薄壁药型罩口径为120mm的最大壁厚为2.2mm、最小壁厚为1.6mm（图1）。

步骤2，多组分复合结构材料设计：以最大壁厚为例，多组分复合材料为0.6mm（低声阻抗复合材料外层）+0.8mm（纯铜材料中间层）+0.8mm（高声阻抗复合材料内层），截面形状如图2所示。

步骤3，多组分复合结构材料设计：在药型罩零件图基础上，考虑强塑变形、切削加工过程装夹定位等余料，得到成形坯件口径为130mm、最大壁厚为2.7mm、最小壁厚为2mm（图3）、长×宽尺寸为200mm×200mm。

步骤4，增材制造复合片材：选取厚度为2mm的TUI纯铜片材作为复合材料的中间层（即基体材料）；采用线切割方法加工出长×宽尺寸为200mm×200mm的方块，并采用磨削去除表面氧化层、毛刺、油污等物质，得到厚度为1.6mm；低声阻抗层复合材料成分为Ti-Zr，其中Zr质量分数为20%，剩余为Ti；Ti粉粒径3μm～5μm、Zr粉粒径为5μm～10μm；采用连续横流CO₂激光器，激光功率600W，光斑直径1mm，熔覆速度90m/min，送粉速度70g/min，预热温度200℃。高声阻抗层复合材料成分为Ta-Ni-Nb，其中Ni质量分数为28%、Nb质量分数为16%，剩余为Ta；Nb与Ni粉粒径为8μm～15μm、Ta粉粒径5μm～10μm；采用连续横流CO₂激光器，激光功率2000W，光斑直径1.5mm，熔覆速度60m/min，送粉速度40g/min，预热温度260℃。在纯铜片材一面进行3道次均匀复合材料增材成形制造，复合材料层厚度达到1.5mm，在另一面进行5道次均匀复合材料增材成形制造，复合材料层厚度达到2.0mm，如图4。

步骤5，强塑变形：将步骤5所得复合片材进行表面磨光处理，上表面磨削去掉0.3mm、下表面磨削去掉0.4mm，片材厚度为4.4mm、表面粗糙度优于0.8μm（图5），在双旋轮数控旋压设备上进行锥形薄壁药型罩的强塑变形成形，共进行2道次成形，第一道次壁厚最大减薄1.8mm、第二道次壁厚最大减薄0.6mm，片材厚度减薄变形量38.6%～54.5%（图6）。

步骤6，低温去应力处理：将步骤6所得锥形薄壁药型罩内外表面清理干净，放入高真空热处理炉中，进行低温去应力处理，热处理过程中真空度优于1×10^-3pa，热处理温度150℃×360分钟。热处理炉九点温控区的温度偏差不大于5℃。

步骤7，少余量精密切削加工：将步骤6获得的复合药型罩成形件，在精密数控车床上进行外锥面少余量精密切削加工，表面厚度加工余量0.4mm～0.5mm，满足产品设计要求（图7），加工表面粗糙度优于0.8μm、内外锥面同轴度0.003mm～0.01mm、圆周壁厚差0.005mm～0.01mm。

将本实施例制得的复合药型罩，在锥面上取12个试样（尖部、中部与口部各4个试样，试样尺寸8mm×8mm×-），进行低倍组织、致密度、抗弯曲性能测试，由金相试验得到中间层铜与复合材料之间界面结合牢固，没有缝隙，如图8所示；近一步采用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。由排水法测得致密度达到99.92%，由MTS弯曲试验测得90°、180°折弯变形面不开裂。

采用三坐标测量仪、粗糙度仪等分析设备，测得复合药型罩锥角偏差-0.56′～1.1′、圆周壁厚差-0.005mm～0.02mm、切削加工面粗糙度达到Ra0.8μm、10件药型罩零件重量偏差-0.8g～1.45g（理论重量485g）。

开展5发复合药型罩静态爆轰试验考核，900mm厚的钢靶、木屑放置于地坑中，周围用土层填埋压紧实，减少木屑、钢靶周围氧气含量；5发都能穿透900mm钢靶，并引燃靶后木屑（对比2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），复合药型罩平均破孔孔径Φ30～Φ42mm，纯铜药型罩平均破孔孔径Φ18～Φ26mm，平均侵彻孔径增大63%。

实施例

一种多层多组分复合药型罩（锥形薄壁）的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，“三明治”结构锥形薄壁药型罩设计：依据聚能侵彻射流成形理论与近均匀强塑变原理，进行药型罩侵彻射流形成过程模拟，锥形薄壁药型罩口径为139.2mm的最大壁厚为2.75mm、最小壁厚为2mm（图1）。

步骤2，多组分复合结构材料设计：以最大壁厚为例，多组分复合材料为0.75mm（低声阻抗复合材料外层）+1mm（纯铜材料中间层）+1mm（高声阻抗复合材料内层），截面形状如图2所示。

步骤3，多组分复合结构材料设计：在药型罩零件图基础上，考虑强塑变形、切削加工过程装夹定位等余料，得到成形坯件口径为155mm、最大壁厚为3.2mm、最小壁厚为2.2mm（图3）、长×宽尺寸为250mm×250mm。

步骤4，增材制造复合片材：选取厚度为2.5mm的TUI纯铜片材作为复合材料的中间层（即基体材料）；采用线切割方法加工出长×宽尺寸为200mm×200mm的方坯，并采用磨削去除表面氧化层、毛刺、油污等物质，得到厚度为2mm；低声阻抗层复合材料成分为Al-Zr，其中Zr质量分数为30%，剩余为Al；Al粉与Zr粉做成包覆粉，粉体粒径不大于15μm；采用连续横流CO₂激光器，激光功率700W，光斑直径2mm，熔覆速度80m/min，送粉速度80g/min，预热温度210℃。高声阻抗层复合材料成分为Ta-Ni-W，其中Ni质量分数为35%、W质量分数为15%，剩余为Ta；Nb与W粉粒径为8μm～15μm、Ta粉粒径5μm～10μm；采用连续横流CO₂激光器，激光功率1800W，光斑直径2.3mm，熔覆速度50m/min，送粉速度60g/min，预热温度290℃。在纯铜片材一面进行6道次均匀复合材料增材成形制造，复合材料层厚度达到2.8mm，在另一面进行8道次均匀复合材料增材成形制造，复合材料层厚度达到2.8mm，如图4。

步骤5，强塑变形：将步骤4所得复合片材进行表面磨光处理，上表面磨削去掉1.3mm、下表面磨削去掉0.8mm，片材厚度为5.5mm、表面粗糙度优于0.8μm（图5），在双旋轮数控旋压设备上进行锥形薄壁药型罩的强塑变形成形，共进行3道次成形，第一道次壁厚最大减薄2mm、第二道次壁厚最大减薄0.9mm、第三道次壁厚最大减薄0.4mm、片材厚度减薄变形量40%～60%（图6）。

步骤6，低温去应力处理：将步骤5所得锥形薄壁药型罩内外表面清理干净，放入高真空热处理炉中，进行低温去应力处理，热处理过程中真空度优于1×10^-3pa，热处理温度220℃×240min，热处理炉九点温控区内各点温度偏差不大于5℃。

步骤7，少余量精密切削加工：将步骤6获得的复合药型罩成形件，在精密数控车床上进行外锥面少余量精密切削加工，表面厚度加工余量0.2mm～0.45mm，满足产品设计要求（图7），加工表面粗糙度优于0.8μm、内外锥面同轴度0.003mm～0.02mm、圆周壁厚差0.005mm～0.015mm。

将本实施例制得的复合药型罩，在锥面上取12个试样（尖部、中部与口部各4个试样，试样尺寸8mm×8mm×-），进行低倍组织、致密度、抗弯曲性能测试，由金相试验得到中间层铜与复合材料之间界面结合牢固，没有缝隙，如图8所示；近一步采用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。由排水法测得致密度达到99.90%，由MTS弯曲试验测得90°、180°折弯变形面不开裂。

采用三坐标测量仪、粗糙度仪等分析设备，测得复合药型罩锥角偏差-1.12′～1.4′、圆周壁厚差-0.005mm～0.02mm、切削加工面粗糙度达到Ra0.8μm、10件药型罩零件重量偏差-1.2g～1.8g（理论重量780g）。

开展5发复合药型罩静态爆轰试验考核，900mm厚的钢靶、0#柴油（装于1mm厚的铁皮箱）放置于地坑中，周围用土层填埋压紧实，减少柴油箱、钢靶周围氧气含量；5发都能穿透900mm钢靶，并引燃靶后柴油箱（对比2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），复合药型罩平均破孔孔径Φ36～Φ50mm，纯铜药型罩平均破孔孔径Φ24～Φ31mm，平均侵彻孔径增大56.3%。

采用本发明方法设计制造的多层结构、特定多组分材料的锥形薄壁药型罩，可以显著提升药型罩侵彻性能，尤其是增强侵彻后效，具有穿透力强、侵彻深度大、侵彻毁伤体积大等特点，还具稳定性和一致性好的优点。通过检测、应用试验表明，该多层结构、多组分锥形薄壁药型罩具有五方面优点：（1）组织性能好，平均晶粒尺寸不大于5μm，致密度达到99.9%以上；（2）材料利用率高，材料利用率达到60%以上；（3）表面质量好，表面粗糙度优于Ra0.8um；（4）尺寸精度高，圆周壁厚差不大于0.02mm，产品重量偏差不大于0.5%；（5）毁伤性能好，与纯铜药型罩相同侵彻深度情况下，平均破孔孔径40mm～50mm（侵彻孔径增大15%以上），并能引燃靶后木屑、柴油等物质；（6）能够在地下、密闭的狭小空间，尤其是在无氧气环境条件下进行有效爆燃，增大毁伤后效。

Claims (10)

1.一种多层多组分复合药型罩，其特征在于：它包括由外层、中层和内层构成的“三明治”结构，所述外层为Al、Zr、Ti、Mg一种或几种的低声阻抗材料，中间层为Cu，内层为Ni、Nb、Ta、W一种或几种的高声阻抗材料。

2.根据权利要求1所述的多层多组分复合药型罩，其特征在于：所述外层为Al-Zr-Ti复合材料层、Ti-Zr复合材料层或Al-Zr复合材料层，内层为Ta-Nb复合材料层、Ta-Ni-Nb复合材料层或Ta-Ni-W复合材料层。

3.根据权利要求2所述的多层多组分复合药型罩，其特征在于：外层厚度为0.6mm～0.75mm，中间层厚度为0.8mm～1mm，内层厚度为0.7mm～1mm。

4.根据权利要求3所述的多层多组分复合药型罩，其特征在于：药型罩的壁厚为1.5mm～2.75mm。

5.根据权利要求4所述的多层多组分复合药型罩，其特征在于：药型罩所用的片材复合材料中间层厚度1.6mm～2mm、外层厚度1mm～2mm。

6.一种如权利要求1-5任一项所述药型罩的制备方法，其特征在于：包括中间层制备、“三明治”复合片材制备、成形、去应力处理、切削加工，所述复合片材制备采用激光熔覆增材制造方法，在中间铜层的一面进行低声阻抗材料的增材制造，在另一面进行高声阻抗复合材料的增材制造；所述成形采用强塑变形。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：激光熔覆增材制造，采用连续横流CO₂激光器，激光功率为500W～2200W，光斑直径为0.07mm～4mm，熔覆速度为20m/min～100m/min，送粉速度为10g/min-150g/min，预热温度为150℃～300℃。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：强塑变形是指复合片材在双旋轮点加载作用下进行1～3次旋压变形，片材厚度减薄变形量37.8%～62.2%；复合片材制备包括制备低声阻抗材料粉体和高声阻抗材料粉体包覆复合粉，将两种及以上成分粉末混合在一起，其中含量少的一种包覆在其他元素粉末表面，使复合粉末成分更加均匀、流动性更好，复合粉体粒度不大于20μm；所述复合片材的总厚度为3.5mm～6mm，中间层纯铜片材厚度为1.5mm～2.5mm。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：去应力处理将成形后的药型罩放入高真空热处理炉中进行低温去应力热处理，热处理过程中真空度优于1×10^-3pa，热处理温度（150～300）℃×（120～360）min，热处理炉中九点温控区内的各点温度偏差不大于5℃。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1，“三明治”薄壁锥形药型罩设计：依据聚能侵彻射流成形理论与近均匀强塑变形原理，进行药型罩侵彻射流形成过程模拟，优化设计“三明治”薄壁锥形药型罩形状结构；本步骤中药型罩侵彻射流形成过程模拟，采用LS-DYNA软件，在某型结构基础上进行射流形成、拉伸、侵彻过程模拟，优化药型罩形状结构；

步骤2，多组分复合结构材料设计：通过药型罩聚能侵彻模拟和毁伤后效理论分析，进行低声阻抗材料外层+纯铜中间层+高声阻抗材料内层的多组分复合结构材料设计，即从外到里药型罩密度梯次增大，根据聚能侵彻理论，进一步优化设计复合材料比例与分布；复合材料分布是根据药型罩侵彻毁伤性能要求，可以调控内层、外层复合材料的组分，并可以做成梯度成分组织材料；

步骤3，纯铜中间层制备：在药型罩零件结构基础上，考虑强塑变形、切削加工过程装夹定位余量等进行药型罩坯件设计，从而计算得出多组分复合片材的厚度、长×宽尺寸（或圆饼材的直径、厚度），并选取一定规格的纯铜片材作为复合材料的中间层；采用磨削去除表面氧化物质，并控制片材的平面度、厚度及表面粗糙度；采用线切割方法加工得到单件坯料，为下一道工序作准备；复合片材总厚度为3.5mm～6mm，中间层纯铜片材厚度为1.5mm～2.5mm；步骤3中药型罩成形坯件，内锥面由强塑变形得到，预留0.2mm～0.4mm切削加工余量；外锥面预留0.5mm～0.8mm切削加工余量，保证药型罩的几何尺寸精度与表面质量；步骤4，增材制造多组分复合材料：将低声阻抗材料粉体、高声阻抗材料粉体做成包覆粉，改善金属粉体的流动性能，通过激光熔覆增材制造方法，在步骤3所得纯铜片材的一面进行低声阻抗复合材料的增材制造，在铜板另一面进行高声阻抗复合材料的增材制造；通过激光熔覆工艺参数调整与优化，获得不同厚度多组分复合片材；

步骤4中包覆复合粉体，是指两种及以上成分粉末混合在一起，其中含量少的一种包覆在其他元素粉末表面，使复合粉末成分更加均匀、流动性更好，要求复合粉体粒度不大于20μm；步骤4中激光熔覆增材制造，采用连续横流CO₂激光器，激光功率500W～2200W，光斑直径0.07mm～4mm，熔覆速度20m/min～100m/min，送粉速度10g/min-150g/min，预热温度150℃～300℃；

步骤5，强塑变形：将步骤4所得复合片材进行表面磨光处理，控制片材厚度、表面质量；再在双旋轮数控旋压设备上进行锥形薄壁结构药型罩坯件的强塑变形，变形量、几何尺寸、内表面质量等满足设计要求，制得锥形薄壁药型罩坯件；

步骤5中强塑变形，是指复合片材在双旋轮点加载作用下发生强塑性变形，片材厚度减薄变形量37.8%～62.2%，可以通过1～3次旋压变形获得最终形状结构与表面质量；

步骤6，低温去应力处理：将步骤5所得锥形薄壁结构药型罩坯件内外表面清理干净，放入高真空热处理炉中，进行低温去应力热处理，去除部分加工应力，降低硬度，并改善塑韧性；步骤6中高真空热处理炉，是指热处理过程中真空度优于1×10^-3pa；步骤6中低温去应力处理，热处理温度（150～300）℃×（120～360）min，热处理炉中九点温控区内给点温度偏差不大于5℃；

步骤7，少余量精密切削加工：将步骤6获得的复合药型罩坯件，在精密数控车床上进行少余量精密切削加工，满足产品设计加工要求，加工表面粗糙度优于0.8μm、内外锥面同轴度不大于0.03mm、圆周壁厚差不大于0.02mm；步骤7中少余量精密切削加工，是指强塑变形药型罩坯件表面最小加工余量仅0.3mm。