侯先葦 熊 瑋 ,2) 陳海華 張先鋒 汪海英 戴蘭宏

* (南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094)

? (中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

** (中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

引言

目前傳統(tǒng)合金的性能開發(fā)趨于飽和,高熵合金顛覆性的合金設(shè)計(jì)理論引起了學(xué)術(shù)界極大的關(guān)注,相關(guān)的研究得到了快速發(fā)展[1].學(xué)者們對于高熵合金的研究成果主要?dú)w納為五大效應(yīng),即熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)、動力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)、結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)、性能上的“雞尾酒”效應(yīng)及組織上的高穩(wěn)定性[2-6].具有高強(qiáng)度、高硬度、良好塑性和耐腐蝕性等優(yōu)異的綜合性能[7-11].高熵合金優(yōu)異的性能為材料開發(fā)、醫(yī)療器械、工業(yè)部件等多個(gè)領(lǐng)域帶來了極大的突破,極具應(yīng)用潛力.

2017年,Zhang 等[12]首次提出,采用難熔高熵合金替代傳統(tǒng)的惰性破片作為結(jié)構(gòu)釋能材料.通過準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)、分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)及彈道試驗(yàn)[13],得到了HfZrTiTa1.29和HfZrTiTa1.00合金具有高強(qiáng)度、高密度、高含能和高絕熱剪切敏感性等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的高效毀傷.王睿鑫[14]提出在單相均勻亞穩(wěn)的NbZrTiTa 高熵合金中原位誘發(fā)相變增塑(TRIP)效應(yīng),對合金亞穩(wěn)單相固溶體結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律及其在不同加載速率下的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和釋能特性的演變規(guī)律等方面進(jìn)行研究,得到鑄態(tài)NbZrTiTa 高熵合金的動態(tài)高塑性和高絕熱剪切帶產(chǎn)生應(yīng)變率閾值,避免了高速侵徹過程中的提前破碎并積累大量的應(yīng)變能,實(shí)現(xiàn)了高破碎率和高釋能率,且在1200 m/s 侵徹速度下,鑄態(tài)NbZrTiTa高熵合金釋能超壓峰值可實(shí)現(xiàn)對人員的有效殺傷.

當(dāng)前,學(xué)者們已經(jīng)開發(fā)研究的高熵合金主要是以FeNiCoCr 系為代表的面心立方 (face-centered cubic,FCC) 高熵合金和以NbMoTaW 系為代表的體心立方 (body-centered cubic,BCC) 高熵合金[15],本文的研究對象為FCC 高熵合金類中的FeNiCoCr和FeNiMoW 兩種典型高熵合金材料.FeNiCoCr,FeNiMoW 兩種典型高熵合金現(xiàn)有的相關(guān)工作大都是針對其微觀結(jié)構(gòu)、調(diào)整組織成分等來改善材料力學(xué)性能等[16-19].在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)加載條件下,張團(tuán)衛(wèi)等[20]研究了FeNiCoCr 在準(zhǔn)靜態(tài)(1.0 × 10?4～ 1.0 ×10?1s?1)和動態(tài)(1000～ 6000 s?1)拉伸下的變形響應(yīng).修正了位錯(cuò)密度演化模型,引入泰勒桿硬化模型,捕捉了FeNiCoCr 的硬化行為;陳海華等[21]針對FeNiMoW 高熵合金進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮、動態(tài)壓縮及破片沖擊試驗(yàn),研究了FeNiMoW 高熵合金在不同應(yīng)變率下的變形行為、微觀變形機(jī)制及侵徹性能,指出FeNiMoW 破片在對靶板侵徹時(shí)存在釋能現(xiàn)象.

本文采用準(zhǔn)密閉試驗(yàn)容器測試系統(tǒng),研究FeNiMoW,FeNiCoCr 兩種典型高熵合金破片在500～ 1800 m/s 速度范圍內(nèi)的沖擊反應(yīng)釋能行為.同時(shí),利用該沖擊釋能特性測試裝置,開展高熵合金破片侵徹不同厚度靶板后對多層目標(biāo)的毀傷特性研究,在相同撞擊速度下,探討厚度范圍為1～ 5 mm的前置鋼靶對后續(xù)多層鋁板毀傷效果的影響機(jī)制,為高熵合金的工程化應(yīng)用提供技術(shù)支撐.

1 兩種高熵合金制備與試驗(yàn)方案

1.1 兩種高熵合金材料制備

本文所用高熵合金材料為FeNiMoW 和FeNiCoCr,均由四種合金元素氧化物去除氧化皮、隔離清洗、打磨后按等摩爾比制備而成.制備工藝流程如圖1所示.其中,FeNiMoW 是基于電磁懸浮熔煉技術(shù),在惰性氣體環(huán)境中采用水冷法在銅坩堝上制備[21-22];FeNiCoCr 則是在氬氣保護(hù)的真空環(huán)境下感應(yīng)熔煉制成.制備過程中,至少經(jīng)過五次翻轉(zhuǎn)熔煉使得金屬原料間得到充分混合.為保證兩種合金的均勻性,對鑄錠進(jìn)行緩慢加熱至1200 °C 后進(jìn)行氬氣保溫保護(hù)24 小時(shí),然后空冷.FeNiCoCr 熱鍛開胚時(shí),采用大于等于4 鍛造比開胚,終鍛溫度大于等于900 °C.最終制備的FeNiMoW 和FeNiCoCr 高熵合金密度分別為12.7 g/cm3和8.2 g/cm3,通過線切割工藝切取試驗(yàn)樣品.如圖2 所示,試驗(yàn)中兩種高熵合金破片呈圓柱形,尺寸大小為Φ7 mm × 7 mm.

圖1 測試樣品制備流程Fig.1 The preparation process of test samples

圖2 測試破片F(xiàn)ig.2 The test fragments

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

1.2.1 典型高熵合金沖擊釋能特性測試

為了研究兩種典型高熵合金材料在不同撞擊速度下的沖擊釋能特性,采用Φ14.5 mm 彈道槍、準(zhǔn)密閉試驗(yàn)容器、測壓裝置及高速攝影等測試系統(tǒng)開展了FeNiMoW 和FeNiCoCr 兩種高熵合金破片的沖擊釋能試驗(yàn).試驗(yàn)布局如圖3 所示,其中,準(zhǔn)密閉試驗(yàn)容器近似圓柱型,長630 mm,內(nèi)徑270 mm,容器體積約為35.2 L;壓阻式壓力傳感器型號為CYG145,量程為2 MPa,靈敏度為2.5 V/MPa;高速攝像型號為FASTCAM Mini AX200 type 200K-C-16 GB,拍攝速度為43200 幀/s.

圖3 試驗(yàn)布局圖Fig.3 The test layout

試驗(yàn)時(shí),通過Φ14.5 mm 彈道槍發(fā)射平臺賦予兩種高熵合金破片初速,通過改變發(fā)射裝藥藥量控制破片發(fā)射速度在500～ 1800 m/s 范圍內(nèi).破片撞擊容器前端0.5 mm 厚的鐵皮,發(fā)生破碎后進(jìn)入容器內(nèi)對15 mm 厚的后效鋼靶進(jìn)行二次撞擊,發(fā)生釋能反應(yīng).在容器壁安裝的壓阻式壓力傳感器另一端通過與TPP 便攜式數(shù)據(jù)采集儀連接,通過設(shè)置2.5 mV 的觸發(fā)電平、1 MHz 的采樣頻率來啟動測試系統(tǒng)并記錄容器內(nèi)部沖擊釋能反應(yīng)造成的壓力變化.通過試驗(yàn)容器側(cè)面的透明玻璃觀測窗,采用高速攝影記錄破片釋能反應(yīng)過程.

1.2.2 典型高熵合金侵徹多層目標(biāo)毀傷效應(yīng)測試

為探索相同撞擊速度下,FeNiMoW 和FeNiCoCr兩種高熵合金破片侵徹不同厚度鋼靶后的釋能行為對多層鋁板的毀傷效應(yīng),本文基于沖擊釋能特性測試系統(tǒng),進(jìn)行了兩種高熵合金侵徹多層目標(biāo)毀傷效應(yīng)測試試驗(yàn),并與撞擊0.5 mm 前置鋼靶后進(jìn)入容器內(nèi)撞擊后效鋼靶的情況進(jìn)行對比.容器前端使用不同厚度(1～ 5 mm) 的Q235 鋼靶,內(nèi)部分別間隔60 mm 放置三層厚度為5 mm 的鋁板作為后靶,各層鋁板通過長螺栓鏈接,使用螺母進(jìn)行固定定位,如圖4 所示.試驗(yàn)中,控制撞擊速度在1600 m/s 左右.通過容器側(cè)面觀察窗,用高速攝影觀察破片穿過前置鋼靶并撞擊容器內(nèi)多層鋁板釋能毀傷過程及現(xiàn)象;同時(shí),通過測壓裝置測試容器內(nèi)沖擊反應(yīng)超壓變化情況.

圖4 破片侵徹不同厚度鋼靶后對多層靶板毀傷測試布局圖Fig.4 Layout of multi-layered plates after fragments penetrate into steel-target with different thicknesses

2 兩種高熵合金高速沖擊反應(yīng)特性研究

2.1 沖擊反應(yīng)釋能現(xiàn)象

圖5～ 圖7 為高速攝影記錄的兩種高熵合金破片和45 鋼破片在典型速度下撞擊試驗(yàn)容器時(shí)沖擊釋能反應(yīng)現(xiàn)象.將破片撞到容器內(nèi)后置鋼靶瞬間設(shè)為t=0.從圖5 中可以看出,與兩種高熵合金破片相近質(zhì)量、速度的45 鋼破片撞擊到后置鋼靶后,容器內(nèi)產(chǎn)生微弱的火光并迅速衰減甚至消失[23],總時(shí)長小于1 ms.而FeNiMoW 破片在相近速度下撞擊后置鋼靶瞬間火光明顯增強(qiáng)并持續(xù)一段時(shí)間,說明發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),釋放了能量.且隨著撞擊速度的增大,FeNiMoW 破片撞擊后效鋼靶產(chǎn)生的火光增強(qiáng),持續(xù)時(shí)間變長.從圖6 和圖7 可以看出,典型撞擊速度下FeNiCoCr 火光變化情況與FeNiMoW 一致,說明在一定撞擊速度范圍內(nèi),兩種高熵合金破片部分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),且隨著撞擊速度的增加,材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng),釋放更多的化學(xué)能.

圖5 典型破片進(jìn)入容器內(nèi)的試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.5 The impact reaction of typical fragments in the chamber

圖5 典型破片進(jìn)入容器內(nèi)的試驗(yàn)現(xiàn)象(續(xù))Fig.5 The impact reaction of typical fragments in the chamber(continued)

圖6 FeNiMoW 破片典型速度沖擊反應(yīng)現(xiàn)象Fig.6 Typical velocities impact reaction of FeNiMoW fragments

圖7 FeNiCoCr 破片典型速度沖擊反應(yīng)現(xiàn)象Fig.7 Typical velocities impact reaction of FeNiCoCr fragments

2.2 準(zhǔn)密閉容器內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)超壓曲線分析

處理壓阻式壓力傳感器所測信號,得到兩種高熵合金破片典型撞擊速度下容器內(nèi)的壓力變化情況,如圖8 所示.表1 為破片在不同撞擊速度下的容器內(nèi)壓力峰值.由圖表可得,FeNiMoW 在771 m/s 的速度下,未測到超壓信號,即超壓峰值為0 MPa;在1356 m/s 的速度下,發(fā)生微弱反應(yīng),產(chǎn)生5 kPa 的超壓峰值.FeNiCoCr 破片在953 m/s 的速度下,超壓峰值為0;速度為1217 m/s 時(shí),超壓峰值為3 kPa,釋能反應(yīng)微弱.當(dāng)撞擊速度增大時(shí),兩種高熵合金破片超壓峰值顯著增強(qiáng).1356 m/s,1217 m/s 可以分別視為FeNiMoW,FeNiCoCr 兩種高熵合金材料發(fā)生釋能反應(yīng)的閾值速度.在500 m/s～ 1800 m/s 的撞擊速度范圍內(nèi),隨著撞擊速度的增加,FeNiMoW 破片壓力峰值不斷增大,壓力卸載時(shí)間先增大后減小.撞擊速度較低時(shí),FeNiMoW 破片沒有發(fā)生充分反應(yīng),壓力峰值較小,隨著撞擊速度的增加,釋能反應(yīng)增強(qiáng),反應(yīng)產(chǎn)物增加,容器內(nèi)壓力峰值變大,前端鐵皮穿孔處卸載產(chǎn)物時(shí)間增加;當(dāng)破片速度增至1692 m/s,反應(yīng)加劇,超壓峰值明顯增大,大量產(chǎn)物噴出,容器內(nèi)壓力快速下降,壓力卸載時(shí)間減少.FeNiCoCr 破片壓力峰值和超壓持續(xù)時(shí)間整體上均隨撞擊速度的增大而增大.

圖8 不同破片在典型速度下的壓力?時(shí)程曲線Fig.8 P?T curves of different fragments at typical velocities

表1 兩種高熵合金破片不同撞擊速度下超壓峰值變化情況Table 1 Different peak overpressures of two high-entropy alloy fragments at different impact velocities

2.3 沖擊釋能規(guī)律分析

2.3.1 超壓峰值變化規(guī)律

不同撞擊速度下,兩種高熵合金破片在試驗(yàn)容器內(nèi)反應(yīng)的超壓峰值擬合曲線如圖9 所示.在500 m/s～1800 m/s 的速度范圍內(nèi),隨著撞擊速度的增加,兩種典型高熵合金破片沖擊釋能反應(yīng)加劇,容器內(nèi)氣體受到釋能反應(yīng)影響,壓力上升,進(jìn)而超壓峰值上升.超壓峰值和撞擊速度呈正相關(guān),與圖6,圖7 中破片沖擊反應(yīng)現(xiàn)象吻合.

圖9 兩種高熵合金破片不同速度下壓力峰值變化規(guī)律Fig.9 The peak overpressures at different speeds of two high-entropy alloy fragments

2.3.2 沖擊釋能特性分析

THOR 方程可用于預(yù)估破片對間隔裝甲的連續(xù)侵徹,破片撞擊前層靶板后剩余質(zhì)量作為侵徹下層靶板初始質(zhì)量,直到破片剩余質(zhì)量為零.本文利用該方程計(jì)算破片撞擊前端靶板后進(jìn)入容器的剩余質(zhì)量,即破片發(fā)生反應(yīng)釋能質(zhì)量Mr[24-25]

其中,h為靶板厚度;v為破片速度;θ 為破片與靶板之間夾角,本文取 θ=0°;A和M分別為破片碰撞面積和破片初始質(zhì)量;R1～R5為根據(jù)靶板材料所取常數(shù),本文取R1=?2.507,R2=0.138,R3=0.853,R4=0.143,R5=0.761.

破片進(jìn)入容器內(nèi),撞擊后端靶板時(shí)一部分動能Ek轉(zhuǎn)換成熱能,對超壓峰值有一定貢獻(xiàn).容器內(nèi)增加的總能量ΔQ由破片發(fā)生反應(yīng)釋放的化學(xué)能Er與破片動能Ek轉(zhuǎn)換的熱能組成[26].根據(jù)Ames 等[26-28]理論分析,兩種高熵合金破片發(fā)生沖擊釋能反應(yīng)時(shí)容器內(nèi)超壓峰值與增加的總能量之間的關(guān)系

式中,γa為容器內(nèi)空氣的比熱比,假設(shè)為定值1.4,VE為密閉容器體積,P為試驗(yàn)所測準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值.

由于FeNiMoW,FeNiCoCr 熔點(diǎn)較高,所以本文不考慮容器中破片動能Ek貢獻(xiàn)的能量.

單位質(zhì)量破片釋放的化學(xué)能為

其中,Mr為破片剩余質(zhì)量,g.

根據(jù)試驗(yàn)所測超壓峰值計(jì)算得到不同撞擊速度下兩種高熵合金破片單位質(zhì)量釋放的比化學(xué)能er,并進(jìn)行非線性擬合,如圖10 所示.從圖中可以看出,FeNiMoW,FeNiCoCr 破片在釋能反應(yīng)臨界速度時(shí),兩種高熵合金破片單位質(zhì)量釋放的比化學(xué)能極小,接近于0.撞擊速度在500 m/s～ 1800 m/s 內(nèi)逐漸增加,單位質(zhì)量兩種高熵合金破片釋放的比化學(xué)能er不斷增大,其中,FeNiMoW 最大釋能Q=0.58 kJ/g,FeNiCoCr 最大釋能Q至少為2.085 kJ/g.

圖10 不同撞擊速度下兩種高熵合金破片單位質(zhì)量的釋能特性Fig.10 The energy release characteristics per unit mass of two highentropy alloy fragments at different impact velocities

含能結(jié)構(gòu)材料發(fā)生沖擊釋能反應(yīng)時(shí)的反應(yīng)類型,主要?dú)w納為3 種:金屬氧化反應(yīng)、金屬合金化反應(yīng)及鋁熱反應(yīng).參照Fischer 和Grubelich[29]研究的金屬合金化反應(yīng)表、金屬燃燒反應(yīng)表,兩種高熵合金材料組成元素各金屬間較難發(fā)生反應(yīng),各金屬元素發(fā)生氧化反應(yīng)及釋能情況如下

其中,W 元素氧化反應(yīng)所需溫度較高,本文不考慮其發(fā)生氧化反應(yīng).

根據(jù)兩種高熵合金組成元素氧化反應(yīng)產(chǎn)物,結(jié)合鋁熱反應(yīng)表[29],假設(shè)Fe,Ni,Co,Cr,Mo,W 與氧化反應(yīng)中生成的氧化物不發(fā)生二次反應(yīng).

表2、表3 分別為FeNiMoW 和FeNiCoCr 各組成元素的質(zhì)量比、摩爾比及摩爾質(zhì)量比.試驗(yàn)中,假設(shè)破片能夠充分與氧氣接觸,發(fā)生完全氧化反應(yīng).根據(jù)表2、表3 所列兩種高熵合金材料組成元素質(zhì)量分?jǐn)?shù),結(jié)合式(4),計(jì)算出單位質(zhì)量兩種典型高熵合金氧化反應(yīng)釋放能量.單位質(zhì)量FeNiMoW 完全發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放的總化學(xué)能Q為3.54 kJ,單位質(zhì)量FeNiCoCr 完全發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放的總化學(xué)能Q為6.48 kJ.

表2 FeNiMoW 各組分的典型配比Table 2 Typical proportions of FeNiMoW components

表3 FeNiCoCr 各組分的典型配比Table 3 Typical proportions of FeNiCoCr components

不同撞擊速度情況下,單位質(zhì)量兩種高熵合金破片釋能效率y

根據(jù)式(5)計(jì)算所得釋能效率數(shù)值,進(jìn)行非線性擬合,如圖11 所示,單位質(zhì)量兩種高熵合金破片的釋能效率與撞擊速度呈正相關(guān),與其他學(xué)者[30-31]對含能結(jié)構(gòu)材料釋能行為的研究規(guī)律一致.在500 m/s～1800 m/s 的速度范圍內(nèi),FeNiMoW 破片單位質(zhì)量最大釋能效率為16.47%,FeNiCoCr 破片單位質(zhì)量最大釋能效率至少為32.18%.

圖11 不同撞擊速度下兩種高熵合金破片單位質(zhì)量的釋能效率Fig.11 The energy release efficiency per unit mass of two high-entropy alloy fragments under different impact velocities

3 兩種典型高熵合金侵徹典型多層靶板毀傷特性

3.1 高熵合金侵徹多層靶板釋能特性分析

3.1.1 釋能現(xiàn)象

圖12 為FeNiMoW,FeNiCoCr 破片侵徹不同厚度鋼靶后進(jìn)入密閉容器內(nèi)對多層鋁板的釋能現(xiàn)象.其中,0.5 mm 前置鋼靶對應(yīng)的后效靶為前述沖擊釋能測試試驗(yàn)中的厚鋼板,這里用來進(jìn)行對比分析.撞擊速度在1600 m/s 左右時(shí),隨著鋼靶厚度(0.5～2 mm)的增加,FeNiMoW 破片在容器內(nèi)反應(yīng)火光增強(qiáng)明顯,光圈擴(kuò)大,且撞擊2 mm 厚的前置鋼靶后有產(chǎn)物噴出,但撞擊5 mm 厚的前置鋼靶時(shí)(v=1344 m/s)釋能反應(yīng)現(xiàn)象減弱.FeNiCoCr 破片在撞擊前置鋼靶時(shí),隨著鋼靶厚度(0.5～ 1 mm)的增加,破片的釋能反應(yīng)增強(qiáng),且容器前端鐵皮穿孔處有產(chǎn)物噴出,鋼靶厚度為1～ 5 mm 時(shí),容器內(nèi)火光逐漸減弱,反應(yīng)變?nèi)?

圖12 兩種高熵合金破片在不同靶厚下的沖擊反應(yīng)試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.12 The experimental phenomenon of impacting of two high-entropy alloy fragments under the targets of different thickness

3.1.2 準(zhǔn)密閉容器內(nèi)反應(yīng)準(zhǔn)靜態(tài)壓力特性

如圖13、圖14 所示為兩種高熵合金破片穿透不同靶厚鐵皮后,對多層鋁板毀傷釋能時(shí)超壓變化情況.撞擊速度在1600 m/s 左右時(shí),隨著前置鋼靶厚度(0.5～ 2 mm)的增加,FeNiMoW 超壓峰值上升,當(dāng)前置鋼靶厚度為5 mm 時(shí)(v=1344 m/s),超壓峰值有所下降;前置鋼靶厚度為0.5 mm～ 1 mm 時(shí),FeNiCoCr 超壓峰值增加,前置鋼靶厚度增加至2 mm～ 5 mm 時(shí),超壓峰值逐漸下降.與圖11 中兩種高熵合金侵徹不同靶厚鋼靶后進(jìn)入容器內(nèi)毀傷多層鋁板的試驗(yàn)現(xiàn)象規(guī)律吻合.當(dāng)撞擊速度為1600 m/s 左右,前端靶板厚度為0.5～ 5 mm 時(shí),FeNiMoW 和FeNiCoCr 最大超壓峰值分別為40 kPa和24 kPa.

圖13 FeNiMoW 破片在不同靶厚下的超壓峰值變化情況Fig.13 The peak overpressures of FeNiMoW fragments under the targets of diferent thickness

圖14 FeNiCoCr 破片在不同靶厚下的超壓峰值變化情況Fig.14 The peak overpressures of FeNiCoCr fragments under the targets of diferent thickness

3.1.3 兩種高熵合金破片侵徹多層靶板過程釋能特性分析

結(jié)合式(1)～ 式(5),得到FeNiMoW 和FeNiCoCr侵徹0.5 mm～ 5 mm 前置鋼靶后的比化學(xué)能?靶厚曲線和釋能效率?靶厚曲線如圖15 和圖16 所示.撞擊速度在1600 m/s 左右時(shí),前置鋼靶厚度在0.5～2 mm 內(nèi),單位質(zhì)量FeNiMoW 破片比化學(xué)能及釋能效率逐漸增大.當(dāng)前置鋼靶厚度為5 mm 時(shí),破片速度(V=1344 m/s) 相對1600 m/s 較小,單位質(zhì)量FeNiMoW 破片比化學(xué)能及釋能效率有所下降,但下降不明顯,所以,當(dāng)前置鋼靶厚度大于1 mm 時(shí),單位質(zhì)量FeNiMoW 破片比化學(xué)能及釋能效率整體上呈上升趨勢.前置鋼靶厚度在0.5～ 1 mm 內(nèi),單位質(zhì)量FeNiCoCr 破片比化學(xué)能及釋能效率增大,當(dāng)前置鋼靶厚度大于1 mm 時(shí),單位質(zhì)量FeNiCoCr 破片比化學(xué)能及釋能效率呈下降趨勢.兩種高熵合金一定速度下侵徹不同厚度靶板釋能規(guī)律與Zhang 等[32]對活性含能材料侵徹不同厚度靶板的釋能規(guī)律相似.當(dāng)撞擊速度為1600 m/s 左右,前端靶板厚度為0.5～ 5 mm 時(shí),單位質(zhì)量FeNiMoW 與FeNiCoCr 最大釋能分別為1.1 kJ 和1.2 kJ,最大釋能效率分別為31.4%和18.6%.

圖15 FeNiMoW 材料的毀傷特性Fig.15 Damage characteristics of FeNiMoW

圖16 FeNiCoCr 材料的毀傷特性Fig.16 Damage characteristics of FeNiCoCr

3.2 高熵合金破片侵徹多層靶板毀傷特性分析

FeNiMoW 和FeNiCoCr 破片侵徹不同厚度鋼靶后進(jìn)入密閉容器內(nèi)對多層鋁板的毀傷作用如圖17所示.相同撞擊速度下,破片撞擊容器前端不同厚度鐵皮后發(fā)生不同程度破碎,進(jìn)入容器撞擊多層鋁板發(fā)生釋能反應(yīng),對靶板進(jìn)行侵徹毀傷作用,反應(yīng)產(chǎn)物從前端鐵皮穿孔處噴出.

圖17 高熵合金破片對多層鋁板的毀傷示意圖Fig.17 Schematic diagram of damage of high-entropy alloy fragments to multi-layered aluminum plates

圖18 為FeNiMoW 破片侵徹不同厚度鋼靶后對多層鋁板的毀傷效果,表4 為鋁板毀傷面積具體情況.撞擊速度在1600 m/s 左右時(shí),FeNiMoW 侵徹1 mm 前置鋼靶后,對第一層鋁板造成較大穿孔,鋁板背面穿孔周圍隆起,而在第二層鋁板上留下碎片痕跡.侵徹2 mm 前置鋼靶后,鋁板背面出現(xiàn)凸起但未造成穿孔,說明破片對第一層鋁板的穿孔毀傷效果降低.進(jìn)一步,隨著前置鋼靶厚度增大至5 mm,對鋁板的穿孔毀傷相對侵徹2 mm 前置鋼靶時(shí)增加.由圖15 可知,隨著前置鋼靶厚度從1 mm 增大至5 mm,其反應(yīng)程度先增大后降低,與該試驗(yàn)中破片穿孔能力相反.這是由于FeNiMoW 氧化反應(yīng)后生成的產(chǎn)物強(qiáng)度降低所致,反應(yīng)程度越高,破片對鋁靶的穿孔毀傷能力越弱.另一方面,從表4 可知,隨著前置鋼靶厚度從1 mm 增大至2 mm,FeNiMoW 破碎程度增強(qiáng),對鋁板毀傷面積增大.當(dāng)前置鋼靶厚度繼續(xù)增大至5 mm 時(shí),毀傷面積減小,該現(xiàn)象是由破片靶外質(zhì)量損失增大導(dǎo)致.

圖18 FeNiMoW 材料侵徹不同厚度鋼靶后對多層鋁板的毀傷效果Fig.18 The damage of FeNiMoW on the multi-layered aluminum plate after penetrating the diferent thickness of steel-targets

表4 FeNiMoW 侵徹不同厚度鋼靶后對多層鋁板的毀傷面積Table 4 The damaged areas of FeNiMoW on the multi-layered aluminum plates after penetrating the diferent thickness of steel-targets

圖19 為FeNiCoCr 破片侵徹不同厚度鋼靶后對多層鋁板的毀傷效果,表5 為鋁板毀傷面積具體情況.撞擊速度在1600 m/s 左右時(shí),FeNiCoCr 侵徹1 mm 前置鋼靶后,穿過第一、二層鋁板形成單個(gè)穿孔,而在第三層靶板上形成彈坑.侵徹2 mm 前置鋼靶后,破片發(fā)生破碎并在第一層鋁板上形成多個(gè)穿孔,其對鋁靶的穿孔毀傷效果增強(qiáng).進(jìn)一步,當(dāng)鋼靶厚度增加至5 mm 時(shí),破片對第一層鋁板的穿孔毀傷減弱.由圖16 可知,隨著前置鋼靶厚度從1 mm增大至2 mm,其反應(yīng)程度呈下降趨勢,與該試驗(yàn)中破片穿孔能力相反.這是由于FeNiCoCr 氧化反應(yīng)后生成的產(chǎn)物強(qiáng)度降低所致,反應(yīng)程度越低,破片對鋁靶的穿孔毀傷能力越強(qiáng).另一方面,從表5 可知,隨著前置鋼靶厚度從1 mm 增大至2 mm,FeNiMoW破碎程度增強(qiáng),對鋁板毀傷面積增大.當(dāng)前置鋼靶厚度繼續(xù)增大至5 mm 時(shí),毀傷面積及穿孔毀傷程度減小,該現(xiàn)象是由破片靶外質(zhì)量損失增大導(dǎo)致.

圖19 FeNiCoCr 材料侵徹不同厚度鋼靶后對多層鋁板的毀傷效果Fig.19 The damage of FeNiCoCr on the multi-layered aluminum plate after penetrating the diferent thickness steel-targets

表5 FeNiCoCr 侵徹不同厚度鋼靶后對多層鋁板的毀傷面積Table 5 The damaged areas of FeNiCoCr on the multi-layered aluminum plates after penetrating the diferent thickness of steel-targets

4 結(jié)論

本文通過沖擊釋能特性測試裝置開展了500 m/s～1800 m/s 速度范圍內(nèi)兩種典型高熵合金破片沖擊釋能特性試驗(yàn),分析了兩種典型高熵合金破片釋能過程、超壓變化及釋能規(guī)律,并基于該試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了兩種典型高熵合金破片侵徹不同厚度靶板后對多層目標(biāo)的毀傷特性研究,討論了不同厚度靶板對兩種典型高熵合金破片的沖擊釋能、釋能效率及毀傷后效的影響,得到如下結(jié)論:

(1) FeNiMoW 和FeNiCoCr 破片釋能反應(yīng)閾值速度分別為1356 m/s 和1217 m/s,達(dá)到反應(yīng)閾值后,撞擊速度的增加對兩種高熵合金沖擊釋能反應(yīng)及釋能效率顯著增強(qiáng).在500 m/s～ 1800 m/s 速度范圍內(nèi),單位質(zhì)量FeNiMoW 破片沖擊反應(yīng)最大釋能效率為16.47%,單位質(zhì)量FeNiCoCr 破片沖擊反應(yīng)最大釋能效率至少為32.18%.

(2) 在1600 m/s 左右的撞擊速度下,隨著前置鋼靶厚度從1 mm 增加至5 mm,FeNiMoW 超壓峰值呈先上升再下降趨勢,FeNiCoCr 超壓峰值呈下降趨勢.單位質(zhì)量FeNiMoW 在撞擊2 mm 前置鋼靶時(shí)達(dá)到最大釋能效率(31.4%);單位質(zhì)量FeNiCoCr 在撞擊1 mm 前置鋼靶時(shí)達(dá)到最大釋能效率(18.6%).

(3) 在1600 m/s 左右的撞擊速度下,隨著前置鋼靶厚度從1 mm 增加至5 mm,FeNiMoW 破片釋能反應(yīng)整體上呈上升趨勢,FeNiCoCr 破片釋能反應(yīng)呈下降趨勢.破片在侵徹多層靶標(biāo)過程中,釋能反應(yīng)的降低對靶標(biāo)的穿孔毀傷增強(qiáng)有一定貢獻(xiàn).當(dāng)前置鋼靶厚度進(jìn)一步增大時(shí),破片對鋁靶的穿孔毀傷能力降低.另一方面,隨著前置鋼靶厚度的增大,破片對第一層鋁靶毀傷面積先增大后減小.