Ni-Al粉末藥型罩侵徹特性研究

劉文赫，劉迎彬，吳育智，張超霞，張鑫慧，張 增

(1.中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 太原 030051； 2.山西江陽化工有限公司， 太原 030041)

1 引言

反應(yīng)結(jié)構(gòu)材料(energetic structural materials，ESM)是一種具有結(jié)構(gòu)和能量雙重功能的特殊材料，既可以作為結(jié)構(gòu)材料，也可以在被激發(fā)后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量，其已經(jīng)成為了一種非常重要的金屬基復(fù)合材料。這一材料在軍事領(lǐng)域具有很廣泛的用途，目前應(yīng)用于反應(yīng)破片(reactive fragment)和反應(yīng)藥型罩中。反應(yīng)材料用作藥型罩時，將傳統(tǒng)惰性藥型罩材料的動能侵徹效果和反應(yīng)藥型罩材料自身發(fā)生反應(yīng)時釋放的能量對靶板毀傷效果緊密結(jié)合在一起，對目標(biāo)可以實施更好的打擊，比惰性材料的侵徹效果更好。因此，反應(yīng)藥型罩的研究與開發(fā)對于現(xiàn)代武裝戰(zhàn)斗部的破甲能力提升具有重大的意義。近年來以Ni-Al、Fe-Al、Al-PTFE為代表的反應(yīng)材料成為了研究熱門。其中Ni-Al反應(yīng)材料由于在高速沖擊下可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并釋放與TNT相當(dāng)?shù)臒崃?，加上其理想的機械和物理性能以及高能量釋放能力，且Ni-Al復(fù)合材料具有低密度，高熔點和高強度重量比等優(yōu)點，成為了國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注和研究的重點之一。影響反應(yīng)材料的力學(xué)性能和侵徹性能有很多因素，如制作方法、粉末粒徑、顆粒形狀、反應(yīng)材料藥型罩錐角、壁厚和炸高等。Wei等在Ni-Al反應(yīng)材料中分別添加Cu和PTFE進行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗，對材料的力學(xué)性能進行了研究。張度寶等研究了Ni-Al金屬反應(yīng)材料的性能，制備了能量密度和強度俱佳的Ni-Al金屬反應(yīng)材料。郭煥果等用實驗和模擬的方法研究了Al-PTFE反應(yīng)藥型罩聚能射流侵徹厚鋼板，建立了反應(yīng)射流弛豫時間和侵徹深度的模型，分析表明隨著反應(yīng)射流的弛豫時間增加，侵徹深度有著顯著提高。喬良等對Al-W-PTFE進行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗，通過對比分析得到材料組分、顆粒級配關(guān)系對強度的影響規(guī)律，其中金屬材料顆粒粒徑級配關(guān)系是決定材料強度的關(guān)鍵，顆粒粒徑級配差異較大對材料強度有不利影響，但Al-PTFE反應(yīng)材料密度和強度較低，其應(yīng)用有所限制。孫淼等對比研究了Ni-Al和Cu-Ni-Al反應(yīng)藥型罩的侵徹性能并進行了微觀分析，實驗得出Cu-Ni-Al 反應(yīng)藥型罩穿深比Ni-Al反應(yīng)藥型罩增加了42%。張超霞等對比研究了Cu-Ni-Al和Cu反應(yīng)藥型罩的侵徹性能，Cu-Ni-Al 反應(yīng)射流的穿深與Cu射流相比明顯降低，但其平均入口孔徑提高了33.3%。黃炳瑜等設(shè)計了一種Al/NiCu雙層含能藥型罩，與CuCu雙層藥型罩相比，對鋼靶和混凝土靶的侵徹深度和侵徹體積都有顯著提高。但目前對不同粉末粒徑的Ni-Al反應(yīng)藥型罩的對比研究鮮有聽聞。

本文通過粉末冶金法制備了不同Ni粉粒徑的Ni-Al反應(yīng)材料藥型罩，在不同炸高下進行了靜破甲實驗，并用光學(xué)顯微鏡對不同粒徑的Ni-Al反應(yīng)材料藥型罩的毀傷性能進行了分析，為反應(yīng)材料藥型罩的研究提供了一定的參考和幫助。

2 實驗材料和方法

使用粉末冶金法制備藥型罩，結(jié)合靜破甲實驗對Ni-Al反應(yīng)材料藥型罩侵徹性能進行研究。

2.1 藥型罩制備

實驗所用藥型罩為Ni-Al反應(yīng)材料，制備材料粉末為：6 μm Ni粉末由南宮市鑫盾合金焊材噴涂有限公司提供，28 μm Ni粉末由雙贏合金材料有限公司提供，Al粉末由濟南康正鋁業(yè)有限公司提供，具體參數(shù)如表1所示。

表1 混合粉末參數(shù)

為使所用的藥型罩有良好的化學(xué)反應(yīng)性能，將不同尺寸Ni粉分別與Al粉按摩爾比1∶1混合，加入3‰的石墨和機油進行潤滑和粘結(jié)(表2)。把粉末放入YXQM系列行星式球磨機正反式運行，單向運行時間為1 min，球磨機轉(zhuǎn)速為180 r/min，混粉時間為20 min，將混合均勻的粉末放入真空干燥箱干燥24 h。

表2 Ni-Al反應(yīng)藥型罩參數(shù)

用模壓法制備Ni-Al粉末藥型罩，壓制壓力為16 MPa。所制得的藥型罩為錐形見圖1，錐角為47°，裝藥直徑和藥型罩直徑均為44 mm(表2)。

圖1 粉末藥型罩實物圖

2.2 侵徹實驗

實驗裝藥藥柱選取8701炸藥，裝藥密度為1.73 g/cm，靶材為45鋼靶板，靶板的具體參數(shù)見表3。采用電雷管起爆，1、2、3、4炸高為60 mm，5炸高為90 mm，6炸高為120 mm。實驗裝置如圖2所示，在相同的條件下進行侵徹實驗。

表3 45#鋼化學(xué)成分及含量

圖2 侵徹實驗裝置圖

在實驗后對射流的穿深和孔徑進行測量，并對實驗后靶板進行回收，用電火花切割機沿孔中心線進行切割，結(jié)果如圖3所示。對彈坑的頭部和尾部進行取樣，將樣品沿平行于侵徹方向進行打磨和拋光，并用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，制備試樣進行顯微觀測。

圖3 Ni-Al 反應(yīng)射流侵徹45#鋼截面圖

3 結(jié)果與分析

3.1 粒徑對Ni-Al反應(yīng)聚能射流毀傷結(jié)果與影響

1、2、3、4Ni-Al靜破甲實驗結(jié)果如表4所示。由表4可知，28 μm Ni粉粒徑的Ni-Al聚能射流比6 μm穿深增加了55%。為了進一步探究，將靶板壁坑頭部和尾部取樣，在100倍光學(xué)顯微鏡下進行觀測。圖4為鋼靶板孔壁頭部的顯微觀測照片。

表4 藥型罩侵徹深度和孔徑

(a)(b) 6 μm粒徑藥型罩; (c)(d) 28 μm粒徑藥型罩(100×)

如圖4所示，靶板組織形貌可分為：殘余射流區(qū)、白色區(qū)、變形區(qū)和基體組織區(qū)?；w組織由珠光體和鐵素體組成。聚能射流沖擊靶板會使靶板發(fā)生形變，在高應(yīng)變率下，靶板產(chǎn)生剪切帶，越高的應(yīng)變率或劇烈形變產(chǎn)生的剪切帶就越寬。當(dāng)聚能射流頭部的沖擊壓力越大，溫度升高就會越快，靶板孔壁頭部就更容易受到影響。溫度超過912 ℃時，基體組織區(qū)的鐵素體發(fā)生相變成為奧氏體，隨后射流能量耗盡，溫度迅速降低，奧氏體發(fā)生相變成為馬氏體。由于射流侵徹是微秒級，溫度迅速降低使奧氏體相變不完全，即奧氏體和馬氏體共存，產(chǎn)生白色區(qū)。如圖所示，Ni粉粒徑 28 μm時的殘余射流區(qū)、白色區(qū)要比Ni粉粒徑6 μm時寬。

圖5為AXIO光學(xué)顯微鏡放大50倍下靶板孔壁尾部的顯微觀測結(jié)果。

如圖5所示，2種粒徑侵徹靶板的孔壁尾部都沒有明顯的變形區(qū)。靶板孔壁尾部的白色區(qū)比頭部寬，分析認(rèn)為在侵徹過程中Ni-Al聚能射流發(fā)生反應(yīng)形成化合物時，釋放了大量的熱，導(dǎo)致尾部的白色區(qū)發(fā)生了嚴(yán)重的變形。Ni粉粒徑28 μm比Ni粉粒徑6 μm的白色區(qū)寬，這與靶板孔壁頭部的情況一致，說明前者釋放的能量要更多，擴孔效果更明顯，這也和實驗結(jié)果所吻合。

(a) 6 μm粒徑藥型罩; (b) 28 μm粒徑藥型罩(50×)

假設(shè)反應(yīng)射流在弛豫時間內(nèi)為惰性反應(yīng)射流，在弛豫時間后開始反應(yīng)，并在侵徹過程中忽略靶板強度，基于準(zhǔn)定常理想不可壓縮流體理論分析可得反應(yīng)材料藥型罩的侵徹性能與弛豫時間有很大的關(guān)系。由虛擬原點理論可得公式：

(1)

式(1)中：為射流侵徹深度，為炸高，(，)為虛擬原點的坐標(biāo)，為弛豫時間，為射流密度，為靶板密度。

由式(1)可知，當(dāng)實驗中為固定炸高時，Ni-Al反應(yīng)射流的侵徹深度與材料密度比和弛豫時間都有影響。

根據(jù)侵徹流體動力學(xué)理論，射流侵徹深度與射流長度和藥型罩材料密度的平方根成正比。由Hill-Mott-Pack公式：

(2)

式(2)中:為侵徹深度，為射流長度，為射流密度，為靶板密度。侵徹深度與射流長度、射流和靶板密度之比的平方根成正比。在裝藥結(jié)構(gòu)相同、藥型罩形狀基本不變的情況下，不同密度等質(zhì)量藥型罩的射流速度和長度基本相似。由表2可知，當(dāng)Ni粉粒徑不同時，Ni和Al等摩爾配比時所壓制成型的藥型罩密度不同，但其密度差距不大，當(dāng)射流長度與靶板密度一定時，將不同密度代入式(2)可發(fā)現(xiàn)侵徹深度的增加較小，與實際情況不符，故密度不是穿深增大的主要影響因素。而反應(yīng)材料的弛豫時間不僅受到?jīng)_擊壓力或爆轟動態(tài)載荷的影響，還與反應(yīng)材料的種類、配比、粒徑有很大關(guān)系。當(dāng)Ni粉粒徑為28 μm時，聚能射流的弛豫時間比粒徑為6 μm時要長，導(dǎo)致形成化合物的時間延后，即會增加擴孔。

粉末顆粒尺寸相近的金屬粉末不利于粒度級配，使藥型罩密度不均勻，金屬射流偏離軸線。相比于Ni粉粒徑6 μm，Ni粉粒徑28 μm與Al粉粒徑6 μm的粒度級配更佳，所得的藥型罩密度也會更均勻，孔隙度也會更小，射流密度和質(zhì)量也會更好。同時，Ni粉粒徑過小也會使侵徹過程中粒子飛散，6μmNi粉粒徑所形成的射流比28 μm Ni粉粒徑所形成的射流更容易斷裂，造成穿深降低，這與文獻[21]中的結(jié)論相吻合。

3.2 炸高對Ni-Al反應(yīng)聚能射流毀傷結(jié)果的影響

相同情況下的Ni-Al反應(yīng)材料藥型罩分別在炸高為 60 mm、90 mm、120 mm進行靜破甲實驗，結(jié)果如表5所示。

表5 藥型罩侵徹深度和孔徑(mm)

分析認(rèn)為炸高為60 mm時，在小炸高下反應(yīng)材料藥型罩形成的聚能射流沒有拉伸完全，不能發(fā)揮全部的侵徹能力，導(dǎo)致穿深不足。當(dāng)炸高為90 mm時，炸高高度增加，反應(yīng)材料藥型罩所形成的聚能射流繼續(xù)拉長，使聚能射流充分發(fā)揮侵徹能力。當(dāng)炸高為120 mm時，由于炸高過大，聚能射流碰靶的時間過長。而Ni-Al聚能射流本質(zhì)上是聚能粒子流，導(dǎo)致反應(yīng)材料藥型罩形成的聚能射流伸長完全后徑向分散，繼續(xù)伸長導(dǎo)致射流不穩(wěn)定甚至“斷裂”，同樣對其發(fā)揮全部的侵徹能力受限。且炸高過大時，聚能射流弛豫時間里的侵徹時間減少，使侵徹能力下降。而孔徑隨著炸高的升高先增大后減小，這是因為相同材料配比的聚能射流弛豫時間相同，在一定范圍內(nèi)炸高增大時，Ni-Al聚能射流轉(zhuǎn)化成化合物的時間就越靠近侵徹靶板前期，使擴孔孔徑隨之增大；而炸高過大時，射流在侵徹靶板前就轉(zhuǎn)化成化合物，能量提前釋放，使擴孔孔徑隨之減小。因此，要想使Ni-Al反應(yīng)材料藥型罩的侵徹性能提升，不僅要考慮藥型罩材料配比和粒徑配級等，還需要考慮彈靶作用條件，使射流充分發(fā)揮動能和化學(xué)能。

4 結(jié)論

1) Ni粉粒徑為6 μm和28 μm的Ni-Al反應(yīng)藥型罩對45鋼靶板的平均穿深分別為76 mm和118 mm。相比于Ni粉粒徑6 μm，Ni粉粒徑28 μm的反應(yīng)藥型罩的穿深提高了55%。

2) 粒徑會影響Ni-Al反應(yīng)射流的弛豫時間，在Ni粉粒徑為28 μm時會延長反應(yīng)射流的弛豫時間，能夠有效提高穿深。通過改變Ni-Al反應(yīng)藥型罩里Ni的粉末粒徑可以有效提高藥型罩的侵徹性能。

3) 炸高為60 mm、90 mm和120 mm時Ni-Al反應(yīng)藥型罩的穿深分別為78 mm、120 mm和60 mm。相比于60 mm和120 mm炸高，90 mm炸高時Ni-Al反應(yīng)藥型罩侵徹性能提高了54%和100%。隨著炸高的增大，Ni-Al反應(yīng)藥型罩的侵徹性能先增大后減小，90 mm為最佳炸高，通過改變炸高可以有效的提高藥型罩的侵徹性能。