工藝參數對惰性代料高壓熔鑄成型質量的影響

關 通,張向榮,溫永昕,倪 磊,苗飛超,周 霖

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京 100081;2.工程材料與結構沖擊振動四川省重點實驗室,四川 綿陽 621999;3.海軍工程大學 兵器工程學院,湖北 武漢 430033;4.安徽理工大學 化學工程學院,安徽 淮南 232001)

引 言

熔鑄炸藥因其戰時動員能力強、工藝成本低、彈體適應性強等優點成為應用最廣泛的軍用炸藥。但是,熔鑄炸藥成型過程中容易形成縮孔縮松、氣泡、裂紋等裝藥缺陷[1],嚴重影響裝藥的安全性能[2-4]。裝藥缺陷還會導致裝藥密度降低,進而影響彈藥的毀傷效能[5]。

采用加壓熔鑄工藝(或稱壓力注裝)使熔融態熔鑄炸藥在一定的加載壓力下凝固,能夠有效減少裝藥缺陷,提高裝藥密度。加壓熔鑄工藝按加載壓力大小可分為低壓熔鑄和高壓熔鑄。其中,低壓熔鑄通過向彈性氣囊中注入氣體/液體[6],或直接向密封容器中注入氣體[7]實現加壓,實際許用壓力低于2MPa。基于該原理的靜態低壓注裝工藝[8]、低比壓順序凝固工藝[9]等已投入實際應用,生產的藥柱無明顯裝藥缺陷,相對密度可達98%。但由于加載壓力較低,藥柱相對密度難以進一步提高,且僅能使裝藥缺陷移動至藥柱上部,因此需要配合冒口使用[10-11],待藥柱成型后去除冒口并修平面,增加了工藝復雜性和危險性。而高壓熔鑄通過壓機沖頭給進實現加壓,加載壓力可超過100MPa。Witt等[12]最早采用沖頭對熔融態TNT40/RDX60炸藥施加100MPa壓力,制得的藥柱無縮孔,相對密度達98.94%(理論密度為1.7475g/cm3)[13],而常壓熔鑄成型的藥柱存在明顯裝藥缺陷,相對密度僅為96.14%。隨后陳熙蓉[14],張金勇[15]、樊保龍[16]等參考Witt的裝置再次驗證了高壓熔鑄能夠消除裝藥缺陷,并進一步提高裝藥相對密度。但高壓熔鑄工藝相關研究尚停留在重復驗證水平,未見工藝參數對藥柱裝藥質量的影響等應用性研究。

本研究基于高壓熔鑄工藝原理,設計制造了高壓熔鑄成型系統,以及與典型TNT基和DNAN基熔鑄炸藥物理性質相近的惰性替代材料(下文簡稱代料),通過高壓熔鑄成型試驗研究加載壓力、保壓時間以及加壓時機對代料藥柱相對密度和裝藥質量的影響規律,并給出機理分析,探索具有廣泛適用性的最佳工藝參數組合,以期推進高壓熔鑄工藝的工程應用。

1 試 驗

1.1 材料與儀器

80#微晶蠟、季戊四醇硬脂酸酯(PETS)、粗滑石粉(325目)、硬脂酸(工業級,純度98%)、無水硫酸鈉(工業級,純度99%),山東優索化工科技有限公司;超細滑石粉(3000目),新星源化工產品有限公司;氯化鈉,分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

INSTRON5965萬能材料試驗機,美國英斯特朗公司;DSC 204 F1差示掃描量熱儀,德國耐馳公司;100T防爆液壓機,天津天鍛壓力機有限公司;TP9000多路數據記錄儀,深圳拓普瑞電子有限公司;BSA224S-CW分析天平,南京萊步科技實業有限公司。

1.2 惰性代料制備與參數測試

在含能材料領域,采用性質相近、價廉易得的惰性材料作為含能材料的替代物進行工藝預研是降低安全風險和試驗成本的有效手段[17-20]。以微晶蠟、PETS、硬脂酸、滑石粉、無水硫酸鈉、氯化鈉作為主要原料,設計制備了與典型TNT基和DNAN基熔鑄炸藥物理性質相近的惰性代料進行高壓熔鑄成型試驗。在代料體系中,微晶蠟為液相基體,加入PETS以調節體系的結晶潛熱、提高固相顆粒的分散性[21];加入硬脂酸以提高固相顆粒間的潤滑性、改善退模情況[22];加入超細滑石粉以提高代料的力學性能[23]、調節體系的密度;粗滑石粉、氯化鈉、無水硫酸鈉為不同粒徑的固相顆粒。

基于疊加原理計算得到代料的理論密度為1.737g/cm3,固含量為69.9%。采用萬能材料試驗機和差示掃描量熱儀分別對代料的力學性能及熱學參數進行測試,結果見表1。代料的主要熱物性參數均與典型TNT基和DNAN基熔鑄炸藥相近,可以作為高壓熔鑄成型試驗中熔鑄炸藥的替代物。

表1 代料與熔鑄炸藥的熱物性參數對比Table 1 Comparison of thermal properties of simulant composites and melt-cast explosives

1.3 高壓熔鑄成型系統設計

高壓熔鑄成型系統主要由3個模塊構成,分別為高壓熔鑄成型裝置模塊、溫度測試模塊、機械加壓模塊。

高壓熔鑄成型裝置模塊(見圖1)由沖頭、模具、墊片、底模、底座、緊固壓板以及加熱套組成。沖頭與防爆液壓機的加載面連接,通過向下給進實現對熔融態代料的加壓和保壓。模具內腔上半段在徑向存在0.6mm的負梯度,使沖頭向下給進過程中可以排出代料中的氣體;下半段為圓柱形,沖頭與模具的配合間隙控制在6～8絲[29]。上、下墊片采用聚醚醚酮(PEEK)制成,在沖頭作用下會發生徑向膨脹以實現密封;PEEK材料還具有耐熱、耐腐蝕、抗疲勞、絕緣性、自潤滑性等特點[30],能夠避免墊片與模具內壁的摩擦;PEEK材料的導熱系數與熔鑄炸藥相近,使得熔鑄炸藥的上、下端面不會迅速凝固,從而保證熔融態代料各處均勻受壓。緊固壓板通過內側螺栓與底座固連,內側螺栓起到支點作用,轉動外側螺栓可以調整壓板后側的高度,使得壓板前側不斷下壓,從而緊固底座上的模具和底模,避免熔融態代料從模具下方泄露。加熱套中可以通入高溫蒸汽或冷卻水,實現對模具和代料的溫度調控。加熱套與模具間填充了導熱材料,以保證模具各處與加熱套間充分、均勻傳熱。

圖1 高壓熔鑄成型裝置結構和實物圖Fig.1 Structure and physical image of high-pressure molding equipment

熱電偶布設位置如圖2所示。溫度測試模塊用于監測測溫點的溫度變化。由圖1(a)和圖2可知,在距離代料底面20mm高度上,模具外壁A點和代料內B點各布置1組K型熱電偶,與多路數據記錄儀連接。A處測溫點測試全工藝過程中模具外壁的溫度數據。B處測溫點測試開始加壓前代料內部的溫度數據。

圖2 熱電偶布設位置Fig.2 Location of temperature sensor A and B

機械加壓模塊由防爆液壓機及其遠程控制系統組成,可精確控制輸出的加載壓力和保壓壓力。各模塊布置完成后的試驗現場如圖3所示。

圖3 高壓熔鑄成型試驗現場Fig.3 High-pressure molding experiment site

1.4 高壓熔鑄成型工藝流程

高壓熔鑄成型工藝流程主要分為預制代料、熔化、加壓保壓、冷卻退模4個階段:

(1)預制代料:按比例配置代料,并裝配高壓熔鑄成型裝置;

(2)熔化:將250g預制代料塊放入模具,以0.2MPa壓力向加熱套中通入高溫蒸汽15min后關閉,代料充分熔化后攪拌均勻,從模具上端將熱電偶插入代料內B點,以0.2MPa壓力向加熱套中通入冷卻水20s后關閉;

(3)加壓保壓:當代料內B點冷卻至預定溫度時拔出B點熱電偶,迅速放入上墊片和沖頭,在遠程操作間控制沖頭向下給進,達到預定壓力后保壓預定時長;

(4)冷卻退模:當模具外壁A點溫度降至20℃時,松開緊固壓板,取出底模和下墊片,在模具下放置退模筒,控制沖頭繼續向下給進至退模完成,制得尺寸為Φ50mm×74±1mm的代料藥柱。

1.5 試驗方案設計

高壓熔鑄成型過程中影響藥柱裝藥質量的工藝參數主要包括加載壓力、保壓時間和加壓時機。

對于加載壓力,防爆液壓機的啟動載荷為1T,對應加載于代料上表面的壓力Pmin=F0/πr2≈5.09MPa。設置了4種加載壓力,分別為5.09、25.45、50.09和101.80MPa。

對于保壓時間,通過預試驗測得250g代料在常壓工況下完全凝固耗時Δt0=27min。高壓工況下,代料與模具間界面換熱系數提高,凝固耗時會縮短[31]。因此4組保壓時間分別定為欠保壓(10、20min)和過保壓(30、60min)。

加壓時機即開始加壓時刻代料中B點的溫度。兩組加壓時機的溫度分別定為70℃(模具內壁已有一定厚度的凝固層)和80℃(模具內壁沒有凝固層)。

1.6 藥柱密度和裝藥缺陷檢測

采用GJB772A-97方法401.2液體靜力稱量法測定藥柱的平均密度。參考GJB1052-1990《榴彈彈體裝藥、裝配通用規范》中的開合彈法,沿藥柱軸向中心線剖開,觀察藥柱截面,識別藥柱內部缺陷情況。采用工業CT(computer tomography,計算機層析X射線攝影系統)對藥柱不同高度位置進行拍攝,通過CT圖像識別藥柱內部缺陷情況。

2 結果與討論

2.1 工藝參數對代料藥柱相對密度的影響

密度測試表明,常壓工況下凝固成型藥柱的相對密度為94.56%,而高壓工況下凝固成型藥柱的相對密度顯著提高,如圖4所示。

圖4 藥柱相對密度與工藝參數的關系Fig.4 Relationship between the relative density of charge and process parameters

由圖4(a)可知,藥柱相對密度與加載壓力正相關。加載壓力不高于25.45MPa時,相對密度隨著加載壓力的提高顯著增大。加載壓力高于25.45MPa時,對于欠保壓(10、20min)工況,提高加載壓力,相對密度繼續增大;對于過保壓(30、60min)工況,提高加載壓力,相對密度基本不變,甚至有所降低。

對于保壓時間,由圖4(b)可知,加載壓力不高于25.45MPa時,藥柱相對密度隨保壓時間的延長而增大。值得注意的是,加載壓力過低(5.09MPa)時,過保壓工況下成型藥柱的相對密度基本不變。加載壓力高于25.45MPa時,相對密度與保壓時間相關性很低,延長保壓時間不能有效提高相對密度。

對于加壓時機,總體而言80℃加壓成型藥柱的相對密度高于70℃加壓。加載壓力為5.09MPa時,提高加壓時機的溫度能顯著提高相對密度;加載壓力高于5.09MPa時,兩種加壓時機下成型藥柱的相對密度相差較小。

2.2 工藝參數對代料藥柱裝藥質量的影響

通過觀察代料藥柱的外表面和截面(沿藥柱軸向中心線剖開)可以識別其中的裝藥缺陷。不同工況下成型藥柱的裝藥缺陷類型如圖5所示。

圖5 不同工況下成型藥柱中的裝藥缺陷類型Fig.5 Type of defects in charges under different working conditions

由圖5可知,不同工況下成型的藥柱中主要存在以下類型的裝藥缺陷:(1)一次縮孔;(2)縮松;(3)表面縮沉;(4)頂部環狀縮孔;(5)頂部縱向裂紋;(6)頂部橫向裂紋。

藥柱不同高度處的CT圖像如圖6所示。由圖6(a)可知,距藥柱頂部5mm處的CT圖像表明,上面紅圈中的藥柱頂部存在環狀低密度區,即頂部環狀縮松;下面紅圈中的藥柱頂部存在大直徑孔洞,即表面縮沉。圖6(b)為距藥柱頂部18mm處的CT圖像,紅圈中的藥柱中心存在小直徑孔洞,即一次縮孔。

對不同工況下成型藥柱的裝藥缺陷進行統計,結果見表2。未標注缺陷類型則說明該工況下藥柱無裝藥缺陷,為便于選擇最優工況,給出無缺陷工況下藥柱的相對密度。

由表2可知,常壓下成型藥柱存在明顯的一次縮孔、縮松以及表面縮沉,裝藥質量很差。加載壓力較低時藥柱容易出現表面縮沉和頂部環狀縮孔;在加載壓力較高且過保壓的工況下,藥柱靠近受壓面的位置容易出現縱向及橫向的裂紋。在加載壓力為25.45MPa、保壓時間60min、加壓時機80℃工況下成型藥柱的相對密度最高,達到99.90%,且無裝藥缺陷。

2.3 機理分析

2.3.1 加載壓力

熔融態代料在不同加載壓力下凝固成型過程中的補縮機制不同,主要有液相補縮、糊狀補縮和固相補縮。液相基體凝固后體積發生收縮,出現微通道或微空洞,即補縮通道,如果周圍尚未凝固的液相基體及時流入補縮通道,就不會形成縮孔,這就是液相補縮。常壓下藥柱凝固成型過程中的補縮機制主要是液相補縮。

達西定律[32]表明,增大加載壓力能夠提高液相基體補縮速度:

(1)

式中:u為平均補縮速度;K為滲透率,表示對液相基體補縮的阻礙程度;μ為剪切黏度;dp/dx為沿補縮通道方向的壓力梯度;ρ為熔融態藥漿的密度;g為重力加速度。

另一方面,固含量較高時,熔融態代料的表觀黏度顯著增大,固相顆粒也會阻礙液相基體的流動補縮。增大加載壓力,有利于提高液相基體的表面張力,提高對固相顆粒的浸潤性。壓力與液相基體表面張力的關系可用下式描述[33]:

(2)

式中:Pc為補縮通道處的毛細壓力;η為液相基體的表面張力;λ為固相顆粒的體積分數;d為固相顆粒直徑;θ為液相基體與固相顆粒的接觸角。

因此,增大加載壓力能夠提高液相基體的補縮速度,提高液相基體對固相顆粒的浸潤性,促進液相補縮,減少縮孔縮松,從而提高成型藥柱的相對密度。

溫度處于液相線溫度和固相線溫度之間時代料表現為糊狀,流動性顯著降低。假設糊狀代料的流變抗力為:

σγ=γk1σbs

(3)

式中:σγ為糊狀區的流變抗力;γ為糊狀區的固相分數;k1為修正系數;σbs為代料處于固相線溫度時的屈服強度。

因此,增大加載壓力,當代料糊狀區應力高于σγ時就會發生黏性流動,壓縮減少內部的縮孔縮松,這就是糊狀補縮。較低加載壓力下藥柱凝固成型過程中的補縮機制主要是液相補縮和糊狀補縮。

由于模具對藥柱的徑向約束近似為剛性約束,忽略摩擦作用,加載壓力下代料藥柱完全凝固后可近似為三軸壓縮狀態。設代料藥柱在溫度T時對應的三軸壓縮屈服強度為σBT。加載壓力較高時,代料藥柱應力高于σBT的固相區會繼續發生塑性變形,進一步壓縮減少藥柱內部的縮孔縮松,從而提高相對密度,這就是固相補縮。較高加載壓力下藥柱凝固成型過程中的補縮機制有液相補縮、糊狀補縮和固相補縮。但是,當加載壓力高于藥柱的三軸抗壓強度時,可能導致藥柱出現損傷,不利于提高相對密度。

由于常壓工況下僅存在液相補縮,藥柱的相對密度僅為94.56%,提升空間較大。結合圖4(a)分析可知,加載壓力為5.09MPa時,由于增加了糊狀補縮,藥柱的相對密度顯著提高,達97%以上;加載壓力為25.45MPa時,由于增加了固相補縮,相對密度再次顯著提高,達99%以上;進一步增大加載壓力,僅僅是強化了固相補縮,相對密度提升幅度較小,甚至可能使藥柱產生縱向和橫向裂紋,相對密度不升反降。

考慮藥柱與模具內壁的摩擦作用,在距離受壓面不同高度的位置上會出現不同的壓力損失:

Ph=P0e-fk2h/D

(4)

式中:h為當前位置與受壓面的距離;Ph為當前位置的壓力;P0為加載壓力;f為藥柱與模具內壁的摩擦系數;k2為修正系數;D為模具內徑。

由式(4)可知,距離受壓面越近的位置,壓力損失越小,藥柱受到的壓力和摩擦力越大。因此,加載壓力為50.90和101.80MPa,且過保壓的工況容易導致藥柱靠近受壓面的位置出現裂紋[見圖5(c)和(d)],這是藥柱相對密度不升反降的主要原因。

2.3.2 保壓時間

結合圖4(b)分析可知,加載壓力為5.09MPa時,對于欠保壓工況,延長保壓時間能延長液相補縮和糊狀補縮的作用時間,有利于提高藥柱的相對密度;對于過保壓工況,由于加載壓力過低,不足以使藥柱發生固相補縮,延長保壓時間不能繼續提高相對密度。

加載壓力為25.45MPa時,延長保壓時間能延長液相補縮、糊狀補縮和固相補縮的作用時間,因此相對密度與保壓時間呈正相關。

加載壓力為50.09和101.80MPa時,對于欠保壓工況,延長保壓時間能延長液相補縮和糊狀補縮的作用時間,從而提高藥柱的相對密度;對于過保壓工況,反而會導致藥柱損傷,出現縱向或橫向裂紋,相對密度不升反降。

2.3.3 加壓時機

代料中B點冷卻至70℃時,模具內壁已有一定厚度的凝固層,且由于這部分基體凝固帶來的體積收縮,液面會有所下降。此時凝固層的溫度仍較高,屈服強度很低。代料藥柱頂部環狀縮孔的形成過程如圖7所示。

圖7 頂部環狀縮孔形成過程Fig.7 Formation process of the annular shrinkage porosity

由圖7可知,沖頭向下給進過程中,模具內壁的凝固層首先受到推動,不斷發生徑向彎折和軸向鐓粗,卷入氣體或熔融態代料,導致藥柱頂部出現環狀縮孔。

由于熔融態代料凝固后也會體積收縮形成縮孔,若加載壓力較低,不足以排出凝固層卷入的氣體,或不足以及時補縮熔融態代料凝固導致的縮孔,藥柱成型后在頂部就會出現如圖5(b)所示的環狀縮孔,藥柱的相對密度也較低。

加載壓力足夠高時,可通過增強液相補縮、糊狀補縮以及固相補縮作用來消除頂部環形縮孔。由表2可知,僅有加壓時機為70℃、加載壓力5.09和25.45MPa的工況下才會出現頂部環形縮孔,與前文分析一致。

3 結 論

(1)設計制造了高壓熔鑄成型系統,采用物理性質與典型TNT基和DNAN基熔鑄炸藥相近的惰性代料開展了高壓熔鑄成型試驗。

(2)高壓熔鑄成型過程中,除液相補縮作用被增強外,還存在糊狀補縮和固相補縮作用,使得藥柱的裝藥缺陷顯著減少、相對密度顯著提高。

(3)加載壓力應在藥柱三軸壓縮屈服強度和三軸壓縮抗壓強度之間,保壓時間應超過藥柱的凝固耗時,加壓時機的溫度應保證模具內壁尚未出現凝固層。對于本研究采用的代料,最佳工藝參數組合為加載壓力25.45MPa、保壓時間60min、加壓時機80℃,制得的藥柱無裝藥缺陷,相對密度為99.90%。