高能壓裝炸藥部件裂紋損傷及防治措施

楊寶剛，蘭 瓊，陳學(xué)平，韓 超，劉 鵬

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽 621900)

隨著科技的發(fā)展，炸藥在人類生活各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，而這些應(yīng)用大多基于其爆破和毀傷能力。目前，國防領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是混合炸藥，其通常由單質(zhì)炸藥和添加劑等混合而成［1］。其中，壓制成型因其同時(shí)具有材料利用率高、勞動(dòng)生產(chǎn)率高、生產(chǎn)成本低、工藝線路簡單，少切削或無切削加工、適于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，已成為炸藥件生產(chǎn)工藝中最為重要的成型方式之一［2］。炸藥粉末成型時(shí)，壓力經(jīng)模沖傳傳向粉末顆粒，使其在模腔內(nèi)發(fā)生變形和形成具有一定強(qiáng)度的坯體。然而，由于原材料、壓制工藝及后處理等因素，炸藥成型坯體經(jīng)常產(chǎn)生微裂紋這一現(xiàn)象卻一直困擾著相關(guān)研究人員。目前，關(guān)于裂紋的文獻(xiàn)，大都是針對(duì)關(guān)于金屬粉末冶金成型［3-8］，而對(duì)于炸藥壓坯裂紋成因分析，更是鳳毛麟角。此外，微裂紋等損傷的存在會(huì)對(duì)炸藥部件的毀傷性能及安全性等產(chǎn)生不利影響，還可能使炸藥部件的剩余壽命縮短和庫存可靠性降低［9］。本文以造型粉壓制成型各工序?yàn)檠芯繉?duì)象，分析了壓坯裂紋成因并提出了相應(yīng)的防治措施。如圖1 所示為炸藥粉末單項(xiàng)壓制成型示意圖。其中，L0和ΔL 分別是炸藥粉末裝填的初始高度和其壓縮位移，1 為壓頭，2 為套筒，3 為底座。

圖1 炸藥粉末壓制成型示意圖

1 造型粉引發(fā)的裂紋

1.1 造型粉的硬度

一般而言，要獲得相同密度的炸藥部件，低硬度造型粉的成型壓力要比高硬度造型粉小得多。這是由于在相同外界載荷作用下，低硬度造型粉更易產(chǎn)生較大變形，有利于增大顆粒間的接觸面積，因而壓制成型后坯體的密度和力學(xué)性能均有所提高。采用溫壓成型是一種有效降低造型粉硬度的有效措施之一，有助于提高其成型性和降低裂紋出現(xiàn)的幾率。

1.2 粉體粒度

造型粉的粒度組成是影響其成型性能的重要參數(shù)之一。陳鵬萬等［10］指出造型粉粒度分布窄的的壓制成型藥柱易出現(xiàn)裂紋，粒度分布寬的則不易出現(xiàn)裂紋。通常造型粉粒度越細(xì)，顆粒間的摩擦力就越大，導(dǎo)致了壓制壓力在從外表面向壓坯中心傳遞過程中的損失加劇，進(jìn)而在炸藥件內(nèi)部形成密度梯度，其是導(dǎo)致炸藥件產(chǎn)生裂紋的重要原因之一［11，12］。而防止的措施是使炸藥粉末的粒度組成多樣化。采用顆粒級(jí)配時(shí)密度的變化雖然只有1%，但壓縮強(qiáng)度卻提高了80%。目前，國外已定型炸藥的主體炸藥幾乎都采用顆粒級(jí)配的方式，通常大顆粒占75%，小顆粒占25%［13］。從細(xì)觀結(jié)構(gòu)講，當(dāng)顆粒細(xì)化并采用顆粒級(jí)配時(shí)，接觸點(diǎn)增加，應(yīng)力更加平均化，接觸應(yīng)力減小，內(nèi)應(yīng)力和初始損傷也將減小，這樣材料的力學(xué)性能才會(huì)相應(yīng)提高。

1.3 黏結(jié)劑

高聚物粘結(jié)炸藥(Polymer Bonded Explosive，PBX)是一種以高聚物粘結(jié)劑為連續(xù)相、高能炸藥為分散相的高能固體炸藥，具有高爆炸能量和低感度等優(yōu)點(diǎn)，在國防工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的用途［14］。在炸藥粉末造粒過程中添加粘結(jié)劑，主要是為了在成型過程中，使聚集在一起的相鄰顆粒表面間產(chǎn)生最佳的黏結(jié)力，起到降低成型壓力和提高壓坯密度的效果，最終減少或者避免了壓坯產(chǎn)生裂紋的可能性。董軍等［15］發(fā)現(xiàn)由聚異丁烯與硬脂酸組成的黏結(jié)劑體系，通過調(diào)整增塑劑的加入量改善含鋁炸藥造型粉的進(jìn)藥速度和下落后的堆積密度，可制備出更為適合分步壓裝工藝的炸藥造型粉。梁華瓊等［16］對(duì)以黑索金(RDX)為基的兩種PBX 材料進(jìn)行壓制實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)丙烯腈丙烯酸酯與RDX 的黏結(jié)可以達(dá)到最佳狀態(tài)。

壓制過程中造型粉的粘結(jié)是因?yàn)檎辰Y(jié)劑滲透到相鄰顆粒表面的溝痕會(huì)孔隙中并經(jīng)過固化后產(chǎn)生的嚙合力，如圖2所示［17］。其中，圖2(a)為鑲嵌作用和圖2(b)是個(gè)別點(diǎn)接觸。壓力作用下接觸點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生塑性變形，使接觸區(qū)域增大，從而使界面上相鄰顆粒分子相互作用的數(shù)目增多，導(dǎo)致粘結(jié)力增大。

圖2 不同形貌造型粉顆粒表面接觸狀態(tài)

2 壓制成型過程中裂紋的產(chǎn)生

2.1 裝藥方式造成的裂紋

造型粉裝填模具的方式主要包括自然裝填、人工振實(shí)和機(jī)械振實(shí)，且其裝藥密度依次增大。需要指出的是，無論采用哪種裝填方式以，所得造型粉在模具里的充填密度都不可能是完全均勻的［18］。由于這種局部裝藥密度的不均勻?qū)е履Ｇ粌?nèi)造型粉顆粒的壓制力學(xué)行為不一致，從而增加了成型后壓坯產(chǎn)生裂紋的可能性。

2.2 壓制時(shí)間

在保壓階段，造型粉的致密化過程主要包括3 種方式:充填、顆粒的變形和破碎。一般來說，較長的壓制時(shí)間不僅有利于造型粉完成充足的致密化行為，使得炸藥部件更加密實(shí)，而且可以使壓制壓力傳遞充分，從而有利于提高炸藥部件密度和強(qiáng)度，因而其產(chǎn)生裂紋的幾率也相應(yīng)下降［19］。

2.3 泄壓速率

在造型粉壓制成型中，泄壓速是一個(gè)至關(guān)重要的工藝參數(shù)。過快的泄壓速率會(huì)導(dǎo)致蓄積于已成型的炸藥部件內(nèi)的彈性后效在極短的時(shí)間內(nèi)迅速釋放，導(dǎo)致炸藥部件某些顆粒嚙合薄弱的部位遭致破壞，進(jìn)而萌生裂紋甚至破壞性的宏觀斷裂。

2.4 其他工藝條件

造型粉預(yù)熱溫度和模藥組合真空度也對(duì)炸藥壓坯性能有著重要影響。造型粉預(yù)熱的目的主要是為了使炸藥顆粒表面包覆的粘結(jié)劑層發(fā)生軟化，其有利于在壓制過程中炸藥顆粒間相互充分嚙合，從而有效降低或減少裂紋產(chǎn)生的幾率和改善炸藥部件的質(zhì)量。造型粉以松散狀態(tài)裝入模具后，炸藥顆粒間的孔隙充填著空氣。如果這些氣體在成型前不經(jīng)過預(yù)先抽空，泄壓時(shí)這些被壓縮的高壓氣體就必定要膨脹。封閉空隙內(nèi)的高壓氣體可能會(huì)破壞造型粉顆粒間的機(jī)械嚙合，引發(fā)炸藥部件內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，如圖3 所示。此外，被壓縮的高溫、高壓氣體在炸藥壓制成型過程中極易形成“熱點(diǎn)”，這也將對(duì)炸藥精密成型作業(yè)過程帶來極大的安全隱患。因此對(duì)造型粉進(jìn)行充分預(yù)熱和盡可能低的模藥組合真空度都將有利于防止裂紋的產(chǎn)生。

圖3 封閉的高壓氣體使顆粒間的粘結(jié)破裂

3 脫模過程引發(fā)的裂紋

在生產(chǎn)實(shí)際中，當(dāng)卸除壓制壓力后，為了是炸藥部件從鋼模中脫出，一般需要施加一定的壓力，這個(gè)壓力就是脫模力。造型粉在成型過程中其壓坯表面的的粉末劇烈塑性變形往往容易與模壁發(fā)生黏連，這就導(dǎo)致了脫模難度的加大，因而炸藥部件某些強(qiáng)度不高的地方在脫模過程產(chǎn)生裂紋［20］。一般情況下，加入合適的的潤滑劑是降低炸藥部件脫模力的有效手段之一，從而有利于降低或者避免其在脫模過程中產(chǎn)生裂紋的可能性。

4 彈性后效造成的裂紋

所謂彈性后效是指卸除壓制壓力和將炸藥部件頂出鋼模之后，由于內(nèi)應(yīng)力的作用，炸藥部件發(fā)生彈性膨脹的現(xiàn)象［21］。造型粉在壓制成型過程中同時(shí)發(fā)生彈性變形和塑像變形，從而在炸藥部件內(nèi)部蓄積起很大的彈性勢能(又稱之為內(nèi)應(yīng)力)，其力圖阻止造型粉致密化。一旦外加載荷卸除后，炸藥部件將發(fā)生不可逆的彈性膨脹，這種彈性膨脹將導(dǎo)致其內(nèi)部強(qiáng)度薄弱的地方顆粒間發(fā)生脫粘、裂紋甚至開裂，因而在壓制完成泄壓和后處理工藝中，應(yīng)該使彈性后效盡可能緩慢而又均勻的釋放。

5 其他因素

5.1 溫度沖擊可能造成的裂紋

隨著軍事變革的日新月異，炸藥部件的整裝存儲(chǔ)和交付成為主流，這就對(duì)炸藥部件的綜合性能提出了更高的要求。而環(huán)境溫度沖擊將會(huì)使炸藥部件產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而直接影響武器系統(tǒng)的毀傷效能。尹俊婷等［22］對(duì)壓制成型PBX 進(jìn)行了溫度沖擊損傷實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明溫度沖擊、低溫存儲(chǔ)和沖擊實(shí)驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致炸藥部件產(chǎn)生裂紋。李敬明等［23］對(duì)TATB 基PBX 炸藥進(jìn)行了-40 ～+75℃的熱沖擊循環(huán)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)循環(huán)熱應(yīng)力會(huì)使炸藥部件的力學(xué)性能降低。

周棟等［24］指出隨著沖擊能量增加，炸藥部件所承受的溫度效應(yīng)愈發(fā)顯著，其損傷機(jī)制從純物理損傷向化學(xué)損傷過度。田勇等［25］研究結(jié)果表明:在一定的熱沖擊溫度差范圍內(nèi)，PBX 試樣的熱沖擊裂紋損傷程度隨著熱沖擊溫度差的增加而加劇，且損傷破壞率隨著熱沖擊溫度差的增加而增加。相對(duì)而言，由于金屬粉末冶金過程還有后續(xù)燒結(jié)環(huán)節(jié)，因此環(huán)境溫度對(duì)其壓坯質(zhì)量的影響考慮得不多。劉瑞鵬［26］等發(fā)現(xiàn)低溫加載時(shí)含鋁炸藥部件易萌生裂紋，單獨(dú)的高溫加載其通常不會(huì)產(chǎn)生裂紋，熱循環(huán)溫度沖擊將會(huì)加劇裂紋損傷(如裂紋尺寸變寬等)。表1 為炸藥壓坯低溫環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果。

表1 炸藥壓坯低溫環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果

5.2 外加載荷造成的裂紋

在武器系統(tǒng)中，炸藥件要承受一定外加載荷，這也是其產(chǎn)生裂紋的原因之一。當(dāng)炸藥壓坯所承受的外界載荷大于其拉伸或壓縮強(qiáng)度其將會(huì)萌生裂紋，進(jìn)而裂紋擴(kuò)展，以致炸藥壓坯整體開裂。李俊玲等［27］利用高速攝影和數(shù)字相關(guān)分析技術(shù)對(duì)PBX 的拉伸斷裂損傷進(jìn)行了分析，結(jié)果表明裂紋萌生的機(jī)制為粗大的晶體顆粒會(huì)斷裂，細(xì)小的晶體顆粒發(fā)生界面脫粘。周棟等［24，28］結(jié)合數(shù)值模擬和沖擊實(shí)驗(yàn)等獲得了PBX 微裂紋擴(kuò)展速度方程。Liu 等［29］于研究了熱-力偶爾作用對(duì)PBX 模擬材料的開裂行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著溫度的上升壓坯的強(qiáng)度不斷降低。需要指出的是，長時(shí)間作用的較小外界載荷會(huì)使炸藥壓坯發(fā)生疲勞蠕變，從而也會(huì)引發(fā)裂紋損傷。

6 裂紋愈合

早在19 世紀(jì)20年代，Griffith 就指出材料斷裂雖不是一個(gè)可逆的過程，但若裂紋很小，則對(duì)材料進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，通過熱激活使裂紋面上原子處于相互作用的區(qū)域內(nèi)，可能實(shí)現(xiàn)裂紋的愈合［30，31］。在炸藥后處理技術(shù)研究過程中，發(fā)現(xiàn)了一些可以改善炸藥件內(nèi)部質(zhì)量，提高力學(xué)性能，愈合初始損傷的實(shí)驗(yàn)方法。20 世紀(jì)70年代初，美國勞倫斯利弗摩爾國家實(shí)驗(yàn)室的Harrell 等［32］人對(duì)Bartherm 處理方法進(jìn)行過研究，觀察到了成型PBX 炸藥件宏觀性能(密度及密度均勻性、力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性等)的改善效果。田勇等［33］人采用超聲方法研究了熱處理對(duì)PBX 內(nèi)部質(zhì)量的影響，結(jié)果表明適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢愿倪M(jìn)PBX 的內(nèi)部質(zhì)量。蘭瓊等［34，35］近來報(bào)道熱—力耦合作用可使1 mm 寬度以下的裂紋實(shí)現(xiàn)較好的愈合效果，這也進(jìn)一步拓寬了含能材料裂紋損傷防治的研究思路，如圖4 所示。但是，PBX 是一種含能敏感和晶體顆粒高度填充的復(fù)合材料，其材料本身的性能和損傷形成機(jī)理等與其他材料有很大的區(qū)別，工程材料愈合研究領(lǐng)域所采取的多種方法及研究所得的理論是否適用于炸藥材料，需要開展進(jìn)一步的深入分析和研究。

圖4 溫壓時(shí)效處理前后裂紋區(qū)CT 切片

7 結(jié)論

本文針對(duì)炸藥壓制成型過程的可能導(dǎo)致壓坯出現(xiàn)裂紋的原因進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出了針對(duì)性防治措施。需要指出的是，近來有關(guān)炸藥裂紋損傷機(jī)理的研究在國內(nèi)外已取得一定的進(jìn)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通過數(shù)值模擬預(yù)測裂紋萌生的規(guī)律，從而制定出合理的防治措施是未來壓裝炸藥件質(zhì)量提高的最為有效的方法之一。探索適合于PBX 含能材料的細(xì)觀力學(xué)模型，對(duì)于從機(jī)理上理解炸藥的裂紋損傷及其愈合將具有重要意義。

［1］Xiao J J，Huang H，Li J S，et al. Computation of interface interactions and mechanical properties of HMX-based PBX with Estane 5703 from atomic simulation［J］.Journal of Materials Science，2008，43 (17):5685-5691.

［2］黃培云. 粉末冶金原理［M］. 北京:冶金工業(yè)出版社，1997.

［3］Hernández J A，Oliver J，Cante J C，et al.Numerical modeling of crack formation in powder forming processes［J］.International Journal of Solids and Structures，2011，48(2):292-316.

［4］McDonald S A，Motazedian F，Cocks A C F.Shear cracking in an Al powder compact studied by X-ray microtomography［J］.Materials Science and Engineering A，2009，508(1 -2):64-70.

［5］Yang H Q，Bao R，Zhang J Y，et al.Crack growth behaviour of a nickel-based powder metallurgy superalloy under elevated temperature［J］. International Journal of Fatigue 2011，33 (4):632-641.

［6］Huang J C，Shin C S，Chan S L I，et al.Effect of temper，specimen orientation and test temperature on tensile and fatigue properties of wrought and PM AA6061-alloys［J］.2004，26(7):691-703.

［7］Wang L，Yao G C，Liu Y H，et al，Study on Crack-like Pores of Al Foams Made via the Powder-Metallurgy Route［J］.Advanced Engineering Materials，2010，12(1-2):50-53.

［8］Torres Y，Rodriguez S，Mateo A，et al. Fatigue behavior of powder metallurgy high-speed steels:fatigue limit prediction using a crack growth threshold-based approach［J］.Materials Science ＆ Engineering A，2004，387-389:501-504.

［9］陳鵬萬，黃風(fēng)雷.含能材料損傷理論及應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2006.

［10］陳鵬萬，丁雁生，陳力.含能材料裝藥的損傷及力學(xué)性能研究進(jìn)展［J］.力學(xué)進(jìn)展，2002，32(2):212-222.

［11］Siviour C R，Gifford M J，Walleys M，et al. Particle size effects on the mechanical properties of a polymer bonded explosive［J］.Journal of materials science，2004，39:1255-1258.

［12］馬福康.靜壓技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1991.

［13］孫業(yè)斌，惠君明，曹欣茂.軍用混合炸藥［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1995.

［14］Zhou Z B，Chen P W，Duan Z P.Comparative study of the fracture toughness determination of a polymer-bonded explosive simulant［J］.Engineering fracture mechanics，2011，78(17):2991-2997.

［15］董軍，趙省向，韓仲熙.黏結(jié)劑對(duì)含鋁炸藥造型粉流散性和堆積密度的影響［J］. 火炸藥學(xué)報(bào)，2009，32(4):54-59.

［16］梁華瓊，雍煉，唐常良.RDX 為基的PBX 炸藥壓制過程損傷形成研究［J］.含能材料，2009，17(6):713-716.

［17］王紅彥，張樹海.造型粉的制備的粘結(jié)理論［J］.山西化工，2008，28(2):30-32.

［18］韓鳳麟.粉末冶金零件壓制成型中裂紋的成因與對(duì)策［J］.粉末冶金技術(shù)，1999，17(4):209-215.

［19］Oyane M，Shima S，Kono Y.Theory of plasticity for porous metals［J］. Bull Japan society of Mechanical Engineering，1973，16(99):1254-1262.

［20］董林峰，李從心.粉末冶金零件成型脫模過程中形成的裂紋［J］.汽車工藝材料，2000(12):38-40.

［21］范欽珊.材料力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［22］尹俊婷，袁寶慧，牛鵬俊.炸藥損傷及損傷炸藥環(huán)境適應(yīng)性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2008，31(2):78-80.

［23］李敬明，溫茂萍，黃毅民.熱循環(huán)對(duì)TATB 基高聚物粘結(jié)炸藥性能的影響研究［J］. 含能材料，2005，13(4):208-210.

［24］周棟，黃風(fēng)雷，姚惠生.PBX 炸藥細(xì)觀損傷的實(shí)驗(yàn)研究［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2007，30(3):16-18.

［25］田勇，張偉斌，溫茂萍.JOB-9003 高聚物粘結(jié)炸藥熱沖擊損傷破壞相關(guān)性研究［J］.含能材料，2004，12(3):174-177.

［26］劉瑞鵬，王世英，王淑萍..環(huán)境溫度對(duì)含鋁炸藥裝藥裂紋的影響研究［J］.火工品，2012(3):30-33.

［27］李俊玲，傅華，譚多望.PBX 炸藥的拉伸斷裂損傷分析［J］.爆炸與沖擊，2011，31(6):624-629.

［28］周棟，黃風(fēng)雷，姚惠生.PBX 炸藥粘彈性損傷本構(gòu)關(guān)系研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(11):945-960.

［29］Liu Z W，Xie H M，Li K X，et al.Fracture behavior of PBX simulation subject to combined thermal and mechanical loads［J］.Polymer Testing，2009，28(6):627-635.

［30］Toohey K S，Sottos N R，Lewis J A，et al.Self-Healing Materials with Microvascular Networks［J］. Nature Materials，2007(6):581-585.

［31］Chen X X，Madam，K One，et al.Procedures developed for self-repair of polymer matrix composite materials［J］. Science，2002，295:1698-1720.

［32］Harrell D. Bartherm processing of small LX-14 pressings［R］.MHSMP-75-20F，1975，1-3.

［33］田勇，張偉斌，李敬明.采用超聲波特性參量研究PBX炸藥的熱處理［J］.含能材料，2006，14(1):53-55.

［34］蘭瓊，韓超，雍煉.低壓熱處理對(duì)PBX 炸藥件密度及內(nèi)部質(zhì)量的影響［J］.含能材料，2008.16(2):185-187.

［35］蘭瓊，戴斌，楊白鳳.溫壓時(shí)效處理PBX 內(nèi)部裂紋愈合現(xiàn)象研究［J］.含能材料，2013，21(2):205-208.