藥型罩用粉體混合均勻性對射孔彈穿深的影響

李尚杰劉 謙劉媛田斌胡衛(wèi)陽杜啟飛

1物華能源科技有限公司（陜西西安 710061）293428部隊(duì)（河北保定 071051）

射孔彈用藥型罩粉體配方是各生產(chǎn)廠家的核心技術(shù)，粉體配方是否合理直接關(guān)系到射孔彈性能指標(biāo)的高低和穿深穩(wěn)定性。粉末配方中金屬粉顆粒形貌、顆粒大小，金屬粉類型，各金屬粉的比例，混合后金屬粉末的成型性、壓縮性等因素均會影響藥型罩的穿深效果。郭圣延等[1]研究了鉍粉在藥型罩中的作用，研究結(jié)果表明鉍粉對藥型罩?jǐn)U孔和增加藥型罩強(qiáng)度有積極作用；劉迎彬等[2]研究了鉛對粉末藥型罩性能的影響，為替代高價(jià)格鉍粉提供了一定的理論依據(jù)；王毅等[3]總結(jié)討論了W，Co，Ni等金屬材料對以Cu粉為主體的粉末藥型罩密度、成型、能量及破甲性能的影響；何彥麗等[4]利用數(shù)值仿真技術(shù)對大孔徑射孔彈藥型罩配方進(jìn)行了優(yōu)化；景青波等[5]研究了粉末藥型罩金屬粒度級配及熱處理對聚能射流性能的影響，研究結(jié)果表明，由于不同金屬粉的密度不同，在混粉和旋轉(zhuǎn)壓制藥型罩過程中容易形成成分偏聚，對射流侵徹鋼靶影響較大；趙文杰等[6]利用數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行了深穿透藥型罩配方優(yōu)化研究，以銅、鉍為藥型罩主要原材料，通過加入高密度金屬粉改變配方密度進(jìn)而得到侵徹規(guī)律；趙子瑩等[7]研究了在鎢銅合金藥型罩中分別添加鋅和鎳的穿深效果，研究表明鋅和鎳對鎢銅藥型罩的穿深均會產(chǎn)生降低的效果。

上述研究成果均未涉及粉末藥型罩用粉體混合均勻性對穿孔性能影響的相關(guān)內(nèi)容；本研究通過引入金屬粉混合系數(shù)的概念，用數(shù)學(xué)方法來量化金屬粉混合均勻性，進(jìn)而確定金屬粉的加入類型和比例范圍，通過對粉體混合均勻性進(jìn)行評價(jià)來提高藥型罩配方穿孔性能的穩(wěn)定性，為行業(yè)內(nèi)射孔彈質(zhì)量提升提供一種更有效的方法。

1 金屬粉混合系數(shù)

藥型罩配方常用的金屬粉有銅粉、鎢粉、鉍粉、鉭粉、鉬粉、銅鉛粉等，金屬粉在配方中的不同比例、自身密度等因素均會影響混合粉體的均勻性，均勻性降低會導(dǎo)致配方設(shè)計(jì)存在缺陷。根據(jù)物華能源科技有限公司在藥型罩粉體方面的研究成果，引入了金屬粉體混合系數(shù)的概念。混合系數(shù)就是用數(shù)學(xué)方法量化描述這種運(yùn)動趨勢的強(qiáng)弱，成為指導(dǎo)金屬粉混合工作的依據(jù)之一，進(jìn)而為金屬粉配方設(shè)計(jì)提供更好的數(shù)據(jù)支撐。

1.1 粉體特征值設(shè)定

設(shè)配方中各組分粉體都可以用密度乘以平均粒徑作為其特性值（H），表示為：

其中：B為粉體的密度，g/cm3；D為粉體的平均粒徑，cm。

1.2 待混粉體特性平均值的設(shè)定

設(shè)配方待混合粉體的特性平均值為H，Ki為第i種粉體在該配方待混合粉體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中占比越大的粉體，對該配方待混合粉體的特性平均值的影響越大。

配方待混合粉體特性平均值可用式（2）表示：

其中：Bi為第i種粉體的密度，g/cm3；Di為第i種粉體的粒徑，cm；n為參與混合的粉體種數(shù)；Ki為第i種粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。i取1，2，3，…，n。

1.3 混合系數(shù)的設(shè)定

混合系數(shù)是配方中各組分粉體的特性值與配方待混合粉體特性平均值之比。

其中：HM為該批待混合粉體的特性平均值,按照式

（2）計(jì)算得到；Ji為第i種粉體的混合系數(shù)。

當(dāng)i取值1，2，3，…，n時，就可以分別計(jì)算每種粉體的混合系數(shù)J1～Jn。

1.4 混合系數(shù)的意義

（1）混合系數(shù)大小的意義

混合系數(shù)等于1，說明該粉體的密度、平均粒徑與整體待混合粉體的均值基本一致，表示該粉體容易參與混合。

混合系數(shù)小于1，說明該粉體與整體待混合粉體均值相比，比較輕或比較細(xì)，如果其值在0.3以下，就難以混合均勻。

混合系數(shù)大于1，說明該粉體與整體待混合粉體均值相比，比較重或粒徑比較大，其值如果在3以上，就比較難混合均勻。通常，可以用細(xì)化該粉體平均粒徑的方法來減小其混合系數(shù)，從而使混合均勻變得容易。

（2）用混合系數(shù)的大小比值定量分析混合工藝的難易程度

對于待混合的各種粉體，利用前述公式計(jì)算出每一種粉體的混合系數(shù)。

其中：JMAX為整批粉體中最大的混合系數(shù)值，JMIN為整批粉體中最小的混合系數(shù)值。

計(jì)算出其中最大混合系數(shù)和最小混合系數(shù)，并計(jì)算出其比值Z；用差異化比值Z來判斷混合工藝的難易程度。

當(dāng)Z＞3時，說明兩種粉體的特性值差別較大，混合均勻的難度開始增加；如果Z＞6，說明兩種粉體的特性值差別特別大，混合均勻不易實(shí)現(xiàn)。因此，可以通過配方粉體混合是否均勻進(jìn)一步指導(dǎo)配方的設(shè)計(jì)及預(yù)測射孔彈穿孔的穩(wěn)定性。

2 粉體混合均勻性評價(jià)

2.1 藥型罩用粉體配方

選用以銅粉為基體的114型射孔彈藥型罩粉體配方（以下簡稱鎢銅配方），其配方組分如表1所示。

表1 鎢銅配方

配方1和2中原材料的物理性能等參數(shù)如表2所示。

表2 原材料物理性能參數(shù)

2.2 粉體混合均勻性評價(jià)

2.2.1 計(jì)算各粉體的特性值

按照式（1）計(jì)算配方中各粉體的特性值：銅粉的特性值為4.032×10-2，鎢粉的特性值為4.439×10-2，銅鉛粉的特性值為5.664×10-2，鉍粉的特性值為0.064×10-2。

按照式（2）分別計(jì)算兩種配方的特性平均值：配方1的特性平均值為4.6×10-2；配方2的特性平均值為2.9×10-2。

2.2.2 計(jì)算各粉體的混合系數(shù)

按照式（4）計(jì)算配方1各粉體的混合系數(shù)。

銅粉混合系數(shù)：J11=0.88；

鎢粉混合系數(shù)：J21=0.97；

銅鉛粉混合系數(shù)：J31=1.23。

按照式（4）計(jì)算配方2各粉體的混合系數(shù)。

銅粉混合系數(shù)：J12=1.39；

鎢粉混合系數(shù)：J22=1.53；

鉍粉混合系數(shù)：J32=0.02。

2.2.3 計(jì)算混合系數(shù)差異化比值Z

按照式（5）計(jì)算混合系數(shù)差異化比值Z：配方1差異化比值Z1=1.40，配方2差異化比值Z2=76.5。

經(jīng)計(jì)算，配方1差異化比值小于指標(biāo)要求值3.0，說明該配方中銅鉛粉和銅粉的特性值差別較小，粉體混合均勻比較容易；配方2差異化比值遠(yuǎn)大于指標(biāo)要求值3.0，說明該配方中鎢粉和鉍粉的特性值差別較大，粉體混合均勻比較困難。

3 地面靜破甲侵徹試驗(yàn)

3.1 射孔彈選擇

文中選用114型DP45RDX38-2型射孔彈（由物華能源科技有限公司生產(chǎn)），裝藥量38 g，主裝藥為環(huán)三亞甲基三硝胺（RDX）常溫炸藥。

3.2 地面靜破甲試驗(yàn)

測試用目標(biāo)靶為45#均質(zhì)鋼靶，地面靜破甲炸高的選取以地面模擬裝槍穿鋼靶的方式為主，測試該鎢銅藥型罩射孔彈的靜破甲性能，試驗(yàn)裝配示意圖見文獻(xiàn)[8]地面模擬裝槍穿鋼靶試驗(yàn)。破甲深度和開孔孔徑測量結(jié)果如表3所示。

4 結(jié)果分析

根據(jù)SY/T 5128—1997《油氣井聚能射孔器通用技術(shù)條件》中關(guān)于射孔彈地面穿鋼靶破甲深度穩(wěn)定性要求[9]，計(jì)算公式如下。

其中：W為破甲深度穩(wěn)定性，%；S為試樣組標(biāo)準(zhǔn)偏差，mm；X為試樣組穿孔深度平均值，mm。

經(jīng)計(jì)算，表3中配方1的穿孔深度穩(wěn)定性為98.6%，配方2的穿孔深度穩(wěn)定性為92.9%。

表3 破甲深度性能試驗(yàn)結(jié)果 mm

在射孔彈用藥型罩的旋壓工藝、藥型罩參數(shù)、裝藥工藝和壓制工藝等條件相同的情況下，配方粉體的混合均勻性對穿孔深度穩(wěn)定性影響較大，混合越均勻穿深指標(biāo)出現(xiàn)異常值的概率越小，說明射孔彈穩(wěn)定性越高。

上述配方粉體混合系數(shù)差異化比值驗(yàn)證說明，混合系數(shù)之間的差異大小是配方混合均勻程度的關(guān)鍵：混合系數(shù)差異越小，說明各粉體之間的物理指標(biāo)越接近，屬于同質(zhì)化混合，粉體混合容易達(dá)到均勻目標(biāo)；反之，說明存在著粉體差異化混合，粉體之間出現(xiàn)了輕、重粉等混合工藝難題，混合困難。因此，可以用混合系數(shù)來評價(jià)粉體配方設(shè)計(jì)和配方粉體混合工藝是否能夠順利進(jìn)行。

5 結(jié)論

（1）通過金屬粉混合系數(shù)的方法對配方1（含有銅粉、鎢粉和銅鉛粉）的藥型罩粉體進(jìn)行混合均勻性判斷，得到的混合系數(shù)差異化比值為1.4，遠(yuǎn)小于給定的指標(biāo)要求值3，說明該配方中粉體混合均勻性程度較高；而配方2的差異化比值遠(yuǎn)大于指標(biāo)要求值，粉體中鉍粉和鎢粉混合均勻較困難，藥型罩成型質(zhì)量下降，導(dǎo)致穿深指標(biāo)不穩(wěn)定。

（2）通過地面靜破甲侵徹試驗(yàn)，得到配方1的穿孔穩(wěn)定性為98.6%，大于配方2的穿孔穩(wěn)定性，既驗(yàn)證了金屬粉混合系數(shù)的評價(jià)方法對粉體混合均勻性評價(jià)效果的可靠性，又反映了粉體混合均勻程度是射孔彈穿深穩(wěn)定性影響因素之一。