简介概要

钽在破甲弹药型罩中的应用

来源期刊：稀有金属2006年第5期

论文作者：彭海健闫晓东李德富

关键词：钽; 钽合金; 爆炸成形侵彻体; 药型罩材料;

摘要：爆炸成形侵彻体(EFP)战斗部是应用最广的破甲弹战斗部之一. 破甲弹采用EFP战斗部时, 要求药型罩材料必须有好的动态延展性和一定的抗拉强度. 钽具有延展性好、密度大的特点, 是一种有前景的破甲弹药型罩材料, 其侵彻性能较传统的铜药型罩材料有很大的提高. 钽及钽合金药型罩(球缺形)的加工方法主要有三种: 机械加工成形、板材冲压成形和摆动碾压成形. 本文介绍了钽及钽合金药型罩材料与加工工艺的研究现状.

稀有金属 2006,(05),678-681 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.05.022

钽在破甲弹药型罩中的应用

闫晓东李德富

摘要：

爆炸成形侵彻体 (EFP) 战斗部是应用最广的破甲弹战斗部之一。破甲弹采用EFP战斗部时, 要求药型罩材料必须有好的动态延展性和一定的抗拉强度。钽具有延展性好、密度大的特点, 是一种有前景的破甲弹药型罩材料, 其侵彻性能较传统的铜药型罩材料有很大的提高。钽及钽合金药型罩 (球缺形) 的加工方法主要有三种:机械加工成形、板材冲压成形和摆动碾压成形。本文介绍了钽及钽合金药型罩材料与加工工艺的研究现状。

关键词：

钽;钽合金;爆炸成形侵彻体;药型罩材料;

中图分类号： TJ413.2

作者简介：李德富 (E-mail: Lidf@mail.grinm.com.cn) ;

收稿日期：2005-10-08

Application of Tantalum as Shaped Charge Liner Material

Abstract：

Explosively formed projectile warhead is one of the most widely used warhead of shaped charge.The material of shaped charge liner should have good dynamic ductility and certain tensile strength when shaped charge adopts explosively formed projectile warhead.Because of its high ductility and high density, the tantalum will be a type shaped charge liner material, and the penetrating properties of tantalum liner are superior to that of conventional copper liner.There are three techniques by which the tantalum and tantalum alloy liner can be processed: machining, sheet stamping and rotary forging.The material research status and processing technics of tantalum and tantalum alloy liner will be introduced here.

Keyword：

tantalum;tantalum alloy;explosively formed projectile;liner material;

Received： 2005-10-08

随着军事科技进步和先进技术的应用, 装甲防护技术得到不断更新和发展。相继研制出了多种新型防护装甲, 如复合装甲 (防御能力是同等厚度钢装甲的3倍) 、贫铀装甲 (硬度是普通钢的5倍) 、爆炸反应装甲 (挂在主装甲外面, 依靠本身爆炸气流破坏穿甲射流和削弱穿甲动能) 等。这使反坦克武器面临严峻的挑战。

爆炸成形侵彻体 (explosively formed projectile) 战斗部是应用最广的破甲弹战斗部之一。在EFP战斗部威力影响因素中, 药型罩的材料性能最为突出。传统的药型罩材料使用的是紫铜, 在已经使用的几十年中为破甲武器的应用作出了极大的贡献。目前紫铜作为传统的EFP战斗部药型罩材料已不能适应防护装甲技术的快速发展, 这迫使战斗部研究必须寻求新的药型罩材料。本文介绍了钽及钽合金药型罩材料与加工工艺研究现状。

1 钽及钽合金作为破甲弹中爆炸成形侵彻体 (EFP) 战斗部药型罩材料的优越性

爆炸成形侵彻体 (EFP) 战斗部 (结构图见图1) , 是利用聚能装药原理, 通过炸药的聚能爆轰作用, 使金属药型罩压垮变形而锻出的一个具有较高质心速度和一定结构形状的侵彻体, 从而可以以动能侵彻目标在的形成过程中金属药型罩的变形特点是:大应变、高应变速率 (>10⁵ s^-1) 和高温 ^[1] 。因此, EFP战斗部药型罩材料必须要有好的动态延展性和一定的抗拉强度, 这样才能形成具有一定长径比的EFP。根据这一条件, 适合于制作EFP战斗部药型罩的金属材料主要有:紫铜、纯铁、钽、钽合金、铌、银等, 其中紫铜的密度为8.96 g·cm^-3 (表1) , 钽的密度为16.6 g·cm^-3, 是铜的1.86倍 ^[2] 。采用高密度材料制作药型罩可以大大提高EFP的侵彻威力, 弹道试验表明, Ta的侵彻性能较Cu高30%～35% ^[3] 。如:在相同质量、相同长径比 (L/D=4) , 弹丸速度为2000 m·s^-1时, Ta制侵彻体对RHA (轧制均质装甲钢) 的侵彻深度为160 mm, 而Cu的仅为123 mm。因此, 从提高破甲弹破甲威力的角度上, 钽及钽合金可以作为紫铜药型罩的理想替代材料。

在经济性方面, 钽或钽合金药型罩的成本远高于紫铜药形罩。2005年7月中旬, 九江有色金属冶炼厂的一级冶金级钽粉价格为1600元·kg^-1, 宝鸡有色金属加工厂的钽板 (Ta1) 价格为3200元·kg^-1, 而2005年7月中旬阴极铜的价格约为34000～35000元·t^-1 ^[4] 。因此, 在打击轻装甲目标时, 破甲弹EFP战斗部宜选用紫铜或纯铁药型罩;但在打击重装甲目标时, 必须最大限度地寻求高威力破甲弹, 这时, 钽及钽合金就成为最理想的破甲弹药型罩材料

图1 EFP战斗部结构图

Fig.1 Structural map of EFP warhead

表1 几种EFP战斗部药型罩材料的一些物理性能下载原图

Table 1 Some physical properties of materials of EFP liner

表1 几种EFP战斗部药型罩材料的一些物理性能

2 钽及钽合金药型罩的研究与应用现状

2.1 钽及钽合金药型罩的研究趋势

目前, 破甲弹药型罩材料研究出现2个不同方向, 即纯金属和多相复合材料 ^[5] 。对于钽, 其研究的趋势也是如此:一个是采用纯度更高的钽;二是采用钽合金。这是因为不同批次和不同厂家生产的纯钽 (纯度99.95%) , 由于杂质种类、存在形式 (固溶体或夹杂物) 、数量、偏析程度等的不同, 其力学性能是易变的, 特别是板料的性能变化更大, 因此导致EFP的穿甲威力波动幅度很大。为了提高和稳定EFP的穿甲威力, 美国在SADARM (SenseandDestroyArmor) 战斗部研究中采用了某种钽合金, 数值模拟和试验结果表明, 使用该材料制作药型罩, 完全可以达到原来纯钽的威力水平。国内张廷杰等 ^[6] 在研究高钨含量的钽基合金力学性能时也发现:钽钨合金强度和硬度随W含量增加线性增长, 而合金延展性随W含量增加下降不显著, 意味着几种高W含量的Ta-W合金既有高强度, 又有良好的塑性。

2.2 钽及钽合金药型罩的研究与应用现状

国外在钽及钽合金材料研究方面开展了大量的基础性工作, 美国等西方国家早在20世纪80年代后期就开始研究Ta作为EFP战斗部药型罩材料的可能性, 已取得较大成效, 并在EFP战斗部药型罩上采用了纯钽材料或钽合金。如美国的SADARM、德国的SMART和瑞典的BONUS等 (表2) 。

当前, 美国等西方国家将钽及钽合金药型罩材料的研究主要集中在一方面通过引进先进的电子背散射衍射 (EBSD) 技术分析药型罩显微组织晶体学特征, 改善药型罩材料的组织, 并结合高威力炸药及其精密装药技术和精密战斗部装配技术, 从装药结构上保证炸药对药型罩的爆轰载荷匹配, 以获得最优的能量利用率和最佳的作战威力;另一方面通过改进加工技术, 降低生产成本, 以实现钽及钽合金药型罩材料的大规模应用。

3 钽及钽合金药型罩的加工工艺

目前, 钽及钽合金药型罩 (球缺形药型罩) 的加工方法主要是机械加工成形、板材冲压成形和摆动碾压成形3种。

机械加工成形工艺一般是坯料小量冲压后, 直接采用数控车床进行车削加工得到最终尺寸的药型罩。其具体技术路线为:粉末冶金法制坯※电子束熔炼※高能锻造开坯※真空退火※棒料切片 (下料) ※坯料小量冲压※机械加工成形※热处理。数控车床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。采用数控车床进行车削加工, 其产品的加工精度高, 但由于是机械加工成形, 切断了金属流线, 这对药型罩性能不利。而且这种工艺的材料浪费大, 因而一般不直接使用, 而作为其他工艺的最后一道补充工序, 以保证药型罩产品的精度。

表2 国外几种采用钽或钽合金药型罩的反装甲炮弹 ^[7,8,9] 下载原图

Table 2 Several kinds of foreign anti-armor shell with the liner made of tantalum or tantalum alloy

表2 国外几种采用钽或钽合金药型罩的反装甲炮弹 ^[7,8,9]

板材冲压成形工艺一般是坯料通过直接冲压成形和局部机械加工修整, 得到最终尺寸的药型罩。其具体技术路线为:粉末冶金法制坯※电子束熔炼※大变形冷压开坯※真空退火※轧制※真空退火※板材下料※冲压成形※局部机械加工修整※热处理。这种工艺的生产效率高, 但板材存在的各向异性对药型罩性能不利。在钽板的轧制过程中, 无论采取什么样的交叉换向轧制都不可避免使板材内部产生很强的织构 ^[10] 。这些织构的形成, 使钽板在不同方向上的强度和延伸率都产生很大的变化 (表3) 。从表3可看出, 在45°方向上, 钽板的抗拉强度最弱而延伸率达到最大值。

摆动碾压成形工艺一般是坯料经摆动碾压成形后局部机械加工修整, 得到最终尺寸的药型罩。其具体技术路线为:高纯级钽粉 (或钽合金粉) ※等静压压制※烧结※挤压加工成坯料※真空退火※棒料切片 (下料) ※摆动碾压成形※局部机械加工修整※热处理 ^[11,12] 。摆动碾压成形为连续局部成形, 摆头的中心线与摆辗机机身的垂直轴线相对倾斜一定角度。摆动碾压机的摆头在摆动过程中对金属坯料加载, 摆头一直承受偏心载荷, 其合力作用点不断绕机身轴线作轨道运动 (摆动) 。摆头与金属坯料之间主要是滚动摩擦, 摆头对金属坯料的成形压力只作用在工件表面的一小部分上, 其碾压力仅是普通锻压工艺的1/5～1/20 ^[13] 。

表3 钽板不同角度的力学性能下载原图

Table 3 Mechanical properties of Ta sheets in different aspects

表3 钽板不同角度的力学性能

应用摆动碾压成形技术加工钽及钽合金药型罩具有以下几个优点: (1) 摆动碾压的加工精度高、表面质量好, 可以实现少或无切削加工, 节约金属料; (2) 其变形的过程是连续局部变形, 能够使锻件毛坯变形均匀, 金属流动合理, 可进行大变形加工; (3) 采用摆动碾压成形技术加工球缺形药型罩时, 金属流线完整且呈放射状, 这对EFP战斗部药型罩的性能十分有利。

4 结语

钽及钽合金由于具有高密度、延展性好的特点, 可作为紫铜药型罩的理想替代材料。美国等西方国家在钽及钽合金的材料研究和加工工艺研究上都已经有了实质性的进展, 已进入了实际应用阶段。目前, 钽及钽合金药型罩材料的研究主要集中在改进加工技术, 改善药型罩材料的组织, 降低生产成本, 以实现钽及钽合金药型罩材料的大规模应用