CN114147233B - 一种导弹战斗部壳体及其增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导弹战斗部壳体及其增材制造方法，采用高强钢/钨梯度材料壳体+高强钢内部支撑的方式，能够提高导弹的装药量和毁伤效果。本发明提出了高强钢/钨梯度材料壳体的增材制造工艺参数调控方法，能够获得外强内韧的壳体。本发明提出了增材制造战斗部壳体热处理方法，能够进一步提升壳体性能。本发明为新型导弹战斗部壳体的制造提供了一种切实可行的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造的技术领域，尤其是涉及一种导弹战斗部壳体及其增材制造方法。
背景技术
钻地导弹是一种携带侵彻战斗部，用于攻击机场跑道、地面加固目标、地下设施等目标的导药。钻地弹头由载体和侵彻战斗部组成，其主要毁伤原理为采用延时引信，使搭载的侵彻战斗部在接触目标的瞬间不立即***，而是滞后***时间，待侵彻战斗部钻入被攻击目标后再发生***，以增大***威力和毁伤效果。动能侵彻战斗部是目前应用最广泛、技术成熟度最高的侵彻战斗部类型，在世界各国的钻地弹中均有使用。随着导弹末段的速度的提高，对动能侵彻战斗部壳体的也提出了更高的要求，要求其具有高强度、高耐磨性以及良好的抗冲击能力。传统战斗部壳体采用锻造+焊接的制造方法，无法制造复杂的结构，焊接区域容易出现材料不均匀和应力集中等问题，限制了其性能的进一步提高。
金属增材制造技术是将快速原型技术和金属熔覆技术相结合的一种先进制造技术。增材制造过程中，高能热源不断形成微小熔池，微小熔池内部金属原材料进行冶金反应，可实现高性能材料制备与复杂构件制造一步完成。增材制造技术高度柔性的特质可以实现高性能非平衡材料与复杂结构制造，成形构件具有无宏观偏析、成分均组织致密的快速凝固非平衡组织，综合力学性能优异。利用高能热源直接制造金属零件的增材制造技术已广泛应用于航空、航天和国防科技中高性能关键零部件的快速制造或修复。目前，增材制造技术已经用于制备高温合金、钛合金、高强钢、金属基复合材料、金属间化合物等材料的成形件。
发明内容
本发明的目的，即在于采用金属增材制造技术制造新型导弹战斗部壳体。本发明创新性的提出了梯度材料壳体+内部支撑结构的新型战斗部壳体结构，能够在保证强度的前提下，进一步减少壳体重量，提高战斗部装药量，同时内部支撑结构部分在战斗部***时将产生大量破片，能够大大提升侵彻战斗部钻地深度和导弹毁伤能力。
本发明的技术方案具体为，一种导弹战斗部壳体的增材制造方法，所述导弹战斗部壳体包括外部壳体部和内部薄壁支撑部，其特征在于包括以下步骤：
1）采用激光加工头产生环形光斑、光内同轴送高强钢粉的方式，沿着目标内部薄壁支撑部的形状的路径，进行从下至上的层层单道扫描，以成形内部薄壁支撑部；
2）采用激光加工头产生环形光斑、光内同轴送高强钢粉的方式在一层内，沿着目标外部壳体部的形状的路径，进行由内向外的第一多道搭接扫描；随后，采用激光加工头产生环形光斑、光内同轴送高强钢和钨粉混合粉的方式在该同一层内，继续沿着目标外部壳体部的形状的路径，进行由内向外的第二多道搭接扫描，所述第二多道搭接扫描的高强钢和钨粉混合粉中钨粉所占的比例由内圈向外圈逐渐增加；随后，采用激光加工头产生环形光斑、光内同轴送钨粉的方式在该同一层内，继续沿着目标外部壳体部的形状的路径，进行由内向外的第三多道搭接扫描；由此完成目标外部壳体部一层的扫描。
3）沿着目标外部壳体部的形状的路径，从下至上地重复步骤2），直至完成全部外部壳体部的扫描；
4）对导弹战斗部壳体进行热处理。
进一步优选的，所述激光加工头内部设置混粉部，所述混粉部内有多层平行设置的均布通孔的粉盘。
进一步优选的，所述高强钢的成分的质量百分含量为，C 0.17-0.21，Cr 6.3-6.5，Co 7-7.5，Mo 3-3.2，V 0.55-0.7，Nb 0.7-1.2，Fe余量。
进一步优选的，步骤1）中，光斑直径为1~1.5mm，扫描速度为300~400mm/min，激光功率为1500~2500W，送粉量为300g/h~450g/h。
进一步优选的，步骤2）中，光斑直径为1.5~2.5mm，扫描速度为300~400mm/min，送粉量为450g/h~750g/h，搭接率为40%~50%；所述第一多道搭接扫描的激光功率P0为2500~3500W，所述第二多道搭接扫描的激光功率P= P0+nP0w，其中w为扫描当圈的高强钢和钨粉混合粉中钨含量，n为钨粉经验系数，取值为2.25-2.35。
进一步优选的，步骤4）的热处理为，首先将导弹战斗部壳体随炉升温至1200℃并保温1h，使之完全奥氏体化，然后进行淬火；淬火完成后加热到455℃保温3.5小时。
进一步优选的，当导弹战斗部壳体的厚度小于20mm时，淬火采用低温氮气对零件进行高速冷却；当导弹战斗部壳体的尺寸较大时，淬火采用油淬。
进一步优选的，外部壳体部中，以厚度比计算，高强钢部分占比为15%-20%，梯度部分占比为50%-60%，钨部分占比为25%-30%。
本发明还提供了一种新型导弹战斗部壳体，其由上述增材制造方法制备得到。
与现有技术相比，本发明采用金属增材制造技术制造新型导弹战斗部壳体，创新性地提出了梯度材料外部壳体部+内部薄壁支撑部的新型战斗部壳体结构，能够在保证强度的前提下，进一步减少壳体重量，提高战斗部装药量，同时内部支撑部分在战斗部***时将产生大量破片，能够大大提升侵彻战斗部钻地深度和导弹毁伤能力。同时，本发明研发了新型高强钢/钨梯度材料，实现高强钢和钨的良好结合，使侵彻战斗部壳体表面具有极高的耐磨性和强度，同时内部又有不错的韧性和抗冲击性能。此外本发明提出了新型战斗部壳体的热处理制度，能够促进细小碳化物析出，提高强度和硬度。
附图说明
图1为本发明导弹战斗部壳体纵向剖面示意图。
图2为本发明导弹战斗部壳体横向剖面示意图。
图3为本发明增材设备的结构示意图。
图4为本发明激光加工头内部混粉部的结构示意图。
图5为本发明增材制造导弹战斗部壳体的热处理工艺图。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行描述。
具体的，本发明的导弹战斗部壳体的增材制造方法，通过如下的方法实施：
图1为本发明的导弹战斗部壳体的纵向剖面示意图，如图1所示，其整体结构与传统侵彻战斗部类似，但是其外壁厚度降低，内部空间变大。图2为本发明的导弹战斗部壳体的横向剖面示意图，如图2所示，内部增加了薄壁支撑部结构，能够提升钻地深度，提升装药量。内部薄壁支撑部在战斗部***时，会产生大量细小破片，增强毁伤效果。内部薄壁支撑部采用高强钢，而外部壳体为高强钢/钨梯度材料。
传统的高强钢一般碳含量较高，凝固过程中易开裂，使用旋转电极雾化法无法制备出合格的球形粉末，从而难于作为激光增材制造的原材料。本发明研究了新型增材制造专用高强钢YDS015（其成分如表1所示），并制备出粒径均匀、表面状态良好的球形粉末，其中，加入Cr有利于提高淬透性和一定程度改善耐蚀性，引入Nb、V元素形成细小的碳化物相进一步提高钢的强度和抗冲击性能，加入Mo能够在回火时形成特殊的弥散分布的二次硬化碳化物，提高耐磨性；Co 与 Mo 同时加入能提高合金马氏体受热分解的稳定性，改善钢的红硬性，能够侵彻战斗部钻地攻击时产生的高温下保持强度。专用高强钢YDS015主要用作内部支撑薄壁部的材料使用。
表1 高强钢YDS015粉末化学成分（质量分数%）
| C | Cr | Co | Mo | V | Nb | Fe |
| 0.17-0.21 | 6.3-6.5 | 7-7.5 | 3-3.2 | 0.55-0.7 | 0.7-1.2 | Bal. |
图3为新型导弹战斗部壳体增材制造设备结构示意图，主体采用三轴数控机床，机床具有一个惰性气氛成形枪，激光加工头1通过特殊的光路经过聚焦透镜形成环形光斑，光斑直径最小可达1mm。本发明采用光内同轴送粉的方式，粉末几乎无发散现象，光和粉的耦合稳定性比光外多路同轴送粉要好的多，同时大大减少粉末的浪费，并提高表面质量，提高成形精度。同时，本发明在激光加工头中集成了混粉装置（结构如图4所示），通过高强钢送粉管2和钨粉送粉管3同时送入高强钢粉末和钨粉，混粉装置内部具有小孔的粉盘高速旋转，能够充分将高强钢粉末和钨粉进行混合。通过上述方式，能够使成形时获得组织、成分均匀的构件。
进行内部薄壁支撑部的增材制造时，沿着目标形状的路径，从下至上一层一层进行扫描，内部薄壁支撑部采用单道扫描方式，光斑直径为1~1.5mm，扫描速度为300~400mm/min，激光功率为1500~2500W，送粉量为300g/h~450g/h。
外部壳体部，也是从最下一层开始，采用多道搭接的扫描方式，由内至外沿目标形状的路径扫描，光斑直径为1.5~2.5mm，扫描速度为300~400mm/min，送粉量为450g/h~750g/h，搭接率为40%~50%。外部壳体部采用的梯度材料成形时，关键在于钢粉钨粉混合比例和激光功率的配合。由内至外扫描时，首先送入高强钢粉末，根据外部壳体部的尺寸设计要求扫描相应圈数，此时激光功率P0选择2500~3500W。然后进行钢/钨梯度材料部分的扫描，钨钢比例应根据扫描圈数，每圈依次按比例增加，通过控制混粉装置中送入的钨粉和钢粉的量进行调控。此时由于钨的加入，粉末熔化需要更高的能量，因此激光功率也相应提高。每一圈激光功率P和钨含量w具有如下的经验公式：P= P0+nP0w
式中，P0为高强钢部分扫描时选择的激光功率，n为钨的加入所产生的经验系数，一般为2.25-2.35。此参数为多次试验总结的经验参数，若激光功率过小，则无法使钨粉和钢粉完全熔化，若激光功率过大，钢粉会部分气化影响成形效果。当钨含量达到100%时，此时的激光功率达到最大值，保持此功率继续进行扫描，最终直至整体外部壳体部中，以厚度比计算，高强钢部分占比为15%-20%，梯度部分占比为50%-60%，钨部分占比为25%-30%。
增材制造完成后，壳体需要进行热处理，热处理制度如图5所示。首先随炉升温至1200℃并保温1h，使钢完全奥氏体化，然后进行淬火。尺寸较小的壳体淬火时可采用高速低温氮气对零件进行冷却，在保持一定冷却速度的同时，能一定程度上减少零件的开裂和变形。尺寸较大的壳体，采用气冷方式无法均匀冷却，也无法达到所需的冷却速度，采用油淬进行处理。淬火完成后加热到455℃保温3.5小时，此时一方面时马氏体转变为回火马氏体，提高韧性，另一方面，促进细小的碳化物在基体中弥散析出，提高强度和硬度。
综上所述，本发明采用金属增材制造技术，能够实现一种新型导弹战斗部壳体的制造，采用高强钢/钨梯度材料壳体+内部支撑的方式，能够提高导弹的装药量和毁伤效果。本发明提出了高强钢/钨梯度材料壳体的增材制造工艺参数调控方法，能够获得外强内韧的壳体。本发明提出了增材制造战斗部壳体热处理方法，能够进一步提升壳体性能。本发明为新型导弹战斗部壳体的制造提供了一种切实可行的制造方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种导弹战斗部壳体的增材制造方法，所述导弹战斗部壳体包括外部壳体部和内部薄壁支撑部，其特征在于包括以下步骤：
1）采用激光加工头产生环形光斑、光内同轴送高强钢粉的方式，沿着目标内部薄壁支撑部的形状的路径，进行从下至上的层层单道扫描，以成形内部薄壁支撑部；
2）采用激光加工头产生环形光斑、光内同轴送高强钢粉的方式在一层内，沿着目标外部壳体部的形状的路径，进行由内向外的第一多道搭接扫描；随后，采用激光加工头产生环形光斑、光内同轴送高强钢和钨粉混合粉的方式在该同一层内，继续沿着目标外部壳体部的形状的路径，进行由内向外的第二多道搭接扫描，所述第二多道搭接扫描的高强钢和钨粉混合粉中钨粉所占的比例由内圈向外圈逐渐增加；随后，采用激光加工头产生环形光斑、光内同轴送钨粉的方式在该同一层内，继续沿着目标外部壳体部的形状的路径，进行由内向外的第三多道搭接扫描；由此完成目标外部壳体部一层的扫描；
3）沿着目标外部壳体部的形状的路径，从下至上地重复步骤2），直至完成全部外部壳体部的扫描；
4）对导弹战斗部壳体进行热处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光加工头内部设置混粉部，所述混粉部内有多层平行设置的均布通孔的粉盘。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高强钢的成分的质量百分含量为，C0.17-0.21，Cr 6.3-6.5，Co 7-7.5，Mo 3-3.2，V 0.55-0.7，Nb 0.7-1.2，Fe余量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）中，光斑直径为1~1.5mm，扫描速度为300~400mm/min，激光功率为1500~2500W，送粉量为300g/h~450g/h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）中，光斑直径为1.5~2.5mm，扫描速度为300~400mm/min，送粉量为450g/h~750g/h，搭接率为40%~50%；所述第一多道搭接扫描的激光功率P0为2500~3500W，所述第二多道搭接扫描的激光功率P= P0+nP0w，其中w为扫描当圈的高强钢和钨粉混合粉中钨含量，n为钨粉经验系数，取值为2.25-2.35。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4）的热处理为，首先将导弹战斗部壳体随炉升温至1200℃并保温1h，使之完全奥氏体化，然后进行淬火；淬火完成后加热到455℃保温3.5小时。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当导弹战斗部壳体的厚度小于20mm时，淬火采用低温氮气对零件进行高速冷却；当导弹战斗部壳体的尺寸较大时，淬火采用油淬。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，外部壳体部中，以厚度比计算，高强钢部分占比为15%-20%，梯度部分占比为50%-60%，钨部分占比为25%-30%。
9.一种新型导弹战斗部壳体，其采用权利要求1-8任意一项所述的增材制造方法制备得到。
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