钽在破甲弹药型罩中的应用
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:
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
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
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
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
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
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
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
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
参考文献
[2] 《稀有金属手册》编辑委员会编著.稀有金属手册 (下册) [M].北京:冶金工业出版社, 1995.436.
[3] 王兵.爆炸成形弹用药型罩材料的研制动向[J].国外兵器动态, 1996, (3) :6.
[4] 安泰科信息开发有限公司.有色金属产品价格旬报 (2005年7月中旬) [J].中国金属通报, 2005, (30) :30.
[5] 胡忠武, 李中奎, 张廷杰, 等.药型罩材料的发展[J].稀有金属材料与工程, 2004, 33 (10) :1009.
[6] 张廷杰, 张德尧, 丁旭.高钨含量钽基合金力学性能的研究[J].稀有金属材料与工程, 1996, 25 (4) :5.
[7] 何喜营.国外末敏弹药的发展现状及前景分析[J].弹箭技术, 1995, (2) :1.
[10] 魏忠梅, 杨明杰, 李麦海.冷压-轧制工艺对钽板组织与性能的影响[J].稀有金属与硬质合金, 2000, (142) :14.
[2] 《稀有金属手册》编辑委员会编著.稀有金属手册 (下册) [M].北京:冶金工业出版社, 1995.436.
[3] 王兵.爆炸成形弹用药型罩材料的研制动向[J].国外兵器动态, 1996, (3) :6.
[4] 安泰科信息开发有限公司.有色金属产品价格旬报 (2005年7月中旬) [J].中国金属通报, 2005, (30) :30.
[5] 胡忠武, 李中奎, 张廷杰, 等.药型罩材料的发展[J].稀有金属材料与工程, 2004, 33 (10) :1009.
[6] 张廷杰, 张德尧, 丁旭.高钨含量钽基合金力学性能的研究[J].稀有金属材料与工程, 1996, 25 (4) :5.
[7] 何喜营.国外末敏弹药的发展现状及前景分析[J].弹箭技术, 1995, (2) :1.
[10] 魏忠梅, 杨明杰, 李麦海.冷压-轧制工艺对钽板组织与性能的影响[J].稀有金属与硬质合金, 2000, (142) :14.