钨锆铪活性合金破片冲击释能行为实验研究

2019-09-11王璐瑶蒋建伟李梅马宇宇

兵工学报 2019年8期

王璐瑶，蒋建伟，李梅，马宇宇

(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)

0 引言

活性合金[1]是一种可兼顾力与化学性能的新型活性材料，是当前高效毁伤材料领域的研究热点。相对于传统氟聚物类活性材料[2-5]，该类材料具有高密度、高强度、耐受高过载的特点，在弹药领域具有广阔工程应用前景。

近年来，国内外学者就活性合金的力学性能展开了大量研究，结果表明该类材料具有显著高于氟聚物活性材料的力学性能[6-8]。与此同时，一些学者针对此类材料的冲击释能行为开展了研究。例如：Ames[9]研究表明Zr/THV、Hf/THV的释能量优于同体积的AL/PTFE(Zr：锆，THV：四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的聚合物，Hf：铪，Al：铝，PTFE：聚四氟乙烯)；陈伟等[10]通过实验验证了钨锆合金对油箱的爆燃能力；梁君夫[11]通过实验验证了同质量活性合金比钨合金具备更强的引爆屏蔽装药能力；Coverdill[12]通过微观分析指出在爆炸加载下钨锆合金中的钨也参与氧化释能；刘晓俊[13]认为钨锆合金的释能程度与锆含量及其冲击破碎程度相关。以上研究在一种程度上验证了活性合金具备冲击释能潜力，但对活性合金在高速冲击下的释能行为及其影响因素的认识尚有不足。

本文设计一种采用锆、铪作为活性组分，通过真空烧结成型的高密度(11.4 g/cm3)、高强度(压溃力15.6 kN)钨锆铪活性合金球型(直径9.5 mm)破片(以下简称破片)，应用弹道枪驱动破片以不同着速撞击厚度6 mm的Q235钢靶，采用高速摄影方法拍摄破片的冲击释能过程。通过对实验结果进行分析，提出活性合金破片穿靶冲击释能的3阶段模型。应用相关理论建立破片着速与穿靶后的释能关系，得到破片能量被激活和完全释放的临界条件。研究结果对活性合金破片的应用和毁伤评估具有参考价值。

1 实验设计

为研究钨锆铪活性合金破片的冲击释能行为，设计如图1所示的实验系统。该系统由口径12.7 mm弹道枪、区截测速装置、靶板和高速摄影系统组成。通过调整弹道枪的发射药量，对破片着速调控，每组速度工况进行3发重复性实验。

图1 实验现场布置图Fig.1 Experimental setup

1.1 实验破片样品

实验所用活性合金破片的各原料粒径和成分配比见表1，通过真空球磨、冷压成型、脱脂和高温真空烧结等系列工艺制备得到。为保证破片具备长储性，在表层进行镀镍处理，镀层厚度为0.1 mm. 破片直径9.5 mm，密度11.4 g/cm3. 破片准静态压溃时裂纹呈轴向劈裂状，压溃力15.6 kN. 图2所示为破片准静态压溃前后的照片。

表1 活性合金破片的组分配比

图2 准静态压溃前后的活性合金破片照片Fig.2 Photos of W/Zr/Hf RAM fragments beforeand after quasi-static crushing

1.2 靶板

实验靶板选用尺寸200 mm×200 mm、厚度6 mm的Q235钢板。距钢靶1 m处放置尺寸200 mm×200 mm、厚度1 mm的LY12铝板作为验证靶。

1.3 高速摄影系统

采用日本PHOTRON公司生产的FASTCAM APX RS高速摄影系统，设置拍摄频率为10 000帧/s，快门速度为1/15 000 s，以破片撞靶时刻作为计时0点，记录破片穿透靶板前后不同时刻的冲击释能火光区形貌。

2 实验结果与分析

为对比活性合金和惰性金属在高速冲击下的行为差异，选用等质量钨球和实验破片在相同着速下撞击6 mm厚Q235钢靶。

图3 惰性钨破片着速1 500 m/s时的高速摄影照片Fig.3 High-speed video frames of tungsten fragment impacting on Q235 target at 1 500 m/s

图3和图4分别为惰性金属和活性合金撞靶火光的高速摄影照片。对比图3和图4可知：当惰性金属撞靶时，火光仅出现在靶前；当活性合金破片撞靶时，靶后产生持续膨胀的椭球状火光区，并对1 m处验证靶具有毁伤增强能力，表明破片在靶后形成火光区实为高温高压毁伤区(简称毁伤区)。故相比于惰性金属破片，活性合金破片兼具动能侵彻和化学能耦合毁伤的能力。

从图4可知：t=0.2 ms时，靶前(左侧)火光消失，表明破片靶前无活性能耗；t>0 ms后，靶后(右侧)出现逐渐膨胀的毁伤区；t=0.8 ms时，毁伤区右端出现速度远高于其整体速度的粗火线；t=1.3 ms时，毁伤区左端开始湮灭，但毁伤区右端和二次激活产生的粗火线对验证靶仍具有毁伤增强效应。

图5分别为活性合金破片以619 m/s、836 m/s和1 435 m/s着速v撞击钢靶时的入孔和出孔照片。由图5可以看出：穿孔周围无熏黑痕迹，表明此破片在靶前无活性能耗；当着速为836 m/s时入孔呈翻边状，出孔呈韧性破坏模式，孔径1.06D(D为破片直径)；当着速为1 435 m/s时，出孔呈现崩落的环带状，孔径1.445D. 此破片对钢靶的穿孔模式、孔径尺寸与惰性破片相近。

图5 典型钢靶穿孔图片[14]Fig.5 Photos of typical target perforation[14]

毁伤区在逐渐膨胀至湮灭前，其容积存在最大值(见图4)。为建立毁伤区最大容积与破片着速间的关系，图6给出了破片在不同着速下靶后最大毁伤容积的高速摄影照片。

图6 靶后最大毁伤区高速摄影照片Fig.6 High-speed video frames of maximum damage area

从图6中可知：当着速为619 m/s时破片未能穿透靶板，撞靶16 ms后靶前出现微弱火光；当着速为836 m/s时破片穿透钢靶但未形成毁伤区；当着速大于936 m/s时，最大毁伤区容积随着速度的增加而逐渐增大；当着速大于1 300 m/s时，最大毁伤区容积趋于稳定。

3 冲击释能行为讨论

文献[15]对氟聚物类活性材料冲击释能行为研究显示：其在靶前存在大量活性能耗，靶后火光区呈喷射状不规则锥形，释能时间约10.0 ms；而钨锆铪活性合金破片冲击释能实验显示：靶前几乎无活性能耗，靶后火光区呈椭球状，释能时间约为1.0 ms.

综上所述可见，氟聚物冲击释能行为的研究结论并不完全适用于活性合金类材料。基于图3中不同时刻下破片靶后的毁伤区形貌，将其冲击释能行为按照其特征分为3个阶段：冲击激活阶段(t≤0.1 ms)、自蔓延释能阶段(t为0.1～0.7 ms)、二次自激活阶段(t≥0.8 ms)。现对3个阶段进行定性分析，以获得破片能量激活阈值，建立毁伤区容积与着速的关系。

3.1 冲击激活阶段

冲击激活阶段是指破片在外界冲击达到反应阈值时，活性组分被激活实现化学能释放的过程。

已知破片中的活性组分锆、铪在常温下表层产生氧化膜，500 ℃时氧化膜在热应力作用下碎裂，内部活性组分将与氧气发生剧烈反应。故破片被冲击激活的充分条件为：高速撞击过程中破片发生破碎，活性组分与氧气接触；冲击温升高于500 ℃[16].

3.1.1 破片碎裂行为分析

球形破片撞击平面靶板时，应力波传播行为十分复杂。为定性分析，忽略破片内横波效应，将具有非平面波阵面的弹性波和塑性波简化为冲击波[17-18]。图7所示为破片撞击靶板瞬间的冲击波示意图。

图7 破片撞击靶板瞬间冲击波示意图Fig.7 Schematic diagram of instantaneous shock wave of fragment penetrating into a target

由图7可见：撞靶瞬间破片和靶板内分别产生1个大小相等、方向相反的入射压缩波Rf和Rt. 在Rf运动至自由面、产生卸载拉伸波Ff之前，破片与靶板接触面上满足物质连续和压力相等的边界条件，撞击瞬间的冲击压力值满足(1)式：

(1)

式中：ust和usf分别为靶板和破片内冲击波阵面速度；upt、upf分别为靶板和破片内粒子速度；pt和pf分别为靶板和破片的初始冲击压力；ct和cf分别为靶板和破片的材料声速；St和Sf分别为靶板和破片的特征参数；ρt和ρf分别为靶板和破片的密度。由质量平均插值法[19]求得，cf=3 850 m/s，Sf=3.79.

结合靶板的破坏模式(见图5)和毁伤区最大容积时靶后伤区形貌(见图6)，对破片碎裂行为进行分析。图8为典型着靶速度下破片碎裂行为的示意图。

图8 破片靶后碎裂状态示意图Fig.8 Schematic diagram of fracturing state of fragments is after impacting the target

当破片着速为619 m/s(pf=12.96 GPa)时，破片未能贯穿靶板(见图5)且靶前出现微弱火光(见图6)，其碎裂状态如图8(a)所示。分析认为：球形破片自由面处的反射拉伸波未能在初始冲击波到达后端自由面前对其完全卸载，拉伸波造成了破片后端碎裂。靶板内冲击波在自由面产生卸载波，破片前端在多次卸载波作用下进入塑性区形成残余侵彻体。其中碎裂颗粒在空气中发生氧化反应，残余侵彻体在表面氧化后反应终止，表现为微弱火光。此时破片处于未激活状态。

当破片着速为836 m/s(pf=18.6 GPa)时，破片虽贯穿靶板(见图5)但靶后未形成椭球状毁伤区(见图6)，其碎裂状态如图8(b)所示。分析认为：破片在此冲击压力下足以贯穿靶板，在穿靶过程中受到系列冲击波和拉伸波的耦合作用，变成塑性区和碎裂颗粒的组合。当破片着速为836 m/s时，靶后碎裂程度极低，塑性残余侵彻体在飞行过程中仅表层与氧气接触并反应，表现为尺寸与破片直径相当的光点。此时破片处于未激活状态。

当破片着速为936～1 224 m/s(20.3 GPa≤pf≤30.07 GPa)时，破片贯穿靶板(见图5)，靶后最大毁伤区尺寸不尽相同(见图6)，其碎裂状态如图8(b)所示。分析认为：随着冲击压力的增加，破片碎裂程度增加，残余侵彻体质量下降。破片颗粒在飞行过程中与氧气发生剧烈反应，形成毁伤区。此时破片处于部分激活状态。

当破片着速分别为1 300 m/s和1 435 m/s(pf≥32.39 GPa)时，破片贯穿靶板(见图5)，靶后最大毁伤区尺寸相近(见图6)，其碎裂程度如图8(c)所示。分析认为：此冲击压力下破片在初始冲击压力或冲击压缩波与卸载拉伸波的耦合作用下发生完全碎裂，破片颗粒与氧气发生剧烈反应，形成毁伤区。此时破片处于完全激活状态。

根据实验结果分析得到：破片在靶后发生碎裂的压力阈值为20.3 GPa，破片完全碎裂的压力阈值为32.39 GPa.

3.1.2 冲击温升分析

假设破片冲击压缩过程满足Rankine-Hugoniot关系[19]：

(2)

式中：vf为初始状态下破片的比体积；p′f、v′f和ρ′f分别为受冲击后破片的压力、比体积和密度。

建立等容路径下随比容变化的微分表达式为

(3)

式中：C和γ为破片特征参数；Vfi和Vf分别为破片初始和撞击过后的比容；

T=Ta+Tb+Tc，

(4)

(5)

Ti为冲击前破片温度，T为冲击压力为p′f时对应的冲击Hugoniot曲线上的温度，Ta、Tb、Tc是求解(3)式所得T的三项可加和，γG为破片的Gruneisen常数。

基于MATLAB数据处理软件，得到温度T≥500 ℃时对应的瞬间冲击压力pf≥19.4 GPa.

考虑到破片在冲击过程中被激活的充分条件为：满足破片撞靶后碎裂或冲击温升达到500 ℃，故得到破片的冲击激活阈值为19.4 GPa，完全激活阈值为32.39 GPa.

3.2 自蔓延释能阶段

自蔓延释能阶段是指破片在贯穿靶板后，毁伤区尺寸逐渐膨胀至后端湮灭的过程。在此过程中，破片的活性能量伴随着毁伤区整体运动，逐渐释放在靶后不同位置。

基于实验结果与前人对球形破片高速撞靶后产生的碎片云形貌研究结论[20]，定义毁伤区成分如图9所示:毁伤区呈椭球状，且碎片颗粒多集中于右端，其中靶板碎片位于毁伤区外边缘，在高速摄影照片中不发光，破片颗粒位于毁伤区内部。图9中，针对毁伤区参数进行定义：vca为前端轴向速度；vcb为后端轴向速度；ve为径向膨胀速度；La为短轴尺寸；Lb为长轴尺寸；L为有效毁伤距离，即毁伤区容积最大时，毁伤区中心距钢靶的间距。

图9 钨锆铪活性合金破片靶后碎片云区示意图Fig.9 Illustration of W/Zr/Hf RAM fragment’s debris cloud

飞行过程中颗粒与空气的摩擦作用使得ve降低，毁伤区容积达到最大值后，区域呈湮灭趋势。对毁伤区前端取径向切片，构建出如图9所示的自蔓延燃烧模型。根据破片颗粒的反应状态，将其划分为已燃区、燃烧区和预热区。其中：

已燃区位于内外两侧，与空气接触面积大，碎裂颗粒已完全氧化释能，视野内光亮度低。

燃烧区内碎裂颗粒处于氧化反应状态。破片颗粒尺寸较小时，具有更大的比表面积和更小的比热容量。在热辐射作用下，小颗粒率先进入氧化反应状态，并在颗粒表面形成气体与固体燃烧体系并对外界辐射热量。大颗粒在吸收足够热量后发生氧化燃烧反应，且由于其携带更多活性组分而具备更长的燃烧时间，保证燃烧区可持续向预热区进行热量的传导与辐射。

图10 毁伤区最大容积及有效毁伤距离与着速的关系Fig.10 Relationship among the volume of maximum flaming region, the distance behind the target and the impact velocity of fragment

预热区位于云区最内侧，由碎裂颗粒和残余侵彻体组成，与氧气接触面积最小。在受到燃烧区足量的热辐射后，此区域内的颗粒才能进一步反应。

由图10可知，pf≥19.4 GPa时破片处于激活态。在破片活性能量完全释放前，伴随破片着速的增加，最大毁伤区容积呈指数增长趋势，最大火光区靶后距离呈线性增长趋势。当破片着速大于1 300 m/s时，火光区容积为8.95 L，靶后有效毁伤距离为475 mm.

3.3 自激活阶段

自激活阶段是指毁伤区内未达到反应阈值的残余侵彻体，在无外界冲击作用下，自激活并进一步释放能量的过程。

从图4高速摄影照片可知，t=0.8 ms时毁伤区前端出现了速度远高于区域整体速度且方向不定的粗火线。分析认为：残余侵彻体在毁伤区内长期处于热量辐射状态，表层氧化膜热膨胀系数9.6×10-6K-1低于内部锆铪的热膨胀系数1.74×10-5K-1[16]，因此在热应力作用下发生二次碎裂。根据能量守恒原则，二次碎裂颗粒速度远高于残余侵彻体速度，且颗粒在高温、氧气富足环境下被迅速激活与氧发生剧烈反应，实现破片的二次自激活状态。