摘要 采用热等静压和常规烧结技术制备W合金珠/TC4合金模拟弹。对比研究了两种弹体的致密度、W合金珠排列方式对模拟弹静爆条件下破片穿靶特征的影响规律。结果表明：热等静压态制备的W合金珠/TC4复合材料弹体整体界面结合紧密且致密度高，W合金珠破片排列均匀，具有良好的穿甲特性。

　　关键词 热等静压;常规烧结;破片;弹体

　　钨合金由于其具有高密度、高强度等特点，一直是穿甲弹的主要材料[2～3]。但为了增加战斗部的装药量，加强毁伤能力，也可以采用密度小，比强度高的高强钛合金制成。如美国的“斯拉姆”增强响应型远程空地导弹AGM-84H、“战斧”Ⅲ型巡航导弹、“尾刺”Stinger导弹等都使用了钛合金作为战斗部壳体[4～6]。钛钨复合材料由钨合金珠破片与高燃烧热值的钛合金材料复合而成，不仅保持了W合金珠的强穿甲能力，而且提高了战斗部的杀伤威力，如引入燃烧元素(锆、钛、稀土等)，可增加战斗部的纵火燃烧效果[1]，在防空领域具有广泛的应用前景。

　　本文对比研究了热等静压态和常规烧结态W合金珠/Ti粉/TC4合金复合体两种模拟弹在静爆条件下弹体的致密度对破片破碎率、穿甲能力以及破片分布状态对穿靶规律性的影响。旨在为该类新型复合材料在各种弹体战斗部上应用的可能性提供一定的实验依据。

　　1试验材料和方法

　　1.1 试验材料

　　试验选用TC4合金作壳体，装填破片W合金珠及Ti粉。实验用原材料的基本性能见表1。

　　表1 原材料的基本性能

　　Table 1 Properties of the raw materials

　　名称

　　密度

　　Rm/MPa

　　A5.65/%

　　压溃收缩/%

　　备注

　　TC4

　　4.45

　　950

　　8-10

　　-

　　Ti-6Al-4V

　　W珠

　　17.94

　　-

　　-

　　37-39(45KN)

　　GJB3793-1999

　　Ti粉

　　粒度：300目，纯度：99%

　　1.2 试验方法

　　静爆试验主要考核钨合金珠在爆轰驱动下从钛钨复合体中分离出来的均匀性和完整性。静爆试验在爆炸坑中进行，模拟弹静爆穿靶试验装置见图1。统计分析未穿靶的W合金珠破片数量、形状分布和钢靶的穿透数量、形状分布，分析破片的完整性和穿靶规律。采用排水法测量试样密度;在9MeV工业CT(ICT)上观察复合体中破片分布状况;采用Sirion-2000型场发射电子显微镜(SEM)和金相分析观察复合界面形貌及组织。

　　Fig. 1 Test setting for penetration

　　图1 穿靶试验装置图

　　2 结果及讨论

　　2.1 实验结果

　　分别采用常规烧结和热等静压复合技术制备模拟弹和复合体陪衬样，其状态及基本物性见表2。

　　表2 模拟弹和陪衬样状态及基本物性参数

　　Table 2 Physics parameters of projectiles and accompaniment samples

　　名称

　　状态

　　物性参数

　　制备方式

　　结构

　　规格

　　相对密度/%

　　模拟弹Ⅰ

　　常规烧结

　　TC4/Ti粉/φ5W珠2000颗

　　φ外110×φ内95×H:180

　　93.30

　　陪衬样Ⅰ

　　常规烧结

　　TC4/Ti粉/φ5.0W珠300颗

　　φ外74×φ内60×H:61

　　93.24

　　模拟弹Ⅱ

　　热等静压

　　TC4/Ti粉/φ7.2W珠130颗

　　φ外74×φ内58×H38

　　99.98

　　陪衬样Ⅱ

　　热等静压

　　TC4/Ti粉/φ7.2W珠30颗

　　φ外25×φ内4×H 36

　　99.94

　　2.2 讨论分析

　　2.2.1 弹体致密度对破片破碎率及穿甲能力的影响

　　常规烧结态模拟弹采用W合金珠与Ti粉压制成型后与TC4壳体烧结而成，采用金相分析观察烧结态弹体的整体和微区界面特征(陪衬样Ⅰ)，见图2，从图中可见， Ti粉烧结体及其与W合金珠界面存在大量空隙和裂纹，仅有少量界面结合紧密。原因主要为粉体与金属块体间存在形状匹配及热膨胀系数差异所导致。图3为常规烧结态模拟弹Ⅰ对1m处8mm厚Q235钢靶的毁伤照片。图4为破片回收照片。图中显示，破片击痕数目为405个，但没有一个透孔，且破片分布杂乱。统计计算回收破片中破碎的破片比例达90%以上,钨合金珠的破碎率高。弹体在爆轰波驱动作用下，波在空隙和裂纹处回反射，W合金珠与TC4壳体及Ti烧结体基体分离时处于拉伸状态，造成W合金珠的破碎。此外，弹体致密度不足(相对密度：93.3%)，造成弹体在爆轰驱动下膨胀不充分，未达到最佳膨胀速度，炸药能量利用率低，损失了破片驱动动能，引起破片穿甲能力大幅降低。

　　图3 模拟弹Ⅰ对钢靶的毁伤照片

　　图4 破片回收照片

　　Fig.4 Picture of recyle fragment

　　Fig.3 Picture of steel targets pentrated by fragment of projectiles Ⅰ

　　图2 模拟弹Ⅰ界面金相形貌

　　Fig.2Metallography micrograph of projectilesⅠinterface

　　图5为热等静压态TC4/Ti/W珠复合弹体界面SEM形貌(陪衬样Ⅱ)，从图中可见，薄层Ti烧结体致密，与W合金珠和TC4壳体界面结合紧密，未发现缺陷。热等静压态模拟弹利用TC4合金壳体与W合金珠的高温力学性能差异[7]，在高温高压下通过对TC4合金壳体均匀压缩形变来紧密包裹W合金珠破片，同时快速的加压烧结有利于填充Ti粉的致密化。图6为热等静压态模拟弹Ⅱ静爆试验后钨合金珠破片完整性照片。从未穿透镶嵌在钢靶上的钨合金珠形状和穿透钢板的穿孔形状及大小来看，钨合金珠破片能从钛钨合金复合壳体中分离,并保持了非常好的完整性。模拟弹整体致密，接近理论密度，弹体结构阻抗匹配，炸药能量得到充分利用，无爆轰回波对W合金珠破片的损伤，因此，热等静压态弹体中W合金珠破片在爆轰驱动下具有良好的穿甲能力并保持了非常好的完整性。

　　图6 钨合金珠破片完整性照片

　　Fig.5 Picture of fragments integrality

　　图5 模拟弹Ⅱ界面SEM形貌

　　Fig. 4 SEM micrograph of projectiles Ⅱ interface

　　2.2.2 破片排列方式对穿靶规律性的影响

　　常规烧结态模拟弹中W合金珠破片处于自由堆积状态，弹体静爆试验后，W合金珠破片击中目标靶分布杂乱。热等静压态模拟弹可在TC4合金壳体中预先定向排列W合金珠破片，图7为模拟弹Ⅱ中的W合金珠破片分布的ICT图像，从图中可见，复合体中破片圆周向及纵向分布均匀。图8为热等静压态模拟弹Ⅱ对2m处8mm厚Q235钢靶的毁伤照片。除了由于两侧稀疏造成破片飞散外，钢靶上共接收到4列钨合金珠破片，其中,钢板上行破片由于稀疏造成速度下降而未能穿透钢板。中间3行3列钨合金珠破片全部穿透钢板，穿孔尺寸为Φ9mm，而且穿孔行间距均为95mm，穿孔列间距离为390mm和380mm，仅相差10mm。弹体静爆试验表明，W合金珠破片飞散均匀，穿靶规律性显著。由此推断，破片穿靶规律性主要取决于其排列分布状态。

　　图8 模拟弹Ⅱ中钨合金珠破片穿靶照片

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