CN111218582B

CN111218582B - 一种具有大开孔效果的药型罩用钛合金

Info

Publication number: CN111218582B
Application number: CN202010122520.5A
Authority: CN
Inventors: 贺川; 徐菡卿; 刘金旭; 蔡奇; 冯新娅; 李树奎; 薛鑫莹
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2040-02-27
Also published as: CN111218582A

Abstract

本发明提供了一种具有大开孔效果的钛合金及其制备方法和在药型罩中的应用，属于合金技术领域。本发明提供的钛合金以质量百分含量计，包括以下元素：Ti 60～75％；Al 0.1～15％；Zr 0.1～25％；Nb 0.1～25％。本发明以塑性较好的B2/β相为基体，高声速和高强度的Ti‑Al和Zr‑Al金属间化合物为增强相，使得该合金兼具良好的强度和塑性，同时，Nb元素的添加使得钛合金具有相对较高的密度，这使得钛合金药型罩具有大开孔、高穿深的特点。同时，本发明采用单质元素粉和粉末冶金法制备钛合金，成本低，易于工业化批量生产。

Description

一种具有大开孔效果的药型罩用钛合金

技术领域

本发明涉及合金技术领域，特别涉及一种具有大开孔效果的药型罩用钛合金。

背景技术

聚能装药是一种一端装有内凹药型罩的装药方式。***形成的爆轰波将会以极高的速度作用到药型罩上，使药型罩以超高应变率发生压缩变形并向中心方向挤压，挤压的过程中会在轴线部位出现碰撞，进而在碰撞的高压作用下，产生沿轴线向外的高速金属射流。在民用上，石油开采过程中常使用聚能装药结构的射孔弹打通钻井套管与产层的混凝土、岩土，实现井筒与油层的贯通，开孔孔径越大，石油的流量越大，相应的开采效率越高；在军用上，聚能装药作为聚能攻坚武器的主装药或串联战斗部的前级装药，其作用是针对混凝土目标获得稳定的开孔，为二级战斗部提供随进通道。此二者均要求聚能装药对混凝土目标在保证穿深稳定的前提下获得更大的开孔，以实现石油的流量或者提高二级随进的装药量。

药型罩是聚能装药毁伤威力的主要部件，而药型罩材料又是决定药型罩性能的关键因素。传统高密度的纯金属及合金药型罩对混凝土的穿深较大，但是开孔较小；活性反应材料或镁、铝等低熔点的轻质合金制备的药型罩对混凝土的开孔较大，但穿深较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有大开孔效果的钛合金及其制备方法和在药型罩中的应用，本发明提供的钛合金具有高密度、高强度和高塑性，用于药型罩材料时具有高射流速度，在保证高穿深前提下针对钢铁、岩石及混凝土具有大开孔效果。

为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种具有大开孔效果的钛合金，以质量百分含量计，包括以下元素：

优选的，包括以下元素：

本发明提供了一种具有大开孔效果的钛合金的制备方法，包括第一方法或第二方法，所述第一方法包括以下步骤：

将Ti粉、Al粉、Zr粉和Nb粉混合，将得到的混合粉末依次进行冷等静压成型和无压烧结，得到具有大开孔效果的钛合金；

所述第二方法包括以下步骤：

将Ti粉、Al粉、Zr粉和Nb粉混合，将得到的混合粉末进行热等静压烧结，得到具有大开孔效果的钛合金。

优选的，所述Ti粉的粒径为5～80μm、Al粉的粒径为5～40μm、Zr粉的粒径为5～50μm、Nb粉的粒径为20～60μm。

优选的，当所述制备方法为第一方法时，所述冷等静压成型的压力为200～400MPa，保压时间为5～50min。

优选的，当所述制备方法为第一方法时，所述无压烧结在真空或保护气体下进行，所述无压烧结的温度为1300～1700℃，时间为1～5h。

优选的，当所述制备方法为第二方法时，所述热等静压烧结在真空或保护气体下进行，所述热等静压烧结的压力为150～200MPa，温度为1100～1250℃，保压时间为1～3h。

本发明提供了上述具有大开孔效果的钛合金在药型罩中的应用。

本发明提供了一种具有大开孔效果的钛合金，以质量百分含量计，包括以下元素：Ti 60～75％；Al 0.1～15％；Zr 0.1～25％；Nb 0.1～25％。本发明以Ti、Al、Nb和Zr形成的B2/β相固溶体为基体，高声速和高强度的Ti-Al和Zr-Al金属间化合物为增强相，使得该合金兼具良好的强度和塑性，同时，Nb元素的添加使得该钛合金与传统TC4钛合金相比具有相对较高的密度，这使得钛合金药型罩具有大开孔、高穿深的特点。同时，本发明采用单质元素粉和粉末冶金法制备钛合金，成本低，易于工业化批量生产。实施例表明，本发明提供的钛合金密度为5.0～5.8g/cm³、致密度大于97％，用于药型罩材料时准静态拉伸屈服强度大于600MPa，临界破坏应变大于0.25；准静态压缩屈服强度大于950MPa，临界破坏应变大于0.4；动态压缩屈服强度大于1200MPa，临界破坏应变大于0.4。

附图说明

图1为实施例1中钛合金药型罩的尺寸图；

图2为实施例1所得钛合金药型罩的实物图；

图3为实施例1静破甲试验后混凝土靶墙正面照片；

图4为实施例1静破甲试验后混凝土靶墙背面照片。

具体实施方式

以质量百分含量计，本发明提供的具有大开孔效果的钛合金包括60～75％的Ti，优选为65～70％。

以质量百分含量计，本发明提供的具有大开孔效果的钛合金包括0.1～15％的Al，优选为5～10％。在本发明中，所述Al能够与Ti、Zr形成Ti-Al、Zr-Al金属间化合物，提高钛合金的强度和声速。

以质量百分含量计，本发明提供的具有大开孔效果的钛合金包括0.1～25％的Zr，优选为10～20％。在本发明中Ti、Al、Nb和Zr形成B2/β相固溶体使得材料的室温及高温塑性提高。

以质量百分含量计，本发明提供的具有大开孔效果的钛合金包括0.1～25％的Nb，优选为5～20％。在本发明中，所述Nb作为高密度元素，能够提高合金的密度。

本发明提供的钛合金密度为5.0～5.8g/cm³，致密度大于97％，晶粒尺寸为100～170μm，晶粒组织为等轴状晶粒基体上分布层片状晶粒。力学性能测试结果表明，本发明提供的钛合金准静态拉伸屈服强度大于600MPa，临界破坏应变大于0.25；准静态压缩屈服强度大于950MPa，临界破坏应变大于0.4；动态压缩屈服强度大于1200MPa，临界破坏应变大于0.4；800℃下准静态拉伸屈服强度可达300MPa，临界破坏应变可达0.72。

对于药型罩材料来说，高应变率下的动态压缩塑性决定了药型罩能否形成有效射流；而动态压缩强度大小决定了其形成射流直径的大小，动态强度越高形成的射流直径越粗；800～1000℃下拉伸塑性决定了形成的射流被拉伸的难易程度，高温拉伸塑性越高，说明形成后的射流越容易被拉伸，在此过程中形成后的射流容易被拉伸变细，从而减小了射流的直径；高温拉伸强度的大小决定了射流是否容易崩散，高温拉伸强度越高射流越不容易离散，倾向于形成完整射流。本发明提供的具有大开孔效果的钛合金具有较高的动态压缩塑性和动态压缩强度以及较高的高温拉伸塑性和高温拉伸强度，作为药型罩材料针对混凝土目标可获得较大的破孔和穿深。

所述第二方法包括以下步骤：

如无特殊说明，本发明所用原料均为市售。

在第一方法中，本发明将Ti粉、Al粉、Zr粉和Nb粉混合，得到混合粉末。在本发明中，所述Ti粉的粒径优选为5～80μm，更优选为10～30μm；所述Al粉的粒径优选为5～40μm，更优选为10～15μm；所述Zr粉的粒径优选为5～50μm，更优选为5～40μm；所述Nb粉的粒径优选为20～60μm，更优选为20～40μm。

本发明优选使用V型混合机进行混合，在本发明中，当使用V型混合机进行混合时，所述混合的转速优选为20～60r/min，更优选为30～50r/min，所述混合的时间优选12～48h，更优选为24～36h。

得到混合粉末后，本发明将所述混合粉末依次进行冷等静压成型和无压烧结，得到具有大开孔效果的钛合金。在本发明中，所述冷等静压成型的成型压力优选200～400MPa，更优选为400MPa；保压时间优选为5～50min，更优选为20～40min。本发明优选使用过冷等静压机进行所述冷等静压成型，当所述钛合金用于制备药型罩时，所述冷等静压成型的模具优选为药型罩专用模具。

在本发明中，所述无压烧结的温度优选为1300～1700℃，更优选为1400～1600℃；所述无压烧结的时间优选为1～5h，更优选为2～4h。

在第二方法中，本发明将Ti粉、Al粉、Zr粉和Nb粉混合，得到混合粉末。在本发明中，所述Ti粉、Al粉、Zr粉和Nb粉的粒径以及混合的具体方式与上文相同，在此不再赘述。

得到混合粉末后，本发明将所述混合粉末进行热等静压烧结，得到具有大开孔效果的钛合金。在本发明中，所述热等静压烧结优选在真空或保护气体下进行，所述真空的真空度优选为低于100Pa，保护气体优选为Ar气，所述保护气体的流速优选为500mL/min；在本发明中，所述热等静压烧结的压力优选为150～200MPa，更优选为160～180MPa，温度优选为1100～1250℃，更优选为1150～1200℃，保压时间优选为1～3h，更优选为1.5～2.5h。本发明优选在热等静压包套中进行所述热等静压烧结。在本发明中，所述热等静压烧结用包套优选为不锈钢包套。

本发明还提供了上述具有大开孔效果的钛合金在药型罩中的应用。本发明提供的钛合金材料制备的药型罩形成的射流速度快、直径大，针对钢铁、岩石及混凝土均可获得较大的破孔和较大的穿深，能够应用于石油射孔弹及攻坚战斗部的聚能装药。

在药型罩结构尺寸完全相同的条件下，采用本发明所述钛合金材料制备的药型罩穿透厚度为8.5倍罩径的C40钢筋混凝土目标的同时可获得0.6倍罩径的入孔和0.5倍罩径的出孔；穿透厚度为11倍罩径的C40钢筋混凝土目标的同时，可获得0.58倍罩径的入孔和0.25倍罩径的出孔；穿透2.5倍罩径的45#钢的同时，可获得0.3倍罩径的入孔和0.2倍罩径的出孔。所得药型罩在保证射孔弹及攻坚战斗部对套管、产层岩土或军事工事穿透深度的前提下，能够获得更大的开孔孔径。

下面结合实施例对本发明提供的具有大开孔效果的钛合金及其制备方法和在药型罩中的应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

钛合金各元素质量百分含量为Ti 65％、Al 5％、Zr 10％、Nb 20％

(1)按上述比例称取Ti粉、Al粉、Zr和Nb粉，各原料的粒径分别为：Ti粉20μm、Al粉10μm、Zr 5μm、Nb粉20μm；

(2)使用V型混料机对原料粉末进行混合，转速20r/min条件下混合48h；

(3)将步骤(2)制得的混合粉料装入药型罩模具中进行冷等静压成型，设置压力250MPa，保压时间20min；其中药型罩的尺寸如图1所示；

(4)通入氩气作为保护气氛，氩气流量为500mL/min，对步骤(3)制备得到的压坯进行无压烧结，烧结温度1550℃，保温时间4.5h，得到具有大开孔效果的钛合金药型罩，实物图如图2所示。

经测试，所得钛合金药型罩密度为5.53g/cm³，晶粒尺寸130～160μm，按照《GB/T228.2-2015》、《GB/T 228.1-2010》、《GB/T 7314-2017》和《GJB 5365-2005》对其室温及高温准静态拉伸屈服强度、室温准静态压缩屈服强度、室温动态压缩屈服强度及其临界破坏应变进行测试，经测试，此钛合金的室温准静态拉伸屈服强度650MPa，临界破坏应变0.25；室温准静态压缩屈服强度960MPa，临界破坏应变0.42；室温动态压缩屈服强度大于1250MPa，临界破坏应变大于0.45；800℃拉伸屈服强度为280MPa，临界破坏应变为0.7。

对所得钛合金药型罩进行静破甲试验，测试标准为《GB/T20488-2006》，经测试，所得钛合金药型罩穿透700mm厚C40混凝土靶墙时，入孔尺寸为49mm，出孔尺寸为42mm，混凝土靶墙的正面、背面照片分别如图3、图4所示；穿透200mm厚45#钢时，入孔尺寸为24mm，出孔尺寸为16.2mm。

实施例2

钛合金各元素质量百分含量为Ti 70％、Al 5％、Zr 10％、Nb 15％

(1)按上述比例称取Ti粉、Al粉、Zr和Nb粉，各原料的粒径分别为：Ti粉35μm、Al粉5μm、Zr 10μm、Nb粉25μm；

(2)使用V型混料机对原料粉末进行混合，转速30r/min条件下混合20h；

(3)将步骤(2)制备得到的混料装填入热等静压包套中进行热等静压烧结，药型罩的尺寸如图1所示；烧结温度1200℃，保温时间2h，真空条件，得到具有大开孔效果的钛合金药型罩。

经测试，所得钛合金药型罩密度为5.25g/cm³，晶粒尺寸100～130μm，按照实施例1的方法对其室温及高温准静态拉伸屈服强度、室温准静态压缩屈服强度、室温动态压缩屈服强度及其临界破坏应变进行测试，经测试，此钛合金的室温准静态拉伸屈服强度为630MPa，临界破坏应变为0.26；室温准静态压缩屈服强度为980MPa，临界破坏应变为0.43；室温动态压缩屈服强度为1300MPa，临界破坏应变为0.5；800℃拉伸屈服强度为300MPa，临界破坏应变为0.72。

按照实施例1的方法对其进行静破甲试验，经测试，所得钛合金药型罩穿透900mm厚C40混凝土靶墙时，入孔尺寸为47.5mm，出孔尺寸为20.5mm。

实施例3

钛合金各元素质量百分含量为Ti 60％、Al 10％、Zr 10％、Nb 20％

(1)按上述比例称取Ti粉、Al粉、Zr和Nb粉，各原料的粒径分别为：Ti粉30μm、Al粉15μm、Zr20μm、Nb粉20μm；

(2)使用V型混料机对原料粉末进行混合，转速30r/min条件下混合12h；

(3)将步骤(2)制得的混合粉料装入药型罩模具中进行冷等静压成型，设置压力300MPa，保压时间10min；其中药型罩的尺寸如图1所示；

(4)在真空条件下对步骤(3)制备得到的压坯进行无压烧结，烧结温度1650℃，保温时间5h，得到具有大开孔效果的钛合金药型罩，实物图如图2所示。

经测试，所得钛合金药型罩密度为5.31g/cm³，晶粒尺寸120～170μm，按照实施例1的方法对其室温及高温准静态拉伸屈服强度、室温准静态压缩屈服强度、室温动态压缩屈服强度及其临界破坏应变进行测试，经测试，此钛合金的室温准静态拉伸屈服强度为620MPa，临界破坏应变为0.25；室温准静态压缩屈服强度为950MPa，临界破坏应变为0.43；室温动态压缩屈服强度为1200MPa，临界破坏应变为0.5；800℃拉伸屈服强度为255MPa，临界破坏应变为0.68。

按照实施例1的方法对其进行静破甲试验，经测试，所得钛合金药型罩穿透850mm厚C40混凝土靶墙时，入孔尺寸为44.5mm，出孔尺寸为28mm。

由以上实施例可知，采用本发明所述钛合金材料制备的药型罩穿透厚度为8.5倍罩径的C40钢筋混凝土目标的同时可获得0.6倍罩径的入孔和0.5倍罩径的出孔；穿透厚度为10倍罩径的C40钢筋混凝土目标的同时，可获得0.54倍罩径的入孔和0.34倍罩径的出孔；穿透厚度为11倍罩径的C40钢筋混凝土目标的同时，可获得0.58倍罩径的入孔和0.25倍罩径的出孔；穿透2.5倍罩径的45#钢的同时，可获得0.3倍罩径的入孔和0.2倍罩径的出孔。

因此，本发明提供的钛合金具有大开孔效果，用作药型罩材料在保证射孔弹及攻坚战斗部对套管、产层岩土或军事工事穿透深度的前提下，能够获得更大的开孔孔径。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有大开孔效果的钛合金，以质量百分含量计，由以下百分含量的元素组成：

Ti 60~75%；

Al 0.1~5%；

Zr 10~20%；

Nb 15%；

以上各元素之和等于100%；

所述具有大开孔效果的钛合金的制备方法，包括第一方法或第二方法，所述第一方法为以下步骤：

所述冷等静压成型的压力为200~400MPa，保压时间为5~50min；

所述无压烧结的温度为1400~1700℃；所述无压烧结在真空或保护气体下进行，所述无压烧结的时间为1~5h；

所述第二方法为以下步骤：

将Ti粉、Al粉、Zr粉和Nb粉混合，将得到的混合粉末进行热等静压烧结，得到具有大开孔效果的钛合金；

所述热等静压烧结在真空或保护气体下进行，所述热等静压烧结的压力为150~200MPa，温度为1100~1250℃，保压时间为1~3h。

2.根据权利要求1所述的具有大开孔效果的钛合金，其特征在于，以质量百分含量计，由以下百分含量的元素组成：

Ti 65~70%；

Al 5%；

Zr 10~20%；

Nb 15%；

以上各元素之和等于100%；。

3.权利要求1或2所述的具有大开孔效果的钛合金的制备方法，包括第一方法或第二方法，所述第一方法为以下步骤：

所述冷等静压成型的压力为200~400MPa，保压时间为5~50min；

所述第二方法为以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述Ti粉的粒径为5~80μm、Al粉的粒径为5~40μm、Zr粉的粒径为5~50μm、Nb粉的粒径为20~60μm。

5.权利要求1或2所述的具有大开孔效果的钛合金或权利要求3或4所述制备方法制备得到的具有大开孔效果的钛合金在药型罩中的应用。