CN115121791B

CN115121791B - 多尺度粒子复合增强战斗部及其增材制造方法

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Publication number: CN115121791B
Application number: CN202211038471.2A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Beijing Yuding Zengcai Manufacture Research Institute Co ltd
Current assignee: Beijing Yuding Additive Manufacturing Research Institute Co ltd
Priority date: 2022-08-29
Filing date: 2022-08-29
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2042-08-29
Also published as: CN115121791A

Abstract

本发明公开了一种多尺度粒子复合增强战斗部及其增材制造方法，所述多尺度粒子复合增强战斗部包括穿透层和破片层，所述破片层包括基体和分散在基体中的增强粒子，并且所述增强粒子的体积分数为15%~60%；所述增强粒子的尺度不同，分为粒径＞150μm的大尺寸增强粒子和粒径≤150μm的小尺寸增强粒子，并且所述大尺寸增强粒子和小尺寸增强粒子的体积分数比为1:1~1:2。具体制造方法包括，1）将增强粒子粉末与基体粉末充分混合后装入送粉器；2）启动激光器进行破片层的增材制造成形。本发明通过调配增强粒子的种类以及成分可达到不同的武器杀伤效果，同时，设计了基于这种基于增材制造的多尺度符合强化战斗部的结构及其工艺参数，最大程度提高武器的杀伤效果以及穿透能力。

Description

多尺度粒子复合增强战斗部及其增材制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造的技术领域，尤其是涉及一种多尺度粒子复合增强战斗部及其增材制造方法。

背景技术

导弹和炮弹的战斗部一般采用破片的方式对人员进行杀伤，其原理为高爆炸药引爆后将破片高速弹出。因此武器战斗部的破片作为武器对目标的杀伤性能主要影响因素，尽可能多地获得高速以及高强度的破片一直是提高武器最终杀伤力的目标之一，也即战斗部的设计极大程度上影响了导弹或炮弹的杀伤效果。

传统武器战斗部的设计为面向并基于传统的制造方式，通过粘结等非冶金的方式填充，制备周期长且杀伤效果难以充分达到预期。金属增材制造技术是一种以数字模型为基础，通过逐层堆积成型的兼具高自由度、高材料利用率以及低周期的新兴制造技术。金属增材制造技术的发展为武器战斗部的制备与设计提供了一种全新的制备思路，复合材料的增材制造为战斗部的设计提供了新的依据，需要开发一种基于增材制造技术面向武器战斗部的高杀伤性能的战斗部制备方法。

发明内容

本发明的目的，即在于基于金属增材制造技术，面向导弹、炮弹等武器战斗部的杀伤效果，设计了一种多尺度粒子复合强化的武器战斗部及其增材制造方法。

本发明的技术方案具体为，一种多尺度粒子复合增强战斗部，所述多尺度粒子复合增强战斗部包括穿透层和破片层，其特征在：所述破片层包括基体和分散在基体中的增强粒子，并且所述增强粒子的体积分数为15%~60%；所述增强粒子的尺度不同，分为粒径＞150μm的大尺寸增强粒子和粒径≤150μm的小尺寸增强粒子，并且所述大尺寸增强粒子和小尺寸增强粒子的体积分数比为1:1~1:2。

进一步优选的，所述大尺寸增强粒子为高熔点金属颗粒和/或含能化合物颗粒，所述小尺寸增强粒子为高熔点金属颗粒和/或稀土氧化物。

进一步优选的，所述高熔点金属颗粒为W、Ta、Mo的至少一种；所述含能化合物颗粒为SiC、BN、TiC、WC、MgO的至少一种；所述稀土氧化物为Y₂O₃，CeO₂，La₂O₃的至少一种。

进一步优选的，所述基体为钢、钛合金或含能高熵合金。

进一步优选的，所述穿透层也包括基体和分散在基体中的增强粒子，所述增强粒子为粒径≤150μm的稀土氧化物，体积分数≤30%。

本发明还提供一种上述多尺度粒子复合增强战斗部的增材制造方法，其特征在于：

1）将增强粒子粉末与基体粉末充分混合后装入送粉器；

2）启动激光器进行破片层的增材制造成形；

3）当穿透层的基体材料与破片层的基体材料相同时，在破片层的顶部一体成型增材制造穿透层以形成所述多尺度粒子复合增强战斗部；当穿透层的基体材料与破片层的基体材料不同时，启动激光器单独进行穿透层的增材制造成形，并通过机械方式将穿透层和破片层结合为一体。

进一步优选的，所述增材制造的工艺参数为，激光功率800-3500W，光斑尺寸为6-8mm，扫描速度为200-500mm/min，送粉速率为30-80g/min。

进一步优选的，当增材制造穿透层时，所述增材制造的工艺参数为，激光功率1500-3500W，光斑尺寸为6-8mm，扫描速度为200-500mm/min，送粉速率为30-60g/min。

进一步优选的，当所述增强粒子粉末含有高熔点金属粉末时，所述增材制造的工艺参数为，激光功率800-1500W，光斑尺寸为6-8mm，扫描速度为200-400mm/min，送粉速率为50-80g/min。

进一步优选的，当所述增强粒子粉末含有含能化合物粉末时，所述增材制造的工艺参数为，激光功率800-1100W，光斑尺寸为6-8mm，扫描速度为200-300mm/min，送粉速率为50-80g/min。

与现有技术相比，本发明选用激光送粉增材制造方式，战斗部基体材料可选用钢、钛合金或含能高熵合金（TiZrHfNbMo、TiZrHfNbV等）金属材料，增强粉末采用多尺度多成分微粒，最大程度上增强杀伤效果，通过调配增强粒子的种类以及成分可达到不同的武器杀伤效果。同时，设计了基于这种基于增材制造的多尺度符合强化战斗部的结构及其工艺参数，最大程度提高武器的杀伤效果以及穿透能力。通过这种基于增材制造多尺度粒子复合强化的武器战斗部，可通过调整基体材料以及增强粉末的类型以及尺寸进而达到特定的杀伤效果，最大程度满足特定的使用情况。相比传统粘结等方式填充的战斗部，其能够在保证结构的强度的同时，提高其杀伤效果，且一体成型无需添加破片，降低了重量，大大降低了制备周期。

附图说明

图1为本发明穿透层和破片层组装为战斗部的结构示意图。

图2为本发明大尺寸增强粒子和小尺寸增强粒子复合增强的组织结构示意图。

图3为本发明仅有小尺寸增强粒子增强的组织结构示意图。

图4为本发明实施例1下部破片层的显微组织金相照片。

图5为本发明实施例2下部破片层的显微组织金相照片。

图6为本发明实施例3下部破片层的显微组织金相照片。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行描述。

本发明设计了一种多尺度粒子复合增强战斗部，基于激光增材制造，能够通过调控增强粒子的尺寸类型等得到不同种类的杀伤效果。具体实施步骤如下：

增材制造过程可选用钢、钛合金等作为基板。基板表面进行打磨处理，打磨后先用清水清洗，再用无水乙醇清洗，然后用无水丙酮进行清洗，最后用清水清洗，使基板表面无油污和其他杂质。因为为多尺度粒子复合材料，材料需分为基体材料以及增强材料，基体材料可选用钢、钛合金或含能高熵合金（TiZrHfNbMo、TiZrHfNbV等）等金属材料，基体的粉末粒度可以选用30-400目，尺寸为37μm-600μm，基体粉末可为物理破碎的方式制备，如真空球磨，也可选用预合金法，如等离子旋转电极法、气体雾化等方法制备。选用钢、钛合金、含能高熵合金等材料，目的是获得高的强度与硬度，同时提高破片的杀伤力。当需要高的破坏效果可优选含能高熵合金，其能在剧烈冲击下释放内部的能量，爆炸过程会破坏其结构产生大量破片，进而大量提高其杀伤效果。对于增强粒子，材料可选用高熔点金属材料W、Ta、Mo等，高稳定的稀土氧化物如Y₂O₃，CeO₂，La₂O₃等，或含能化合物材料SiC、BN、TiC、WC、MgO等。增强粉末可为物理破碎的方式制备，如真空球磨，也可选用预合金法，如等离子旋转电极法、气体雾化等方法制备。同时，增强粉末采用多尺度多类型设计，用以最大程度提高破片数量以及杀伤效果。对于粒子的多尺度设计，增强粉末粒径分布采用正态分布设计，粉末平均尺寸D50位于48μm~500μm，其中D90≤600μm，D10≥35μm，这是因为当粉末粒径过大会严重影响构件最终的成型，导致无法成型，当粒径过小，其多尺度的增强效果较小，且因增强相过于细小，破片效果较差，无法达到希望的杀伤效果。需严格控制大尺寸粉末的粒径与百分比，因为大尺寸粉末会严重影响成型质量。同时，可同时选用多种不同的增强相粒子，不同的增强相粒子可改变成分以及粒径分布，不同的增强相粒子会得到多种不同的杀伤效果。可依据希望的杀伤效果采用不同的增强相粒子，当希望得到高穿透能力而无毁伤能力的杀伤效果，增强材料需选用高稳定高熔点的稀土氧化物如Y₂O₃，其粒子平均尺寸D50位于48μm~150μm。其作为极为稳定的增强材料，可大幅提高战斗部的强度硬度且致密度很高，虽无破片毁伤能力，但可强化基体，提高强度，其选用较细的粉末，目的是尽可能提高其强度，当尺寸较小，其增强效果下降，尺寸较大则会降低材料的致密度，且也会影响其强度，降低强化效果。当需要得到高破片能力高毁伤的杀伤效果，增强材料选用高熔点金属，如W、Ta、Mo粒子，其粒子平均尺寸D50处于48μm~500μm，这种具备破片毁伤能力的增强粒子，其可在爆炸后产生大量破片，提高杀伤效果，选用大尺寸增强粒子，目的是尽可能提高其破片能力，选用小尺寸时也可提高其基体强度。当粉末尺寸过小，其破片能力较弱且尺寸较小，杀伤力较弱，而当粉末尺寸过大，会严重影响成形性。当需要更强的杀伤性时也可选用含能材料作为增强粒子如SiC、BN、TiC、WC、MgO等，因为其稳定性较差，在爆炸情况下会分解放热释放能量，粒子平均尺寸D50位于200μm~500μm，粒子尺寸不宜过小，否则低稳定的增强粒子会在增材制造过程中发生分解进而无法达到增强效果，而尺寸如果过大也会严重影响其成型性。同时，不同增强粉末可依据比例混合使用进而得到复合强化的效果。对于多种增强粉末混合使用的情况，依据不同粉末的粒径，可分为平均尺寸较大的粗粉（＞150μm）以及较小的细粉（＜150μm），粗粉与细粉的体积分数比需位于1：1~1：2之间，因为细粉主要为起到强化作用的增强颗粒，主要用于提高强度与硬度，而不起破片作用，而粗粉主要起到破片毁伤的作用，百分比更大的细粉可以强化破片的杀伤效果且也会得到较多数量的破片，如果细粉含量更大会降低其破片效果。同时具备多尺度与类型的增强粒子会大幅提高破片能力以及破片的杀伤力，同时也会提升武器的穿透性能。

将增强颗粒与基体粉末采用机械搅拌的方式充分混合，增强颗粒的体积分数需处于15%~60%，体积分数过小增强效果弱，破片效果很差，而如果体积分数过大，成型过程过于困难。较低的增强体积分数会保留材料的高强度与韧性但破片效果较差，而较高的增强体积分数会大幅提高强度但降低韧性，帮助爆炸时解体为大量破片。将粉末充分均匀混合后，采用激光送粉增材制造方式成型战斗部。对基材进行清洗后，对战斗部自下而上进行增材制造。本发明设计的战斗部结构如图1所示，包括顶部的穿透层1和下方的破片层2，二者组装形成壳体内部置有炸药6。战斗部下层为破片层，采用具备高毁伤性能以及破片效果的应用多尺度多类型粒子强化的材料，破片层2的内部组织如图2所示，其内部由基体5（钢、钛合金或含能高熵合金）、小尺寸增强粒子4以及大尺寸增强粒子3组成，其中小尺寸增强粒子4用于强化基体，增强破片的强度以及杀伤力，大尺寸增强粒子3用于在爆炸时发生破裂，产生更多的破片，提高杀伤力，同时如果采用含能粒子，会进一步提高其爆炸能量，提高杀伤力。而战斗部顶部的穿透层1采用粒子强化的材料以提高其武器的穿透性，内部组织如图3所示，其仅通过小尺寸强化粒子4强化其基体5，提高整体强度硬度以及塑性，进而提高武器的穿透性。基体材料也可选用均质的高强钢。当顶部的穿透层1和下方的破片层2两部分的基体材料相同时，可采用增材制造一体成型制备，两部分通过冶金结合，两层对应的成分的粉末分别放入对应的送粉器内，在制备对应部分时，应用对应送粉口送粉。而当顶部的穿透层1和下方的破片层2两部分的基体材料不同时，两部分采用机械方式结合，可采用铆接等方式连接。

值得注意的是，因增强粒子的差异需要对增材制造的热输入进行严格的控制。为实现增强的有效强化作用，需要严格控制参数。当增强材料仅为强化基体的小尺寸增强粒子如高稳定的稀土氧化物甚或没有增强粒子时，如制备顶部穿透层时，可采用较高的热输入，以获得高强度高韧性高致密度的组织，经试验总结，激光功率可控制在1500W~3500W，激光光斑尺寸为6-8mm，扫描速度为200mm/min~500mm/min，送粉速率为30-60g/min。当需制备含有破片能力的高熔点金属粉末作为增强粒子的时候，如制备下部破片层，需控制热输入，因为要防止高熔点金属的熔化，防止生成枝晶进而严重影响塑性，大量开裂难以成型。经试验总结，激光功率控制在800W-1500W，光斑尺寸6-8mm，扫描速度为200mm/min~400mm/min，送粉速率为50-80g/min。当需制备含有高毁伤能力高能量的含能化合物粒子作为增强粒子的时候，如制备下部破片层，需严格控制热输入，因为其稳定性较差，高热输入会导致增强粒子的分解严重影响成型以及最终材料内增强粒子的含量，经试验总结，激光功率控制在800W-1100W，光斑尺寸6-8mm，扫描速度为200mm/min~300mm/min，送粉速率为50-80g/min。

实施例1：

采用激光增材制造制备多粒子复合强化战斗部，其下方破片层基体采用TiZrHfNbV含能高熵合金，粉末粒度为200目，采用气体雾化方法制备。增强材料选用两种不同粒度的钨粉，采用真空球磨制备，一种钨粉的平均尺寸为80μm，另一种钨粉的平均尺寸为230μm，细粉与粗粉的体积分数比例为2：1，增强粒子的体积分数为50%，制备过程激光功率为1200W，光斑尺寸为6mm，扫描速度340mm/min，送粉速率为60g/min，顶部穿透层采用激光增材制备的均质超高强钢30CrMnSiA，与下部破片层应用铆接进行机械连接，顶部制备过程激光功率为2000W，光斑尺寸6mm，扫描速度400mm/min，送粉速度60g/min。成功制备了具备多尺度粒子强化的战斗部。下部破片层的显微组织如图4所示。可以看出组织内均匀分布着大尺寸的钨颗粒以及小尺寸的钨颗粒，钨颗粒尺寸相比原料几无差异。战斗部顶部层具备较强穿透能力，爆炸后下层基体发生分解，同时大量多种尺寸的破片高速飞出造成较大杀伤效果。

实施例2：

采用激光增材制备多粒子复合强化战斗部，其下方破片层基体采用TA15钛合金，粉末粒度为300目，采用气体雾化方法制备。增强材料选用Y₂O₃和W颗粒，采用真空球磨制备，Y₂O₃的平均尺寸为60μm，钨粉的平均尺寸为300μm，细粉与粗粉的体积分数比例为1：1，增强粒子的体积分数为40%，制备过程激光功率为1100W，光斑尺寸为6mm，扫描速度300mm/min，送粉速率为70g/min，顶部穿透层采用Y₂O₃增强的TA15钛合金，Y₂O₃颗粒平均尺寸为150μm，体积分数为20%。战斗部应用激光增材制造一体制备，顶部与下部破片层冶金结合良好，顶部制备过程激光功率为2200W，光斑尺寸6mm，扫描速度350mm/min，送粉速度80g/min。成功制备了具备多尺度粒子强化的战斗部。下部破片层的显微组织如图5所示。最终爆炸过程基体破坏后，大量尺寸为300-400μm的破片释放，杀伤效果显著。

实施例3：

采用激光增材制备多粒子复合强化战斗部，其下方破片层基体采用30CrMnSiA，粉末粒度为200目，采用气体雾化方法制备。增强材料选用Y₂O₃和SiC颗粒，采用真空球磨制备，Y₂O₃的平均尺寸为60μm，SiC颗粒的平均尺寸为300μm，细粉与粗粉的体积分数比例为2：1，增强粒子的体积分数为40%，制备过程激光功率为1000W，光斑尺寸为6mm，扫描速度250mm/min，送粉速率为60g/min，顶部穿透层采用Y₂O₃增强的30CrMnSiA，Y₂O₃颗粒平均尺寸为150μm，体积分数为20%。战斗部应用激光增材制造一体制备，顶部与下部破片层冶金结合良好，顶部制备过程激光功率为2000W，光斑尺寸6mm，扫描速度400mm/min，送粉速度60g/min。成功制备了具备多尺度粒子强化的战斗部。试样破片层微观结构如图6所示。组织内分布着尺寸为200μm的SiC颗粒以及60μm的Y₂O₃颗粒，大尺寸增强粒子发生了部分分解，最终爆炸破坏后，大量尺寸约为280μm的破片释放。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种多尺度粒子复合增强战斗部，所述多尺度粒子复合增强战斗部包括穿透层和破片层，其特征在：所述破片层包括基体和分散在基体中的增强粒子，并且所述增强粒子的体积分数为15%~60%；所述增强粒子的尺度不同，分为粒径＞150μm的大尺寸增强粒子和粒径≤150μm的小尺寸增强粒子，并且所述大尺寸增强粒子和小尺寸增强粒子的体积分数比为1:1~1:2；

所述大尺寸增强粒子为高熔点金属颗粒和/或含能化合物颗粒，所述小尺寸增强粒子为高熔点金属颗粒和/或稀土氧化物；所述高熔点金属颗粒为W、Ta、Mo的至少一种；所述含能化合物颗粒为SiC、BN、TiC、WC、MgO的至少一种；所述稀土氧化物为Y₂O₃，CeO₂，La₂O₃的至少一种；

所述基体为钢、钛合金或含能高熵合金。

2.根据权利要求1所述的多尺度粒子复合增强战斗部，其特征在于，所述穿透层也包括基体和分散在基体中的增强粒子，所述增强粒子为粒径≤150μm的稀土氧化物，体积分数≤30%。

3.一种权利要求1-2任意一项所述多尺度粒子复合增强战斗部的增材制造方法，其特征在于：

1）将增强粒子粉末与基体粉末充分混合后装入送粉器；

2）启动激光器进行破片层的增材制造成形；

4.根据权利要求3所述的增材制造方法，其特征在于，所述增材制造的工艺参数为，激光功率800-3500W，光斑尺寸为6-8mm，扫描速度为200-500mm/min，送粉速率为30-80g/min。

5.根据权利要求3所述的增材制造方法，其特征在于，当增材制造穿透层时，所述增材制造的工艺参数为，激光功率1500-3500W，光斑尺寸为6-8mm，扫描速度为200-500mm/min，送粉速率为30-60g/min。

6.根据权利要求3所述的增材制造方法，其特征在于，当所述增强粒子粉末含有高熔点金属粉末时，所述增材制造的工艺参数为，激光功率800-1500W，光斑尺寸为6-8mm，扫描速度为200-400mm/min，送粉速率为50-80g/min。

7.根据权利要求3所述的增材制造方法，其特征在于，当所述增强粒子粉末含有含能化合物粉末时，所述增材制造的工艺参数为，激光功率800-1100W，光斑尺寸为6-8mm，扫描速度为200-300mm/min，送粉速率为50-80g/min。