劉峻豪，李文彬，張 慶，宋 平，黃聲野，郭學(xué)佳

(1.南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 南京 210094；2.中國(guó)兵器裝備研究院3D打印技術(shù)研究中心，北京 102209)

目前對(duì)異形藥型罩以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的周向MEFP戰(zhàn)斗部殼體加工而言，難以利用傳統(tǒng)的加工方式加工，同時(shí)傳統(tǒng)的藥型罩加工方法存在加工周期長(zhǎng)、工序復(fù)雜并且材料利用率低的問(wèn)題[1]。而3D打印技術(shù)可以不使用傳統(tǒng)的刀具、夾具制造出任意形狀的零件，這為異形藥型罩以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的周向MEFP戰(zhàn)斗部殼體的制備問(wèn)題提出了一種新的解決方案。同時(shí)3D打印技術(shù)具有材料利用率高、制備周期短等優(yōu)點(diǎn)，這也使得3D打印技術(shù)在聚能戰(zhàn)斗部領(lǐng)域有著較為廣闊的應(yīng)用前景。但紫銅作為目前應(yīng)用最為廣泛的藥型罩材料卻因?yàn)榉垂饴蚀?，熱?dǎo)率高等問(wèn)題而難以打印，為此需要尋求一種既能夠形成能穩(wěn)定飛行的EFP毀傷元，又能夠利用3D打印技術(shù)快速成型的材料及其打印工藝。

目前國(guó)內(nèi)外較為成熟的金屬材料3D打印技術(shù)主要有激光選區(qū)熔化成形技術(shù)(SLM)、激光立體成形技術(shù)(LSF)、電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)(EBSM)等。其中SLM技術(shù)由于具有制造周期短、成本低、應(yīng)用范圍廣、所制備的構(gòu)件性能優(yōu)良、制備過(guò)程無(wú)需模具以及可直接制備形狀復(fù)雜的構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，得到了國(guó)內(nèi)外研究人員及機(jī)構(gòu)大量的研究。如美國(guó)的ATK公司采用SLM技術(shù)試制了異性高超音速戰(zhàn)斗部并對(duì)其進(jìn)行了靜爆實(shí)驗(yàn)；國(guó)內(nèi)的郭美紅[4]研究了SLM加工技術(shù)在預(yù)控破片戰(zhàn)斗部上的應(yīng)用，研究結(jié)果表明：SLM技術(shù)可以應(yīng)用于加工預(yù)控破片戰(zhàn)斗部殼體，而且利用SLM技術(shù)加工得到的預(yù)控破片戰(zhàn)斗部殼體的預(yù)控破碎效果優(yōu)于傳統(tǒng)加工技術(shù)加工得到的殼體；肖磊等[5]研究了基于SLM技術(shù)制備納米奧克托今與梯恩梯熔鑄炸藥的性能，研究結(jié)果表明：SLM成型的藥柱與傳統(tǒng)熔鑄炸藥相比，結(jié)構(gòu)更密實(shí)同時(shí)抗壓強(qiáng)度及爆速均有所提高。

基于此，本文采用SLM技術(shù)制備了316L不銹鋼藥型罩，通過(guò)X光成型及侵徹試驗(yàn)，研究了不同SLM成型工藝對(duì)EFP成型性能和侵徹威力的影響，研究結(jié)果可為SLM 技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)EFP或MEFP藥型罩的制備研究奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 藥型罩結(jié)構(gòu)及材料

試驗(yàn)中使用的藥型罩結(jié)構(gòu)如圖1，采用弧錐結(jié)合結(jié)構(gòu)，錐角α為140°，球缺部分半徑r1及r2為28 mm，藥型罩直徑D為38 mm。

圖1 藥型罩結(jié)構(gòu)示意圖

打印藥型罩所使用的316L不銹鋼的金屬粉末化學(xué)成分如表1所示，其粉末粒度為15～53 μm。

表1 316L不銹鋼化學(xué)成分

1.2 藥型罩SLM打印成型方法及工藝

激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective Laser Melting，SLM)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的激光增材制造技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)專(zhuān)用軟件對(duì)零件三維數(shù)模進(jìn)行切片分層，獲得各截面的輪廓數(shù)據(jù)后，利用大功率激光束根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)將金屬粉末完全熔化后凝固堆積成形。成形件組織致密，力學(xué)性能達(dá)到或接近鍛件水平。具體打印原理如圖2所示。

圖2 激光選區(qū)熔化成型原理示意圖

圖3為藥型罩制備時(shí)打印方向示意圖，箭頭所指方向?yàn)榧す鈷呙璺较?。成型過(guò)程中選擇的工藝參數(shù)為：掃描速率1 000 mm/s；激光功率220 W；分層厚度20 μm；激光光斑尺寸80 μm。

圖3 SLM成形藥型罩打印方向示意圖

1.3 SLM成型藥型罩形態(tài)及加工方法

圖4為沿縱向和橫向兩種方向生長(zhǎng)的藥型罩毛坯。

圖4 SLM技術(shù)制備的藥型罩毛坯

為了防止打印完成的毛坯因內(nèi)部的殘余應(yīng)力而導(dǎo)致開(kāi)裂，精加工之前，需要將毛坯先升溫至400 ℃保溫1 h進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火完成后再對(duì)藥型罩表面進(jìn)行精加工。最終得到的藥型罩如圖5所示。

圖5 經(jīng)過(guò)車(chē)削加工后得到的藥型罩

1.4 裝藥結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)中使用的戰(zhàn)斗部的裝藥口徑Dk為40 mm，裝藥高度H為32 mm，長(zhǎng)徑比為0.8。采用壓裝聚黑-2炸藥，其密度為1.68 g/cm3，裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖6。

圖6 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

利用SLM成型工藝制備得到的藥型罩壓制得到的戰(zhàn)斗部如圖7。

圖7 試驗(yàn)中使用的EFP戰(zhàn)斗部

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同打印方向?qū)Τ尚图W(xué)性能的影響

縱向生長(zhǎng)和橫向生長(zhǎng)的316L不銹鋼成型件的基本性能如表2所示。由表可以看出，縱向生長(zhǎng)制備的316L不銹鋼成型件的抗拉強(qiáng)度較橫向生長(zhǎng)制備的316L不銹鋼成型件的抗拉強(qiáng)度低，但是縱向生長(zhǎng)制備的316L不銹鋼成型件的斷后伸長(zhǎng)率更高。

表2 316L不銹鋼成型件的基本性能參數(shù)

2.2 SLM成型藥型罩形成EFP毀傷元的脈沖X光試驗(yàn)

為驗(yàn)證藥型罩的成型情況，利用脈沖X光攝像機(jī)拍攝裝藥起爆后50 μs時(shí)刻EFP毀傷元的成型情況，利用在EFP飛行路徑上的PCB靶，對(duì)EFP的飛行速度進(jìn)行測(cè)量，兩靶間距500 mm。

圖8分別為50 μs時(shí)刻縱向生長(zhǎng)制備的藥型罩和橫向生長(zhǎng)制備的藥型罩形成的毀傷元成型的X光照片。從毀傷元形態(tài)上看：SLM成型316L不銹鋼藥型罩可以形成EFP毀傷元，但是由于不銹鋼成型件在高應(yīng)變率下韌性較差，兩種生長(zhǎng)方式制備的藥型罩在50 μs時(shí)刻均出現(xiàn)了不同程度的斷裂。同時(shí)可以看出，采用縱向生長(zhǎng)方式制備的藥型罩在50 μs時(shí)刻基本保持完整，僅在毀傷元頭部發(fā)生輕微破碎，而采用橫向生長(zhǎng)方式制備的藥型罩在50μs時(shí)刻其毀傷元尾部已經(jīng)明顯破碎。這是由于通過(guò)SLM技術(shù)制備出的成型件因其生長(zhǎng)方向的不同，而具有較為明顯的各向異性，縱向生長(zhǎng)制備得到的藥型罩在炸藥的加載方向上的塑性較橫向生長(zhǎng)制備的到的藥型罩在該方向上的塑性好，在炸藥爆轟壓力的加載下，縱向生長(zhǎng)制備得到的藥型罩的成型情況要優(yōu)于橫向生長(zhǎng)制備得到的藥型罩。

圖8 316L不銹鋼藥型罩在50 μs時(shí)刻毀傷元成型情況

由于本次試驗(yàn)所選用的藥型罩結(jié)構(gòu)是以銅材料為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化得到的，其結(jié)構(gòu)可能對(duì)于SLM成型316L不銹鋼來(lái)說(shuō)匹配性較差，未來(lái)在制備用于周向MEFP戰(zhàn)斗部中的藥型罩時(shí)，需要進(jìn)一步對(duì)藥型罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高藥型罩結(jié)構(gòu)與材料的匹配關(guān)系改善毀傷元的成型性能。

表3為兩種生長(zhǎng)方向制備的藥型罩形成的EFP毀傷元的成型參數(shù)。從毀傷元速度上看，兩種打印方向制備的316L不銹鋼藥型罩形成的EFP飛行速度基本一致；橫向生長(zhǎng)制備的藥型罩形成的EFP毀傷元的長(zhǎng)徑比較縱向生長(zhǎng)制備的藥型罩形成的EFP毀傷元的長(zhǎng)徑比大61.48%，這主要是因?yàn)橄嗤瑫r(shí)刻，橫向生長(zhǎng)制備的藥型罩形成的EFP毀傷元發(fā)生了斷裂，但是其頭部與尾部沒(méi)有完全分離。

表3 兩種生長(zhǎng)方向的藥型罩形成的EFP的成型參數(shù)

2.3 SLM成型藥型罩形成的EFP毀傷元的侵徹試驗(yàn)

為驗(yàn)證SLM成型藥型罩形成的EFP的侵徹能力，在進(jìn)行脈沖X光試驗(yàn)的同時(shí)在炸高筒底部放置一塊直徑160 mm，厚度為50 mm的45#鋼鋼錠，對(duì)SLM成型不銹鋼藥型罩的侵徹威力進(jìn)行驗(yàn)證，兩種生長(zhǎng)方向制備得到的藥型罩形成的EFP侵徹鋼靶的著靶形態(tài)如圖9所示，相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。由圖9及表4可以看出，采用縱向生長(zhǎng)得到的藥型罩形成的EFP在著靶前斷裂為兩段，在靶板上形成兩個(gè)開(kāi)孔，這兩個(gè)開(kāi)孔中侵徹深度最大的孔深度為13.2 mm。而橫向生長(zhǎng)得到的藥型罩在25倍炸高下已經(jīng)完全破碎，侵徹靶表面有八個(gè)深淺不一的開(kāi)孔，這八個(gè)開(kāi)孔中侵徹深度最大的孔深度為10.9 mm?？v向生長(zhǎng)得到的藥型罩形成的EFP的侵徹深度較橫向生長(zhǎng)得到的藥型罩形成的EFP的侵徹深度提高了21.1%。這主要是由于在飛行過(guò)程中橫向生長(zhǎng)制備的藥型罩形成的EFP毀傷元相對(duì)與縱向生長(zhǎng)制備的藥型罩形成的EFP毀傷元發(fā)生了更為嚴(yán)重的破碎，不利于EFP的侵徹。由此可以看出生長(zhǎng)方向?yàn)榭v向的打印工藝更適合被應(yīng)用于EFP藥型罩的制備中。

圖9 兩種生長(zhǎng)方向的藥型罩侵徹鋼錠著靶形態(tài)

表4 兩種藥型罩形成的EFP毀傷元侵徹結(jié)果數(shù)據(jù)

2.4 大炸高條件下侵徹試驗(yàn)結(jié)果

EFP能夠在大炸高條件下穩(wěn)定飛行并保持較強(qiáng)的侵徹能力。為驗(yàn)證SLM成型藥型罩形成毀傷元后的飛行穩(wěn)定性及侵徹能力，對(duì)SLM成型藥型罩在大炸高條件下進(jìn)行侵徹試驗(yàn)。試驗(yàn)中戰(zhàn)斗部距侵徹靶版距離為8 m(200倍裝藥口徑)，侵徹靶板為400 mm×400 mm×10 mm的裝甲鋼板。

考慮到縱向生長(zhǎng)的藥型罩在成形過(guò)程中較完整，所以在大炸高條件下的飛行及侵徹試驗(yàn)中使用縱向生長(zhǎng)得到的藥型罩。根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]和課題組前期研究結(jié)果可知，裝藥高度提高到72 mm后形成的EFP毀傷元較好，所以在大炸高條件下侵徹試驗(yàn)中將EFP戰(zhàn)斗部的裝藥高度由32 mm提高到72 mm。

由圖10可以看出，SLM成型的316L不銹鋼藥型罩在飛行200倍炸高之后僅在10 mm厚裝甲鋼靶板上形成了一些深度較淺的著靶痕跡以及一個(gè)直徑為23 mm的較規(guī)則的圓形穿孔，這說(shuō)明采用縱向生長(zhǎng)方式制備得到的藥型罩形成的毀傷元較為完整，并且在飛行過(guò)程中EFP的飛行姿態(tài)較好沒(méi)有發(fā)生失穩(wěn)，這說(shuō)明SLM成型的316L不銹鋼藥型罩能夠形成可以穩(wěn)定飛行的EFP毀傷元。

圖10 大炸高條件下飛行侵徹試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)靶板

3 結(jié)論

1) SLM技術(shù)制備的316L不銹鋼可以應(yīng)用于聚能戰(zhàn)斗部領(lǐng)域，打印得到的藥型罩能夠形成EFP毀傷元，縱向生長(zhǎng)制備的藥型罩的成型情況較橫向生長(zhǎng)制備的藥型罩成型情況較好，在25倍炸高條件下縱向生長(zhǎng)制備的藥型罩侵徹深度較橫向提高21.1%。

2) 通過(guò)對(duì)戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提高藥型罩與裝藥結(jié)構(gòu)的匹配性，可以有效改善不銹鋼藥型罩在SLM成型以及飛行過(guò)程中的斷裂情況，藥型罩形成的EFP毀傷元能夠?qū)崿F(xiàn)在200倍炸高條件下的穩(wěn)定飛行。

3) 所進(jìn)行的工作屬于SLM技術(shù)在破甲戰(zhàn)斗部藥型罩制備領(lǐng)域的探索性研究，后期將更加深入研究SLM技術(shù)在異形藥型罩的制備以及SLM成型316L不銹鋼材料在周向MEFP戰(zhàn)斗部殼體制備領(lǐng)域的應(yīng)用，全面發(fā)掘SLM技術(shù)在破甲戰(zhàn)斗部藥型罩制備領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。