316L不銹鋼藥型罩SLM成型及威力試驗研究

劉峻豪，李文彬，張 慶，宋 平，黃聲野，郭學(xué)佳

(1.南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室， 南京 210094；2.中國兵器裝備研究院3D打印技術(shù)研究中心，北京 102209)

目前對異形藥型罩以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的周向MEFP戰(zhàn)斗部殼體加工而言，難以利用傳統(tǒng)的加工方式加工，同時傳統(tǒng)的藥型罩加工方法存在加工周期長、工序復(fù)雜并且材料利用率低的問題[1]。而3D打印技術(shù)可以不使用傳統(tǒng)的刀具、夾具制造出任意形狀的零件，這為異形藥型罩以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的周向MEFP戰(zhàn)斗部殼體的制備問題提出了一種新的解決方案。同時3D打印技術(shù)具有材料利用率高、制備周期短等優(yōu)點，這也使得3D打印技術(shù)在聚能戰(zhàn)斗部領(lǐng)域有著較為廣闊的應(yīng)用前景。但紫銅作為目前應(yīng)用最為廣泛的藥型罩材料卻因為反光率大，熱導(dǎo)率高等問題而難以打印，為此需要尋求一種既能夠形成能穩(wěn)定飛行的EFP毀傷元，又能夠利用3D打印技術(shù)快速成型的材料及其打印工藝。

目前國內(nèi)外較為成熟的金屬材料3D打印技術(shù)主要有激光選區(qū)熔化成形技術(shù)(SLM)、激光立體成形技術(shù)(LSF)、電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)(EBSM)等。其中SLM技術(shù)由于具有制造周期短、成本低、應(yīng)用范圍廣、所制備的構(gòu)件性能優(yōu)良、制備過程無需模具以及可直接制備形狀復(fù)雜的構(gòu)件等優(yōu)點[2-3]，得到了國內(nèi)外研究人員及機(jī)構(gòu)大量的研究。如美國的ATK公司采用SLM技術(shù)試制了異性高超音速戰(zhàn)斗部并對其進(jìn)行了靜爆實驗；國內(nèi)的郭美紅[4]研究了SLM加工技術(shù)在預(yù)控破片戰(zhàn)斗部上的應(yīng)用，研究結(jié)果表明：SLM技術(shù)可以應(yīng)用于加工預(yù)控破片戰(zhàn)斗部殼體，而且利用SLM技術(shù)加工得到的預(yù)控破片戰(zhàn)斗部殼體的預(yù)控破碎效果優(yōu)于傳統(tǒng)加工技術(shù)加工得到的殼體；肖磊等[5]研究了基于SLM技術(shù)制備納米奧克托今與梯恩梯熔鑄炸藥的性能，研究結(jié)果表明：SLM成型的藥柱與傳統(tǒng)熔鑄炸藥相比，結(jié)構(gòu)更密實同時抗壓強(qiáng)度及爆速均有所提高。

基于此，本文采用SLM技術(shù)制備了316L不銹鋼藥型罩，通過X光成型及侵徹試驗，研究了不同SLM成型工藝對EFP成型性能和侵徹威力的影響，研究結(jié)果可為SLM 技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)EFP或MEFP藥型罩的制備研究奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)計

1.1 藥型罩結(jié)構(gòu)及材料

試驗中使用的藥型罩結(jié)構(gòu)如圖1，采用弧錐結(jié)合結(jié)構(gòu)，錐角α為140°，球缺部分半徑r1及r2為28 mm，藥型罩直徑D為38 mm。

圖1 藥型罩結(jié)構(gòu)示意圖

打印藥型罩所使用的316L不銹鋼的金屬粉末化學(xué)成分如表1所示，其粉末粒度為15～53 μm。

表1 316L不銹鋼化學(xué)成分

1.2 藥型罩SLM打印成型方法及工藝

激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective Laser Melting，SLM)是近年來發(fā)展起來的一種先進(jìn)的激光增材制造技術(shù)，該技術(shù)通過專用軟件對零件三維數(shù)模進(jìn)行切片分層，獲得各截面的輪廓數(shù)據(jù)后，利用大功率激光束根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)將金屬粉末完全熔化后凝固堆積成形。成形件組織致密，力學(xué)性能達(dá)到或接近鍛件水平。具體打印原理如圖2所示。

圖2 激光選區(qū)熔化成型原理示意圖

圖3為藥型罩制備時打印方向示意圖，箭頭所指方向為激光掃描方向。成型過程中選擇的工藝參數(shù)為：掃描速率1 000 mm/s；激光功率220 W；分層厚度20 μm；激光光斑尺寸80 μm。

圖3 SLM成形藥型罩打印方向示意圖

1.3 SLM成型藥型罩形態(tài)及加工方法

圖4為沿縱向和橫向兩種方向生長的藥型罩毛坯。

圖4 SLM技術(shù)制備的藥型罩毛坯

為了防止打印完成的毛坯因內(nèi)部的殘余應(yīng)力而導(dǎo)致開裂，精加工之前，需要將毛坯先升溫至400 ℃保溫1 h進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火完成后再對藥型罩表面進(jìn)行精加工。最終得到的藥型罩如圖5所示。

圖5 經(jīng)過車削加工后得到的藥型罩

1.4 裝藥結(jié)構(gòu)

試驗中使用的戰(zhàn)斗部的裝藥口徑Dk為40 mm，裝藥高度H為32 mm，長徑比為0.8。采用壓裝聚黑-2炸藥，其密度為1.68 g/cm3，裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖6。

圖6 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

利用SLM成型工藝制備得到的藥型罩壓制得到的戰(zhàn)斗部如圖7。

圖7 試驗中使用的EFP戰(zhàn)斗部

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同打印方向?qū)Τ尚图W(xué)性能的影響

縱向生長和橫向生長的316L不銹鋼成型件的基本性能如表2所示。由表可以看出，縱向生長制備的316L不銹鋼成型件的抗拉強(qiáng)度較橫向生長制備的316L不銹鋼成型件的抗拉強(qiáng)度低，但是縱向生長制備的316L不銹鋼成型件的斷后伸長率更高。

表2 316L不銹鋼成型件的基本性能參數(shù)

2.2 SLM成型藥型罩形成EFP毀傷元的脈沖X光試驗

為驗證藥型罩的成型情況，利用脈沖X光攝像機(jī)拍攝裝藥起爆后50 μs時刻EFP毀傷元的成型情況，利用在EFP飛行路徑上的PCB靶，對EFP的飛行速度進(jìn)行測量，兩靶間距500 mm。

圖8分別為50 μs時刻縱向生長制備的藥型罩和橫向生長制備的藥型罩形成的毀傷元成型的X光照片。從毀傷元形態(tài)上看：SLM成型316L不銹鋼藥型罩可以形成EFP毀傷元，但是由于不銹鋼成型件在高應(yīng)變率下韌性較差，兩種生長方式制備的藥型罩在50 μs時刻均出現(xiàn)了不同程度的斷裂。同時可以看出，采用縱向生長方式制備的藥型罩在50 μs時刻基本保持完整，僅在毀傷元頭部發(fā)生輕微破碎，而采用橫向生長方式制備的藥型罩在50μs時刻其毀傷元尾部已經(jīng)明顯破碎。這是由于通過SLM技術(shù)制備出的成型件因其生長方向的不同，而具有較為明顯的各向異性，縱向生長制備得到的藥型罩在炸藥的加載方向上的塑性較橫向生長制備的到的藥型罩在該方向上的塑性好，在炸藥爆轟壓力的加載下，縱向生長制備得到的藥型罩的成型情況要優(yōu)于橫向生長制備得到的藥型罩。

圖8 316L不銹鋼藥型罩在50 μs時刻毀傷元成型情況

由于本次試驗所選用的藥型罩結(jié)構(gòu)是以銅材料為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化得到的，其結(jié)構(gòu)可能對于SLM成型316L不銹鋼來說匹配性較差，未來在制備用于周向MEFP戰(zhàn)斗部中的藥型罩時，需要進(jìn)一步對藥型罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高藥型罩結(jié)構(gòu)與材料的匹配關(guān)系改善毀傷元的成型性能。

表3為兩種生長方向制備的藥型罩形成的EFP毀傷元的成型參數(shù)。從毀傷元速度上看，兩種打印方向制備的316L不銹鋼藥型罩形成的EFP飛行速度基本一致；橫向生長制備的藥型罩形成的EFP毀傷元的長徑比較縱向生長制備的藥型罩形成的EFP毀傷元的長徑比大61.48%，這主要是因為相同時刻，橫向生長制備的藥型罩形成的EFP毀傷元發(fā)生了斷裂，但是其頭部與尾部沒有完全分離。

表3 兩種生長方向的藥型罩形成的EFP的成型參數(shù)

2.3 SLM成型藥型罩形成的EFP毀傷元的侵徹試驗

為驗證SLM成型藥型罩形成的EFP的侵徹能力，在進(jìn)行脈沖X光試驗的同時在炸高筒底部放置一塊直徑160 mm，厚度為50 mm的45#鋼鋼錠，對SLM成型不銹鋼藥型罩的侵徹威力進(jìn)行驗證，兩種生長方向制備得到的藥型罩形成的EFP侵徹鋼靶的著靶形態(tài)如圖9所示，相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。由圖9及表4可以看出，采用縱向生長得到的藥型罩形成的EFP在著靶前斷裂為兩段，在靶板上形成兩個開孔，這兩個開孔中侵徹深度最大的孔深度為13.2 mm。而橫向生長得到的藥型罩在25倍炸高下已經(jīng)完全破碎，侵徹靶表面有八個深淺不一的開孔，這八個開孔中侵徹深度最大的孔深度為10.9 mm?？v向生長得到的藥型罩形成的EFP的侵徹深度較橫向生長得到的藥型罩形成的EFP的侵徹深度提高了21.1%。這主要是由于在飛行過程中橫向生長制備的藥型罩形成的EFP毀傷元相對與縱向生長制備的藥型罩形成的EFP毀傷元發(fā)生了更為嚴(yán)重的破碎，不利于EFP的侵徹。由此可以看出生長方向為縱向的打印工藝更適合被應(yīng)用于EFP藥型罩的制備中。

圖9 兩種生長方向的藥型罩侵徹鋼錠著靶形態(tài)

表4 兩種藥型罩形成的EFP毀傷元侵徹結(jié)果數(shù)據(jù)

2.4 大炸高條件下侵徹試驗結(jié)果

EFP能夠在大炸高條件下穩(wěn)定飛行并保持較強(qiáng)的侵徹能力。為驗證SLM成型藥型罩形成毀傷元后的飛行穩(wěn)定性及侵徹能力，對SLM成型藥型罩在大炸高條件下進(jìn)行侵徹試驗。試驗中戰(zhàn)斗部距侵徹靶版距離為8 m(200倍裝藥口徑)，侵徹靶板為400 mm×400 mm×10 mm的裝甲鋼板。

考慮到縱向生長的藥型罩在成形過程中較完整，所以在大炸高條件下的飛行及侵徹試驗中使用縱向生長得到的藥型罩。根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]和課題組前期研究結(jié)果可知，裝藥高度提高到72 mm后形成的EFP毀傷元較好，所以在大炸高條件下侵徹試驗中將EFP戰(zhàn)斗部的裝藥高度由32 mm提高到72 mm。

由圖10可以看出，SLM成型的316L不銹鋼藥型罩在飛行200倍炸高之后僅在10 mm厚裝甲鋼靶板上形成了一些深度較淺的著靶痕跡以及一個直徑為23 mm的較規(guī)則的圓形穿孔，這說明采用縱向生長方式制備得到的藥型罩形成的毀傷元較為完整，并且在飛行過程中EFP的飛行姿態(tài)較好沒有發(fā)生失穩(wěn)，這說明SLM成型的316L不銹鋼藥型罩能夠形成可以穩(wěn)定飛行的EFP毀傷元。

圖10 大炸高條件下飛行侵徹試驗?zāi)繕?biāo)靶板

3 結(jié)論

1) SLM技術(shù)制備的316L不銹鋼可以應(yīng)用于聚能戰(zhàn)斗部領(lǐng)域，打印得到的藥型罩能夠形成EFP毀傷元，縱向生長制備的藥型罩的成型情況較橫向生長制備的藥型罩成型情況較好，在25倍炸高條件下縱向生長制備的藥型罩侵徹深度較橫向提高21.1%。

2) 通過對戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提高藥型罩與裝藥結(jié)構(gòu)的匹配性，可以有效改善不銹鋼藥型罩在SLM成型以及飛行過程中的斷裂情況，藥型罩形成的EFP毀傷元能夠?qū)崿F(xiàn)在200倍炸高條件下的穩(wěn)定飛行。

3) 所進(jìn)行的工作屬于SLM技術(shù)在破甲戰(zhàn)斗部藥型罩制備領(lǐng)域的探索性研究，后期將更加深入研究SLM技術(shù)在異形藥型罩的制備以及SLM成型316L不銹鋼材料在周向MEFP戰(zhàn)斗部殼體制備領(lǐng)域的應(yīng)用，全面發(fā)掘SLM技術(shù)在破甲戰(zhàn)斗部藥型罩制備領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。