(大庆油田射孔器材有限公司黑龙江大庆市163511)
摘要：大孔径粉末药型罩的研究相对较少,设计和试验难度相对较大，通过混凝土靶试验,对大孔径粉末药型罩研制过程中的几个主要因素进行分析,研究表明影响大孔径粉末药型罩的主要因素是基本结构、成分与颗粒级配以及药型罩成型工艺,通过控制调整这些主要因素,可以改善大孔径粉末罩的性能,达到设计要求。
关键词：粉末药型罩；影响因素；穿孔
目前，人们主要针对粉末材料的颗粒形状、粒度和孔隙度等对粉末药型罩性能的影响进行研究。粉末药型罩的一些固体润滑添加剂对其性能有较大影响，而人们对其关注程度却不高。为了达到这个目的，大多数石油射孔弹都利用粉末冶金材料作为药型罩材料。药型罩材料作为聚能效应能量载体，其性能直接影响着聚能射流的行为特征，如射流速度、射流密度以及连续射流长度等。因此，对影响粉末药型罩性能的各种因素进行分析以提高侵彻性能一直是人们研究的热点。
一、慨述
对高穿深聚能射孔弹的研究较为成熟和深入,相比而言,对大孔径射孔弹研究较少。对于大孔径聚能射孔弹药型罩,由于它的微元锥角变化范围很大(在罩顶部区域时的罩微元锥角2α≥160°,过渡到罩口部区域时的罩微元锥角2α≤20°),这不仅使粉末药型罩的轴向密度容易出现不均匀性,而且也增加大孔径粉末药型罩成型难度。在这种情况下,目前仍有一些研制与生产单位采用纯铜板罩作为大孔径射孔弹药型罩。对大孔径粉末罩究竟是适于采用铜板罩还是粉末罩,是仁者见仁,智者见智。然而,作为粉末药型罩,它具有生产效率高、配方可调、无杵堵等优点,具有铜板罩无可比拟的研究潜力,虽然粉末药型罩与纯铜板罩相比,在研制和制造时增加了一些影响因素,但对于粉末药型罩,只要抓住它的主要因素,并设法解决它的缺陷和不足,扬长避短,就可以研制出符合标准、性能稳定的高性能射孔弹。本文通过对大孔径粉末药型罩的主要影响因素进行分析、研究,并通过对这些主要因素的研究和控制,最终研制出符合标准、高性能的大孔径聚能射孔弹。
二、大孔径聚能射孔弹的指标要求
在对大孔径射孔弹的穿孔深度与穿孔孔径的规格下限采用插值法进行规定(孔径的规格下限必须大于14mm以上)。选用127枪进行试验,依据新国标规定,在插值范围内,使穿孔深度和穿孔孔径最大化,因此制定的大孔径射孔弹的穿孔深度和穿孔孔径分别为:在大孔径射孔弹装127枪试验时,混凝土靶试验平均穿孔深度≥200mm,试验后套管平均穿孔孔径≥20mm(装药量为32g),试验结果须同时满足以上两个指标要求。
三、大孔径粉末药型罩中的影响因素
1、药型罩基本结构因素。在大孔径粉末药型罩的基本结构研制中,按经典的爆炸理论进行药型罩结构设计。对于药型罩仍然必须采用大锥角、半球罩、球锥罩和抛物线等形状药型罩。不同形状的药型罩针对到每一种弹型结果会有所差异,考虑到弹体腔内体积设计,选用球锥罩和抛物线罩进行试验比较。为了加工方便,在试验开始时,采用精车铜罩,试验射孔弹的每发装药量为32g,每组5发,模拟127射孔枪装配178套管进行混凝土柱靶地面试验,试验结果见表。
从表可以看出,虽然四种药型罩结构方案的试验结果均没能达到指标要求,但作为一个最基本的药型罩结构来进行研究,发现球锥1型的穿孔穿深、穿孔孔径及其标准方差的整体性能相比其它三种要好。因此,采用球锥1型的药型罩基本结构来进行以后粉末药型罩的研制。
2、成分与颗粒级配因素。成分与颗粒级配技术是粉末药型罩的关键技术,通常成为配方技术。配方技术是粉末药型罩的核心技术,配方技术涉及粉末颗粒、粉末体以及添加剂的各种性质,如颗粒的粒度、密度、熔点、形状以及粉末体的平均粒度、成型性、流动性等。在配方试验中,对不同密度、熔点、形状的粉末颗粒进行不同的配方搭配,同时对添加剂的比例进行多次的调试,以帮助改善药型罩的成型性。试验时的射孔弹每发装药量为32g,每组试验5发,模拟127枪装178套管进行混凝土柱靶地面试验,可以看出,通过配方试验后,配方C基本上达到了设计要求,后面可以通过药型罩成型工艺的改善,以进一步提高穿孔深度和穿孔孔径。通过多次的成分与颗粒级配试验,发现配方C在大孔径粉末药型罩配方技术方面主要有以下特点:
(1)在配方C中具有高熔点(熔点≥1000℃)，金属粉末与低熔点金属(熔点≤300℃)粉末的成分搭配。通过高低熔点两种金属粉末的合理搭配,可使药型罩形成的射流具有优良的强度和延展性,增加射流侵彻深度,同时可消除杵堵现象(没有低熔点金属搭配时射孔后常常出现杵堵现象)。
(2)配方C中具有较大颗粒(颗粒平均粒度≤100目)与较细颗粒(颗粒平均粒度≥200目)的颗粒搭配。在试验中发现,当组分相同时,较大颗粒与较细颗粒的合理搭配可增加药型罩的强度和致密性,从而提高形成射流的密度和射流侵彻深度,因此在配方C中采用了大小两种颗粒进行搭配。
(3)配方C中具有枝状颗粒粉末与球状粉末颗粒的搭配。在试验中发现枝状颗粒粉末具有较好的药型罩强度,但成形性较差,球状粉末颗粒则正好相反。当组分相同时,通过两种颗粒形状的搭配,在一定程度上增加了药型罩和射流的强度,同时具有很好的成形性,成形性较好的药型罩可使最终形成的药型罩在各个方向都具有较好的密度均匀性,从而保证了射流质量和最终的穿深效果。
(4)配方C中具有较高比例的高密度金属粉末的含量,增加了药型罩和射流的穿孔深度。但发现当高密度金属比例含量大于60%～70%时,药型罩的成型难度加大,增加了药型罩的密度不均匀性,并且最终导致射流的穿孔稳定性下降。在药型罩成型过程中发现适当提高添加剂的比例,可改善大孔径药型罩的成型性,但添加剂的比例不宜过高,否则会导致射流穿深下降。
3、药型罩成型工艺因素。大孔径射孔弹药型罩的口部陡度较大,按通常正压成型工艺(冲头于底座上方),常常是顶部密度很大,而口部密度降低,造成药型罩上下的密度不均匀,影响了最终的穿孔孔径和穿孔深度,增加穿孔深度和穿孔孔径的标准方差。为了改善这种情况,采取了反压工艺(I型工艺)和异型冲头(II型工艺)两种方案。在对反压法(冲头于底座下方)进行试验时,成型效果改善并不十分明显,同时反压法成型工艺操作较为复杂,降低了生产效率,最终放弃了反压成型工艺。在采取了异型冲头法改善成型工艺时,试验表明成型效果有一定的改善,通过异型冲头改善成型效果的工艺,试验发数仍为每组5发,模拟127枪装178套管进行混凝土柱靶进行地面试验,试验结果可以看出,成型工艺的优化后,II型成型工艺对穿孔深度和穿孔孔径有一定的改善作用。
4、试验结果。通过药型罩结构、成分颗粒级配、药型罩成型工艺的试验研究,最终研制的大孔径聚能射孔弹通过混凝土柱靶模拟装枪试验,技术指标优于国标规定的技术指标要求，研制的大孔径射孔弹,为混凝土柱靶试验后的模拟套管靶片。在完成混凝土柱靶模拟装枪试验后,结合市场需求,对研制的大孔径聚能射孔弹进行实装127枪配178套管进行混凝土环靶地面试验,孔密为40发/m。经过试验,最终的平均穿孔深度达到220mm,套管平均穿孔孔径达到22.1mm,达到了国标规定的技术指标要求。
在大孔径粉末药型罩的研制过程中,粉末药型罩的基本结构、成分与颗粒级配以及成型工艺的优化是影响性能的主要因素。经典爆炸理论对粉末药型罩的基本结构仍然适用。在确立了影响因素后需要进行进一步试验,对于每一个影响因素设计有较多的方案时,可采用正交试验法进行优化,以提高试验效率。
参考文献：
［1］王肖义，余道强，阳世清.Fe/Al反应材料药型罩的制备及性能研究［D］.北京:北京理工大学，2016.
［2］帅俊峰，蒋建伟，王树有.复合反应破片对钢靶侵彻的实验研究［J］.含能材料，2017，17(6):722－724.
［3］易建坤，贺五一，吴腾芳.高热剂在弹药销毁领域应用初探［J］.工程爆破，2015，10(4).
［4］辛春亮，余道建，史文卿.活性药型罩聚能装药子弹毁伤效应研究［J］.兵工学报，2016，35(2).