溫度對RDX基PBX壓制成型內部質量的影響

呂珂臻, 韓 超, 高鐵榜, 陳學平, 馮立羊, 朱興虎, 蘭 瓊

(中國工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽 621999)

1 引 言

壓裝型黑索今(RDX)基高聚物黏結炸藥(PBX)傳爆藥柱是一種晶體顆粒高度填充的非均質多相高分子復合材料,因為其能量高、安全和力學性能好被應用于各種尖端和常規(guī)武器中[1-2]。武器用猛炸藥密度要求在其理論密度的98%左右,而RDX基PBX傳爆藥一般要求密度為理論密度的90%～92%[1],因而如何控制RDX基PBX傳爆藥柱特別是長徑比較大傳爆藥柱的內部質量,減少傳爆藥柱的內部裂紋和缺陷成為研究的難點。

國內外關于溫度對材料損傷裂紋的形成、演化的理論和實驗方面的研究相對廣泛和深入,并取得了一些新的研究成果,但是對于RDX基PBX,特別是長徑比較大的壓裝成型PBX材料則相對較少。陳鵬萬[3-4]等從細觀力學的角度研究了PBX材料的力學行為和變形破壞機理,認為PBX材料最主要的破壞機理是界面脫粘和黏結劑的成穴失效。龐海燕等[5-7]研究了溫度對模壓法壓制PBX的密度和壓縮強度的影響,觀察到常溫壓制的藥柱的密度和壓縮強度明顯低于高溫壓制的,分析認為高溫使造型粉的黏結體系軟化,降低了造型粉間的摩擦,從而降低應力梯度。田勇等[8]研究了PBX材料的熱沖擊和溫度循環(huán)損傷,實驗觀察到了PBX產生損傷并逐漸積累擴展及至最后破壞的過程。梁華瓊等[9-10]對RDX基PBX壓制過程損傷形成進行研究,認為采取分段保壓和控制降溫速率的方法可有效抑制炸藥件內部損傷,同時證實選擇適當?shù)酿そY劑對提高RDX基PBX壓制件的成型性能具有重要作用。但是目前關于RDX基PBX傳爆藥柱生產和存儲等過程前后溫度對藥柱內部質量特別是大長徑比藥柱內部質量的影響尚缺少系統(tǒng)研究。

本研究以RDX基PBX為研究對象,利用不同的模壓工藝壓制炸藥,結合X射線、超聲及密度檢測等手段,探討了壓制溫度、降溫速率和升溫速率對較大長徑比RDX基PBX傳爆藥柱的內部質量影響。

2 實驗

2.1 材料和儀器

RDX基PBX造型粉由化工材料研究所提供,組成為RDX/高分子黏結劑(95/5)。

工業(yè)X射線系統(tǒng), INSTRON-5582型材料試驗機, PM1200型電子天平; CTS-36型全數(shù)字超聲檢測儀, HGY-600F電熱油浴恒溫箱,MG452 X射線機。

2.2 實驗條件

(1)壓制溫度實驗: 采用表1的條件在材料試驗機上壓制Φ60mm×60mm的炸藥柱,并讓藥柱自然冷卻,每組做三發(fā)平行實驗。

表1 RDX基PBX壓制成型條件

Table 1 Pressing condition of RDX-based PBX

methodpressure／ＭＰatemperature／℃time／minⅠ15015120Ⅱ15080120

(2)降溫速率實驗: 采用工藝Ⅱ壓制藥柱,在降溫速率從5 ℃·h-1到20 ℃·h-1的條件下研究其對藥柱內部質量的影響,每組做三發(fā)平行實驗。

(3)溫度沖擊實驗: 采用工藝Ⅱ,并且降溫速率控制為5 ℃·h-1壓制藥柱,在升溫速率從5 ℃·h-1到30 ℃·h-1的條件下研究其對藥柱內部質量的影響,每組做三發(fā)平行實驗。

2.3 性能測試

(1)密度測試: 采用排水法在20 ℃的蒸餾水下測試藥柱的密度,測量前將炸藥柱放置于20 ℃的恒溫間24 h,待達到充分的熱平衡后開始測試。

(2)X射線性能檢測: 測試方法參照GJB59 3.2-1988,采用X射線機對壓制成型的藥柱內部雜質和裂紋進行探傷檢測,測試的工作電壓450 kV,工作電流150 mA。

(3)超聲性能檢測: 測試方法參照GJB59 3.1-1988,采用超聲探頭型號123M33,探頭頻率2.5 MHz,晶片尺寸Φ10mm,耦合劑為水,耦合面為試樣端面。

3 結果與分析

3.1 壓制溫度對藥柱成型內部質量的影響

實驗采用不同壓制溫度壓制Φ60 mm×60 mm RDX基PBX藥柱,采用的工藝條件見表2，實驗結果如圖1所示。

圖1 PBX-4a藥柱超聲檢測波形(檢測波形顯示內部裂紋)

Fig.1 Ultrasonic detection wave of PBX-4a specimens with inner cracks

表2 不同壓制溫度下成型PBX炸藥件密度及成型質量

Table 2 Density and quality of RDX-based PBX specimens pressed at different pressing temperature

samplepressingmethoddensity／g·cm－3crackresultsＰＢＸ?1aⅠ1．668ＰＢＸ?2aⅠ1．665ＰＢＸ?3aⅠ1．662samplessurfacegoodandultrasonicdetec?tionshowingnocrackdropblocksandfracturesinthemachingＰＢＸ?4aⅡ1．698ＰＢＸ?5aⅡ1．702ＰＢＸ?6aⅡ1．703samplesappearancegoodbutultrasonicdetectionofＰＢＸ?4ashowingcracknoblocksandfracturesinthemaching

從表2可以看出,采用方法Ⅰ壓制的PBX-1a,PBX-2a,PBX-3a藥柱表面狀況良好無裂紋,經(jīng)超聲探傷內部無裂紋,但是在加工過程中出現(xiàn)了藥柱掉塊、分層,表明藥柱力學性能差,無法加工成型。采用方法Ⅱ壓制的PBX-4a,PBX-5a和PBX-6a藥柱相比常溫壓制的藥柱內部質量有了明顯改善,表面無肉眼可見裂紋,進行加工處理未出現(xiàn)藥柱掉快、分層現(xiàn)象。但經(jīng)超聲探傷PBX-4a藥柱內部在探深為31.2 mm處有橫向裂紋(圖1),說明提高壓制溫度可以改善較大長徑比炸藥柱的加工性能,而藥柱內部出現(xiàn)的內部橫向裂紋主要是由于藥柱成型的環(huán)境溫度較低(15 ℃),而炸藥造型粉溫度為80 ℃,溫差較大,在自然冷卻過程中由于降溫過快,產生的藥柱熱應力超過RDX基PBX材料的強度極限而產生了內部裂紋。

同時,由表2可知,高溫(方法Ⅱ，80 ℃)壓制的PBX-4a,PBX-5a,PBX-6a藥柱密度比常溫壓制的藥柱密度高3.0%左右,主要是由于高溫有利于PBX黏結體系的軟化[5],減少成型過程中的內摩擦,從而降低PBX在成型過程中壓力梯度,提高藥柱密度。

3.2 降溫速率對藥柱成型內部質量的影響

實驗采用不同的保溫措施,將壓制后的Φ60 mm×60 mm RDX基PBX藥柱放置于恒溫箱內,通過不同降溫速率使藥柱冷卻至室溫,再將其取出后退模。實驗條件與結果見表3與圖2。從圖2可以看出,Φ60 mm×60 mm藥柱裂紋隨降溫速率的減小和冷卻溫度的提高而減少。降溫速率為20 ℃·h-1的PBX-1b,PBX-2b,PBX-3b三發(fā)藥柱在壓制保壓和冷卻過程中未采取任何保溫措施,經(jīng)X射線檢測內部均有橫向裂紋,而降溫速率為20 ℃·h-1的PBX-4b,PBX-5b,PBX-6b號藥柱在壓制保壓和冷卻的過程中,通過采取保溫措施,使藥柱的冷卻溫度提高到45 ℃,與PBX-1b,PBX-2b和PBX-3b號藥柱相比,性能有一定改善,表面無肉眼可見裂紋,但是其內部經(jīng)X光檢測有兩發(fā)藥柱存在橫向裂紋,說明PBX-4b,PBX-6b炸藥柱應力還未釋放完全,但與PBX-1b,PBX-2b和PBX-3b號藥柱相比有所減小。主要原因可能是藥柱成型的環(huán)境溫度較低,只有15 ℃,而炸藥造型粉有80 ℃,溫差較大,并且造型粉溫度降得過快,致使藥柱在壓制過程中內部產生了較大熱應力,退模后,由于熱應力超過了藥柱軸向抗拉強度,導致藥柱內部產生了橫向裂紋。

而對PBX-7b,PBX-8b,PBX-9b號藥柱在壓制保壓和冷卻的過程中,除在壓制過程采取保溫措施,還控制降溫速率為5 ℃·h-1,與之前藥柱相比,藥柱表面狀況有所改善,經(jīng)X光檢測藥柱內部無裂紋,說明提高冷卻溫度和降低降溫速率有利于減少藥柱內部應力和藥柱裂紋缺陷,從而改善了藥柱成型質量。

圖2Φ60 mm×60 mm的RDX基PBX藥柱X射線圖

Fig.2 X-ray photographs of different RDX-based PBX speciment withΦ60 mm×60 mm

表3 不同降溫速率下成型的RDX基PBX炸藥件質量

Table 3 Quality of RDX-based PBX specimens pressed at different cooling rate

samplepressingmethodheatpreservationtemperature／℃coolingrate／℃·h－1resultsＰＢＸ?1bＰＢＸ?2bＰＢＸ?3bⅡno2520samplessurfacegoodbutＸ?raydetectionshowingcrackＰＢＸ?4bＰＢＸ?5bＰＢＸ?6bⅡyes4520samplessurfacegoodbutＸ?raydetectionofＰＢＸ?4bandＰＢＸ?6bshow?ingcrackＰＢＸ?7bＰＢＸ?8bＰＢＸ?9bⅡyes455Ｘ?raydetectshowingnocrack

3.3 升溫速率對藥柱成型內部質量的影響

藥柱在使用、運輸、庫存期間常受到一定溫度沖擊,實驗未采用均勻溫度梯度,僅研究了關心的幾個升溫速率對壓制藥柱內部裂紋的影響。實驗藥柱經(jīng)過超聲檢測均無裂紋,熱沖擊實驗采用的工藝條件和實驗結果列于表4和圖3。從表4和圖3可以看出,以升溫速率為5 ℃·h-1加熱至75 ℃,保溫20 min后以自然降溫的PBX-5c(5#)藥柱表面質量良好,經(jīng)過超聲檢測,藥柱內部質量良好,內部無縱橫交錯的裂紋。而在升溫速率分別為10，15,20 ℃·h-1的PBX-1c(1#)、PBX-2c(2#)、PBX-3c(3#),其它同樣處理的三發(fā)藥柱有肉眼可見橫向細裂紋,并且隨著升溫速率的增加,裂紋由于寬度增加而變得更明顯。以升溫速率為30 ℃·h-1加熱至75 ℃,保溫20 min后以自然降溫的PBX-4c(4#)藥柱中部位置出現(xiàn)了一條明顯的宏觀橫向貫穿裂紋導致藥柱斷裂。主要原因可能是由于在高溫熱沖擊作用下,樣品內部的熱應力增加,引起試樣內部初始裂紋損傷進一步擴展、匯集及貫穿而形成宏觀裂紋,同時宏觀裂紋的端部又因應力集中而出現(xiàn)新的裂紋,如此不斷反復,使得藥柱最終發(fā)生斷裂。

圖3 不同升溫速率沖擊下的RDX基PBX壓制藥柱

Fig.3 RDX-based PBX speciment pressed at different heating rate

表4 不同升溫速率下成型的RDX基PBX炸藥件質量

Table 4 Quality of pressed RDX-based PBX specimens at different heating rates

sampleheatingrate／℃·h－1heatpreservationtime／minhighesttemperature／℃resultsＰＢＸ?1c（1＃）102075afinecrackinsam?plessurfaceＰＢＸ?2c（2＃）152075afinecrackinsam?plessurfaceＰＢＸ?3c（3＃）202075afinecrackinsam?plessurfaceＰＢＸ?4c（4＃）302075opentransversecracksinsamplesＰＢＸ?5c（5＃）52075samplessurfacegoodandultrasonicdetectionshowingnocrack

4 結 論

(1) 提高壓制溫度可以改善大長徑比RDX基PBX藥柱的加工力學性能。實驗壓制的Φ60 mm×60 mm RDX基PBX藥柱的溫度從15 ℃提高到80 ℃后,藥柱在加工過程中未出現(xiàn)掉塊、分層現(xiàn)象,藥柱力學性能得到提高,加工性能得到改善。

(2) 降溫速率過快是形成較大長徑比RDX基PBX藥柱內部質量缺陷的關鍵影響因素之一。在實驗降溫速率大于5 ℃·h-1,冷卻溫度低于45 ℃后,Φ60 mm×60 mm RDX基PBX藥柱容易形成內部裂紋,因此提高冷卻溫度和降低成型后藥柱的降溫速率可以減少藥柱內部裂紋缺陷,改善藥柱質量。

(3)升溫速率大于5 ℃·h-1容易造成大長徑比RDX基PBX藥柱內部形成新的裂紋缺陷,甚至造成藥柱直接斷裂,為保證藥柱在運輸、存儲過程中產品質量,應避免藥柱受到大的熱沖擊而形成新的裂紋損傷缺陷。

致謝: 對楊占鋒在超聲檢測方面的工作及徐程洪、張在新在壓制實驗方面的工作,在此一并表示感謝！

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