FR3039266A1 - Penetrateur comportant un coeur entoure d'une gaine ductile et procede de fabrication d'un tel penetrateur - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un pénétrateur (3) en métal lourd à haute teneur en tungstène comportant une partie centrale ou cœur (7) formé d'un alliage comprenant de 85% à 97% en masse de tungstène associé à des métaux additionnels et qui est entouré d'une gaine (8) périphérique d'un alliage de tungstène plus ductile que le matériau du cœur. La gaine (8) est réalisée en un alliage comprenant de 30% à 72% en masse de tungstène, le cœur (7) comprenant des nodules de tungstène liés par une matrice d'une phase gamma γc associant le tungstène aux métaux additionnels, les deux phases gamma étant reliées l'une à l'autre de façon continue sans zone de transition. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un tel pénétrateur.

Description

Le domaine technique de l'invention est celui des pénétrateurs en métal lourd et en particulier celui des pénétrateurs utilisés pour réaliser des projectiles sous calibrés de gros calibre (calibre supérieur ou égal à 25 mm).
Ces projectiles sont le plus souvent appelés projectiles flèches. Ils comportent un pénétrateur ou barreau sous-calibré qui est tiré par une arme à l'aide d'un sabot au calibre de l'arme.
Pour un projectile de calibre 120 mm, le pénétrateur a généralement un diamètre de 20 à 30 mm et le sabot permettant le tir est formé d'un ensemble de secteurs en matériau léger (alliage d'aluminium par exemple).
Les brevets FR-2521717 et FR-2661739 décrivent des exemples de projectiles flèches.
Pour augmenter l'efficacité pénétrante des projectiles flèches, les pénétrateurs sont le plus souvent réalisés en un alliage à haute teneur en tungstène.
De tels alliages sont sensibles aux sollicitations transversales qu'ils reçoivent lors de l'impact sur une cible inclinée ou bien lors de l'interaction avec une protection réactive. Les chocs transversaux provoquent la rupture du pénétrateur ce qui réduit le pouvoir perforant du pénétrateur après passage de telles cibles.
Il est connu de doter les pénétrateurs d'une chemise périphérique en un matériau plus ductile assurant une résistance à la flexion pour le pénétrateur.
On connaît par exemple par le brevet EP-1940574 un pénétrateur comportant un cœur formé d'un alliage comprenant de 90 à 97% en masse de tungstène et qui est entouré d'une gaine périphérique d'un alliage de tungstène plus ductile que le matériau du cœur.
La gaine de ce pénétrateur a une proportion en tungstène comprise entre 85% et 91%.
Le pourcentage en tungstène de la gaine est relativement proche de celui du cœur et ce pénétrateur a donc des performances de résistance à la flexion insuffisantes.
Un tel pénétrateur n'est pas adapté aux besoins actuels de réalisation de projectiles flèches ayant un allongement, c'est à dire un rapport (L/D) de la longueur (L) du pénétrateur sur le diamètre (D) du pénétrateur, qui est important.
On cherche en effet à réaliser aujourd'hui des pénétrateurs ayant un allongement dépassant 20 (L/D > 20) . Ceci conduit à des pénétrateurs de plus de 500 mm de long pour un diamètre de 25 à 35 mm. De tels pénétrateurs sont particulièrement sensibles aux impacts sur des cibles inclinées.
Il n'est cependant pas aisé de donner à la gaine une ductilité supérieure à celle du cœur. Par ailleurs, il est également nécessaire d'assurer une liaison entre le matériau du cœur et celui de la gaine. Si cette liaison est insuffisante, les efforts radiaux ou longitudinaux conduisent à une séparation de ces éléments lors de l'impact ou même comme suite au tir.
Pour assurer la liaison, le brevet EP-1940574 propose de procéder à un frittage du cœur et de la gaine dans un même moule. La séparation entre gaine et cœur est assurée par un entonnoir particulier associé à un tube qui sépare la zone de cœur et la zone de gaine. Après mise en place des matériaux de la gaine et du cœur, le tube et l'entonnoir sont retirés. Les matériaux de gaine et de cœur sont alors en contact et le frittage peut être réalisé.
Un tel procédé présente l'inconvénient de laisser subsister entre gaine et cœur une zone de transition ayant une épaisseur entre 25 micromètres et 200 micromètres. Cette zone est formée d'un matériau dont la composition et les caractéristiques sont intermédiaires entre celles du cœur et de la gaine.
Plus spécifiquement encore, la géométrie de cette zone de transition (épaisseur, positionnement par rapport à l'axe du pénétrateur...) n'est pas maîtrisée.
Il en résulte des variations du positionnement radial de cette zone de transition le long du pénétrateur, variations d'autant plus marquées pour un pénétrateur de grand allongement. Il en résulte également une résistance de cette interface qui est très variable le long du pénétrateur, ce qui diminue les performances de perforation.
Par ailleurs, le procédé décrit par le brevet EP-1940574 impose un taux de tungstène de la gaine qui est relativement proche du taux de tungstène du cœur.
La ductilité de la gaine obtenue avec ce procédé est donc peu supérieure à celle du cœur, de l'ordre de 5 à 10%. L'invention a pour but de proposer une structure de pénétrateur dans laquelle l'adhérence entre gaine et cœur est excellente, même avec une différence de taux de tungstène entre gaine et cœur.
Le pénétrateur selon l'invention peut alors avoir une ductilité de gaine qui est supérieure à celle des pénétrateurs à gaine de tungstène connus.
Ainsi, l'invention a pour objet un pénétrateur en métal lourd à haute teneur en tungstène comportant une partie centrale ou cœur formé d'un alliage comprenant de 85 à 97% en masse de tungstène associé à des métaux additionnels et qui est entouré d'une gaine périphérique d'un alliage de tungstène plus ductile que le matériau du cœur, pénétrateur caractérisé en ce que la gaine est réalisée en un alliage comprenant de 30% à 72% en masse de tungstène, le cœur comprenant des nodules de tungstène liés par une matrice d'une phase gamma yc associant le tungstène aux métaux additionnels, les deux phases gamma étant reliées l'une à l'autre de façon continue sans zone de transition.
Les phases gamma du cœur yc et de la gaine yG auront une composition associant le tungstène, le nickel, le cobalt et éventuellement le fer.
Selon un mode de réalisation, le cœur pourra comprendre 85% en masse de tungstène et la gaine 38% en masse de tungstène, les phases gamma du cœur yc et de la gaine yG ayant des compositions associant Tungstène, Nickel et Cobalt.
Selon un autre mode de réalisation, le cœur pourra comprendre 89% en masse de tungstène et la gaine 68% en masse de tungstène, les phases gamma du cœur yc et de la gaine yG ayant des composition associant Tungstène, Nickel et Cobalt.
Selon un autre mode de réalisation, l'alliage du cœur pourra comprendre 95% en masse de Tungstène, 2% en masse de Nickel, 1,5% en masse de Cobalt et 2% en masse de Fe et la gaine 70% en masse de tungstène, les phases gamma du cœur yc et de la gaine yG ayant des compositions associant Tungstène, Nickel, Cobalt et Fer. L'invention a également pour objet un procédé permettant de réaliser un tel pénétrateur.
Ce procédé de fabrication d'un pénétrateur en métal lourd à haute teneur en tungstène est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes (qui conduisent à la réalisation d'un ébauché de ce pénétrateur) : - fabrication d'un cœur composé de poudres compactées comprenant de 85% à 97% en masse de tungstène associé à des métaux additionnels comprenant le nickel, le cobalt avec ou sans Fer, - fabrication d'une gaine composée de poudres compactées comprenant de 30% à 72% en masse de tungstène associé à des métaux additionnels comprenant le nickel, le cobalt avec ou sans Fer, - assemblage par frittage de la gaine et du cœur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation, description faite en référence aux dessins annexés et dans lesquels : la figure 1 montre l'architecture générale d'un projectile sous calibré de type flèche, - la figure 2 montre en coupe longitudinale partielle un pénétrateur selon l'invention, - la figure 3 est une micrographie montrant la structure du cœur du pénétrateur selon l'invention, - la figure 4 est une micrographie montrant la structure de la gaine du pénétrateur selon l'invention, - la figure 5a est une micrographie montrant la liaison entre gaine et cœur, et - la figure 5b est un grossissement de la micrographie de la figure 5a.
La figure 1 montre un projectile flèche 1 qui comporte d'une façon classique un sabot 2 réalisé en matériau léger (tel qu'un alliage d'aluminium), sabot formé de plusieurs segments et qui entoure un pénétrateur 3 sous-calibré.
Le pénétrateur comporte une partie avant 3a conique et porte à sa partie arrière 3b un empennage 4 assurant sa stabilisation sur trajectoire. La structure même du pénétrateur 3 sera décrite par la suite.
Le sabot porte une ceinture 5, réalisée en matière plastique, et qui assure l'étanchéité aux gaz propulsifs lors du tir dans le tube d'une arme (non représenté).
Lors du tir, les gaz du chargement propulsif (non représenté) exercent leur poussée au niveau d'une partie arrière 6 du sabot qui est au calibre et qui constitue ce qu'on appelle la plaque de poussée.
Une telle configuration générale d'un projectile sous calibré stabilisé par empennage (projectile flèche) est bien connue. On pourra notamment considérer les brevets FR-2521717 et FR-2661739 qui décrivent des projectiles flèches connus.
Le sabot 2 est destiné à permettre le tir du projectile dans l'arme. Il est constitué de plusieurs segments (le plus souvent trois) qui entourent le pénétrateur 3 et qui sont en contact deux à deux au niveau de plans de joints. A la sortie du tube de l'arme les segments du sabot 2 s'écartent du pénétrateur 3 sous l'action de la pression aérodynamique qui s'exerce au niveau de la partie avant (AV) du sabot 2. L'écartement des segments conduit à la rupture de la ceinture 5 et le sabot libère donc le pénétrateur 3 qui poursuit sa trajectoire.
Des moyens à concordance de forme (non représentés), par exemple un filetage, sont interposés entre le sabot 2 et le pénétrateur 3 pour assurer l'entraînement de ce dernier.
La figure 2 montre de façon plus précise la structure du pénétrateur 3 qui comporte une partie centrale ou cœur 7 qui est entourée d'une gaine périphérique 8.
Conformément à l'invention, le cœur est formé d'un alliage comprenant de 85% à 97% en masse de tungstène et la gaine est réalisée en un alliage comprenant de 30% à 72% en masse de tungstène.
Le tungstène est allié, tant au niveau du cœur que de la gaine, à des métaux d'addition comme le Nickel qui sera toujours associé au Cobalt avec ou sans fer.
Plus précisément et en référence à la figure 3, au niveau du cœur 7, le matériau comprend des nodules 9 de tungstène de phase a à structure cristalline cubique centré qui sont liés entre eux par une matrice 10 d'une phase gamma yc associant le tungstène au Nickel, au cobalt avec ou sans fer (Fe), avec une structure cristalline cubique à face centrée.
Le taux de tungstène du cœur est compris entre 85% et 97%, ce qui conduit à une densité du cœur de l'ordre de 17 g/cm3. Le cœur 7 est formulé de façon à avoir une limite élastique supérieure ou égale à 1100 MPa (Méga Pascals). La ductilité est de l'ordre de 6% et sa résilience Charpy (essai non entaillé selon norme ISO 179-1 est de 80 J/cm2.
La composition du cœur comportera (proportions en masse) : 85 à 97% de tungstène, 1 à 10 % de Nickel, 1 à 6 % de Cobalt.
Selon un autre mode de réalisation, la composition du cœur comportera (proportions en masse) : 85 à 97% de tungstène, 1 à 10 % de Nickel, 0.5 à 10 % de Fer, 1 à 8 % de Cobalt.
En référence à la figure 4, au niveau de la gaine 8, le matériau comprend essentiellement une matrice 11 d'une phase gamma yG associant essentiellement le tungstène au Nickel et au Cobalt avec ou sans Fe, et avec une structure cristalline cubique à face centrée qui est le signe que cette gaine a une haute résilience.
Le pourcentage de tungstène de la gaine 8 est compris entre 30% et 72%, ce qui conduit à une densité de cette gaine qui peut varier entre 10 g/cm3 et 15 g/cm3. L'alliage de la gaine 8 sera formulé de façon à avoir une ductilité supérieure à 7% et une résilience élevée : résilience Charpy (essai non entaillé selon norme ISO 179-1) supérieure ou égale à 200 J/cm2.
La composition de la gaine comportera (proportions en masse) : 30 à 72 % de tungstène, 20 à 44 % de Nickel, 5 à 25 % de Cobalt.
Selon un autre mode de réalisation, la composition de la gaine comportera (proportions en masse): 30 à 72 % de tungstène, 30 à 44 % de Nickel, 0,5 à 10 % de Fer, 5 à 25% de Cobalt.
Etant donné la différence de concentration du tungstène dans la gaine et le cœur, la gaine 8 est donc plus ductile que le cœur 7.
Si la phase gamma yc du cœur associe le tungstène au nickel et au cobalt (avec ou sans Fer) , la phase gamma yG de la gaine comportera aussi le nickel et le cobalt (avec ou sans Fer) comme métaux additionnels.
Les figures 5a et 5b montrent qu'après mise en forme du pénétrateur 3, les matrices 10 et 11 du cœur 8 et de la gaine 7 (matrices formées par les phases gamma du cœur et de la gaine) sont reliées l'une à l'autre de façon continue sans zone de transition. Voir en particulier les zones repérées par les flèches ZI et Z2 (la figure 5b est à un grossissement double de celui de la figure 5a).
Il en résulte une liaison intime de la gaine 7 sur le cœur 8 et une résistance extrêmement forte de cette liaison.
Pour réaliser un tel pénétrateur 3 on met en œuvre un procédé décrit de la façon suivante :
Au cours d'une étape A, pour fabriquer un alliage comprenant de 85% à 97% en masse de tungstène, les poudres de Tungstène, Nickel, Cobalt et éventuellement de Fer sont mélangées de façon homogène et pré comprimés sous forme d'un barreau qui constituera le cœur.
Au cours d'une étape B, on élabore une gaine 8 d'un alliage comprenant de 30% à 72% en masse de tungstène associé à des métaux additionnels comprenant le Nickel, le Cobalt et éventuellement du Fer.
Les matériaux sont mélangés de façon homogène puis comprimés dans un outillage qui comporte un noyau cylindrique ayant un diamètre égal ou supérieur au diamètre interne souhaité pour la gaine. Le reste de l'outillage de compression est classique.
Au cours d'une étape C on assemble par frittage la gaine et le cœur.
Le frittage a lieu en présence de phase liquide. On pourra mettre en œuvre le procédé de frittage à haute puissance décrit dans la demande de brevet W003/027340 et qui met en œuvre un chauffage par induction.
Les alliages sont consolidés à des températures comprises entre 1400 °C et 1600 °C.
Le frittage permet d'assurer la continuité des phases gamma entre la gaine et le cœur.
Ces étapes A à C conduisent ainsi à la réalisation d'un ébauché du pénétrateur.
On procède ensuite aux différents usinages de l'ébauché permettant de réaliser le pénétrateur 3 souhaité. On réalisera en particulier le filetage externe porté par la gaine et permettant l'assemblage du pénétrateur 3 et de son sabot de lancement 2.
On pourra réaliser des gaines dont le diamètre est compris entre 1,4 et 2,0 fois le diamètre du cœur. L'épaisseur de la gaine 8 pourra ainsi varier entre 5 mm et 9mm pour un pénétrateur de 35 mm de diamètre externe. A titre d'exemple on a ainsi fabriqué les pénétrateurs suivants :
Exemple 1
Diamètre du cœur égal à 0,5-0,7 fois le diamètre de la gaine. Cœur formé de 85% en masse de tungstène, et ayant une densité de 16,5 g/cm3, une limite élastique de 1800 MPa, une ductilité de 10% et une résilience Charpy non entaillé de 150 J/cm2. L'alliage du cœur comprend 85% en masse de Tungstène, 15% en masse de Nickel et 5% en masse de Cobalt.
La gaine a une densité de 11,2 g/cm2, une limite élastigue de 1400 MPa, une ductilité de 18% et une résilience Charpy non entaillée de 400 J/cm2. L'alliage de la gaine comprend (proportions en masse) : 38,0% de Tungstène, 40% de
Nickel et 22% de Cobalt.
Ce pénétrateur (et son ébauché) a été fabrigué en mettant en œuvre le procédé précédemment décrit.
Exemple 2
Diamètre de gaine égal à 0,5-0,7 fois le diamètre du cœur. Cœur formé de 89% en masse de tungstène, et ayant une densité de 17,1 g/cm3, une limite élastigue de 1500 MPa, une ductilité de 9% et une résilience Charpy non entaillé de 300 J/cm2. L'alliage du cœur comprend 89% en masse de Tungstène, 7,5% en masse de Nickel et 3,5% en masse de Cobalt.
Gaine formée de 68% en masse de tungstène et ayant une densité de 14,1 g/cm2, une limite élastique de 2000 MPa, une ductilité de 11% et une résilience Charpy non entaillée de 400 J/cm2. L'alliage de la gaine comprend (proportions en masse) : 68% de Tungstène, 22% de Nickel et 10% de Cobalt.
Ce pénétrateur (et son ébauché) a été fabriqué en mettant en œuvre le procédé précédemment décrit.
Exemple 3
Diamètre de gaine égal à 0,5-0,7 fois le diamètre du cœur. Cœur formé de 95% en masse de tungstène, et ayant une densité de 18,3 g/cm3, une limite élastique de 1300 MPa, une ductilité de 7% et une résilience Charpy non entaillée de 50 J/cm2. L'alliage du cœur comprend 95% en masse de Tungstène, 2% en masse de nickel, 1,5% en masse de cobalt et 2% en masse de fer.
Gaine formée de 70,0% en masse de tungstène et ayant une densité de 14,0 g/cm2, une limite élastique de 2000 MPa, une ductilité de 9% et une résilience Charpy non entaillé de 300 J/cm2. L'alliage de la gaine comprend (proportions en masse) : 70,0% en masse de Tungstène, 18% en masse de Nickel, 10% en masse de Cobalt et 2% en masse de Fe.
Ce pénétrateur (et son ébauché) a été fabriqué en mettant en œuvre le procédé précédemment décrit.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS
    1. Pénétrateur (3) en métal lourd à haute teneur en tungstène comportant une partie centrale ou cœur (7) formé d'un alliage comprenant de 85 à 97% en masse de tungstène associé à des métaux additionnels et qui est entouré d'une gaine périphérique (8) d'un alliage de tungstène plus ductile que le matériau du cœur (7), pénétrateur caractérisé en ce que la gaine (8) est réalisée en un alliage comprenant de 30% à 72% en masse de tungstène, le cœur (7) comprenant des nodules (9) de tungstène liés par une matrice (10) d'une phase gamma yc associant le tungstène aux métaux additionnels, les phases gamma du cœur (7) et de la gaine (8) étant reliées l'une à l'autre de façon continue sans zone de transition.
  2. 2. Pénétrateur en métal lourd selon la revendication 1, caractérisé en ce que les phases gamma du cœur yc et de la gaine yG ont une composition associant le tungstène, le nickel, le cobalt et éventuellement le fer.
  3. 3. Pénétrateur en métal lourd selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le cœur (7) comprend 85% en masse de tungstène et la gaine (8) 38% en masse de tungstène, les phases gamma du cœur yc et de la gaine yG ayant des compositions associant Tungstène, Nickel et Cobalt.
  4. 4. Pénétrateur en métal lourd selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le cœur (7) comprend 8 9% en masse de tungstène et la gaine (8) 68% en masse de tungstène, les phases gamma du cœur yc et de la gaine yG ayant des composition associant Tungstène, Nickel et Cobalt.
  5. 5. Pénétrateur en métal lourd selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'alliage du cœur (7) comprend 95% en masse de Tungstène, 2% en masse de Nickel, 1,5% en masse de Cobalt et 2% en masse de Fe et la gaine (8) 70% en masse de tungstène, les phases gamma du cœur yc et de la gaine yG ayant des compositions associant Tungstène, Nickel, Cobalt et Fer.
  6. 6. Procédé de fabrication d'un pénétrateur en métal lourd à haute teneur en tungstène selon une des revendications 1 à 5, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - fabrication d'un cœur (7) composé de poudres compactées comprenant de 85% à 97% en masse de tungstène associé à des métaux additionnels comprenant le nickel, le cobalt avec ou sans Fer, - fabrication d'une gaine (8) composée de poudres compactées comprenant de 30% à 72% en masse de tungstène associé à des métaux additionnels comprenant le nickel, le cobalt avec ou sans Fer, - assemblage par frittage de la gaine (8) et du cœur (7).
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