CN115338422A - 一种提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法 - Google Patents

一种提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法，属于增材制造领域；具体步骤为：步骤1：将药型罩的顶端和底端分别采用夹具固定后，安装于驱动模块的输出端；步骤2：将待喷涂的金属粉末放入冷喷涂送粉装置中，调节喷枪位置，设定冷喷涂工艺参数；步骤3：启动驱动模块，控制药型罩绕其中心轴旋转；同时启动冷喷涂送粉装置，通过喷枪对药型罩表面制备涂层；步骤4：根据工艺要求对冷喷涂制得的多层药型罩的涂层进行机械加工，获得符合设计尺寸要求的多层药型罩。本发明可以在已成形的各种截面形状的药型罩表面制备厚度均匀的涂层，避免了涂层成形难、成形不均匀的问题。

Description

一种提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法。
背景技术
药型罩是破甲战斗部的核心部件，其结构和材料与战斗部破甲能力的高低密切相关。目前用于侵彻的药型罩结构多为薄壁圆锥壳体，***引爆后，药型罩在聚能效应下以极高速度向轴线汇聚，形成一股高速高压流体，作用于毁伤目标，实现侵彻。近年来，装甲武器的防护升级对破甲武器的侵彻和毁伤性能提出了更高要求。传统的单层药型罩材料以紫铜为主，射流部分由药型罩前端小部分内层金属形成，仅占药型罩质量的14％～20％，材料利用率不高，能量转换机制不合理，因此双层药型罩成为人们关注的热点。双层药型罩是指在壁厚方向以一定的比例分配布置两种金属，在破甲过程中由于材料性质不同，内层材料形成射流，外层材料形成杵体，既可以减少重金属材料以降低成本，还能减少能量损失，使射流部分获得更大的速度。外层材料需要有合适的声阻抗、良好的延展性、较低的密度等性能，以减少能量损失且形成连续流体。常用的外层材料有铝、镍、钛等。目前研究较多的是铝铜双层药型罩，外层材料为铝，内层材料为铜。铝是含能材料，在射流部分侵彻目标的同时，铝在高温下会发生强烈的化学反应，释放大量的能量，在提高射流温度和速度的同时具备一定的毁伤能力性能。
多层药型罩的制备技术主要有粉末旋压法、电铸法、气相沉积法、激光熔覆等。粉末旋压法制备药型罩可能会出现粉末分布不均匀导致组织、力学性能较差等问题；电铸法和气相沉积法在制备多层药型罩时存在效率不高、难批量生产等缺点，由于铝和铜极易发生电偶腐蚀，所以电铸法在铜基体上制备纯铝层的技术尚不成熟，气相沉积法在曲面上制备涂层时存在成形不均匀的难题；激光熔覆技术会对基体有较大的热影响，使基体变形，产生挠曲、残余应力不均匀等缺陷。这些尚未解决的难题都严重制约了多层药型罩的制备和应用。
现有技术中提出采用冷喷涂技术制备Al基含能活性金属药型罩，但该方法是在仿形基体表面冷喷涂制备Al基涂层，后续需要对仿形基体进行加工，只适合车削成形制备药型罩，降低了药型罩材料的利用率，且不合适冲压成形、旋压成形、锻造成形、电铸法等工艺制备的药型罩。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法，采用同外形实心材料和三爪卡盘、夹具对单质铜药型罩进行轴向固定，通过冷喷涂技术在基体上制备涂层，实现多层药型罩的制备。所述方法工作效率高、节省药型罩材料、降低了时间和物力成本，且冷喷涂方法对基体热影响小，基体变形小，厚度易控制，涂层孔隙率低，能够适应圆锥曲面等各种截面形状涂层的制备要求，在制备多层药型罩方面有良好的潜力。同时解决了在已成形药型罩的基础上制备双层药型罩时存在涂层制备难、成形不均匀、基体变形大等难题。该方法制备的多层药型罩，能够产生较高的毁伤后效压力效应，提高对目标的破坏能力。
本发明的技术方案是：一种提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法，具体步骤如下：
步骤1：将药型罩的顶端和底端分别采用夹具固定后，安装于驱动模块的输出端；
步骤2：将待喷涂的金属粉末放入冷喷涂送粉装置中，调节喷枪位置，设定冷喷涂工艺参数；
步骤3：启动驱动模块，控制药型罩绕其中心轴旋转；同时启动冷喷涂送粉装置，通过喷枪对药型罩表面制备涂层；
步骤4：根据工艺要求对冷喷涂制得的多层药型罩的涂层进行机械加工，获得符合设计尺寸要求的多层药型罩。
本发明的进一步技术方案是：所述药型罩为圆锥形，且厚度和尺寸大小不限。
本发明的进一步技术方案是：所述夹具装夹面与药型罩表面间隙配合，尺寸相差小于0.5mm，保证药型罩旋转过程中同轴公差小于0.2mm。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，首先对铜材质药型罩和夹具清洗并烘干，然后再将药型罩顶端和底端分别采用夹具固定；
所述清洗的方式为采用纯丙酮试剂进行超声波清洗，以去除药型罩和夹具表面的油渍等污染物，清洗后放入烘干箱中烘干。
本发明的进一步技术方案是：所述金属粉末的颗粒形状为球形或者近球形，粒径为10～60μm。
本发明的进一步技术方案是：所述喷枪位置为药型罩喷涂表面的起始位置，喷枪轴向与药型罩表面切向夹角为80°～90°，整体喷枪加水冷装置，喷枪出口表面与药型罩表面距离为10～40mm。
本发明的进一步技术方案是：所述金属粉末的颗粒形状为15～32μm；所述喷枪的轴向与药型罩表面切向夹角为90°，喷枪出口表面与药型罩表面距离为30mm。
本发明的进一步技术方案是：所述冷喷涂工作气体为氮气，气体压力为1.0MPa～4.0MPa，气体预热温度为200℃～500℃；所述喷枪的移动速度为5mm/s～50mm/s，基体的旋转速度为100r/min～1000r/min，旨在能够形成连续且致密的涂层。
本发明的进一步技术方案是：所述驱动模块包括发动机和三爪卡盘，通过所述三爪卡盘将固定有药型罩的夹具与发动机输出轴连接，实现对药型罩和夹具的旋转驱动。
本发明的进一步技术方案是：所述机械加工方式为车削加工，进刀速度和单道进刀深度视涂层厚度和加工要求而定；常规选择进刀速度为0.1mm/s～1.0mm/s，单道进刀深度为0.1mm～0.5mm。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提供的多层药型罩涂层的增材制造方法，可以在已成形的各种截面形状的药型罩表面制备厚度均匀的涂层。通过药型罩前后两端夹具的轴向固定，使得药型罩在旋转过程中的同轴度误差在0.2mm以内，在冷喷涂过程中控制好药型罩的旋转速度和前进速度以及冷喷涂工艺参数，制备厚度均匀的涂层，避免了涂层成形难、成形不均匀的问题。
涂层性能均匀，制备效率高，对基体变形影响小。纯铝粉末熔点较低，密度小，冷喷涂气体预热温度过高，粉末会在送粉针或喷枪喉部堵塞，导致出粉不均匀或者堵枪；气体预热温度过低，粉末无法实现有效沉积，在本发明的实例中，控制冷喷涂过程中气体预热温度控制在300℃左右，保证了喷枪口出粉均匀，距基体不同距离处的涂层性能差别不大。喷枪加水冷装置，出粉口于基体表面垂直，距基体30mm，提高了粉末沉积效率的同时，避免了过高热量对基体的热变形影响。
减少药型罩材料浪费，节省加工过程的时间和物力成本。采用切削法制备药型罩及双层药型罩会对基体材料造成浪费，但旋压法及电铸法等适合单层药型罩的制备，在已成形的单层药型罩的基础上采用本专利制备多层药型罩，避免了切削基体材料带来的浪费，且涂层制备快速、高效，只需后续对涂层进行加工。
实现在单质铜药型罩基体上制备不同单金属材料或多金属复合材料的涂层，包括铝、镍、钛等金属或合金粉末。只需要将金属粉末按照涂层设计的比例混合均匀，调控好冷喷涂工艺参数即可实现制备，生产效率高，适用范围广。本发明提供的多层药型罩在弹药终点效应时，既能有效穿透装甲目标的防护层，又能够产生较大的有效后效压力，提高弹药对目标的毁伤威力性能。
附图说明
图1为纯铜药型罩；
图2为夹具加持下的冷喷涂工作示意图；
图3为实例1中冷喷涂制备的铝铜双层药型罩(以涂层厚度2mm为例)；
图4为实例1中铝铜双层药型罩表面局部三维深度图；
图5为实例1中铝涂层光学显微镜照片(250X)；
图6为实例2中冷喷涂制备的铝铜双层药型罩(以厚度0.5mm为例)；
图7为实例2中铝铜双层药型罩的表面局部三维深度图；
图8为实例2中铝涂层光学显微镜照片(250X)；
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实例1：
以铝铜双层药型罩涂层为例，多层药型罩涂层增材制造按照如下步骤进行：
(1)对单质铜药型罩和夹具进行清洗，去除表面污渍，纯铜药型罩如图1所示。药型罩两端采用夹具将其固定，夹具夹持下的冷喷涂工作示意图如图2所示。两端夹具与三爪卡盘相接，控制药型罩旋转。
所述药型罩为圆锥形，顶端直径为3mm，底端直径为28mm，锥角角度为50°，药型罩厚度为0.7mm。
所述夹具材料为聚乙烯，加工尺寸与药型罩间隙配合，尺寸相差小于0.5mm。药型罩旋转过程中的同轴误差在0.5mm以内。
所述清洗方式为采用纯丙酮试剂进行超声波清洗，以去除药型罩和夹具表面的油渍等污染物，清洗温度为25℃，清洗时间为15min，超声清洗后放入烘干箱中，设定温度为80℃，烘干20min。
(2)将250g纯铝粉放入冷喷涂送粉装置中，调节喷枪位置，设定喷枪运动路径，调控冷喷涂工作气体压力、气体预热温度、喷枪移动速度和药型罩旋转速度等工艺参数，在药型罩表面制备纯铝涂层。
所述纯铝粉末为球形，粉末粒径为30～60μm。
所述喷枪整体长度为250mm，收缩段长度为30mm，扩张段长度为220mm。
所述喷枪的移动速度为5mm/s，药型罩旋转速度为100r/min，喷枪距离药型罩表面30mm，并于药型罩表面垂直。
所述冷喷涂工作气体为氮气，气体压力为2.6MPa，气体预热温度为300℃，送份速率为3.0g/min，喷涂一遍，涂层厚度为2mm。
(3)根据尺寸、粗糙度等要求对冷喷涂制得涂层进行机械加工，获得符合设计尺寸要求，涂层孔隙率低、组织均匀的铝铜双层药型罩。
所述机械加工方法为车削加工，主要是对涂层厚度进行调整，车刀的进刀速度为0.2mm/s，进刀深度为0.3mm。
本实例中采用冷喷涂技术所制备的药型罩如图3所示，肉眼来看涂层整体厚度较为均匀，底端厚度为2mm。对药型罩表面局部进行光镜下的三维深度拍照，如图4所示，整体深度变化在0.83mm以内，涂层厚度变化不大，在冷喷涂制备涂层的正常范围内。取部分涂层及基体制金相试样，经磨抛后在光镜下观察孔隙率，如图5所示，测得的孔隙率<0.7％；距基体0.2mm处，涂层显微硬度平均值为54HV0.05，距基体0.7mm处，涂层显微硬度平均值为52HV0.05，涂层性能较为均匀；采用粘接拉伸法测量涂层与基体的结合强度为16.8MPa，涂层力学性能良好。所述药型罩在1倍炸高下，能够穿透0.5倍装药口径的装甲钢板，在1立方米的密闭空间内产生0.5MPa的峰值超压，大于对人等有生力量的致死峰值超压阈值-0.1MPa，提高了纯铜药型罩对目标的综合毁伤威力性能。
实例2：
以铝铜双层药型罩涂层为例，多层药型罩涂层增材制造按照如下步骤进行
(1)对单质铜药型罩和夹具进行清洗，药型罩两端采用夹具将其固定，两端夹具与三爪卡盘相接，控制药型罩旋转。
所述药型罩、夹具和清洗烘干方式与实例1一致。
(2)调节喷枪位置，设定喷枪运动路径，调控冷喷涂工作气体压力、气体预热温度、喷枪移动速度和药型罩旋转速度等工艺参数，在药型罩表面制备纯铝涂层。
所述纯铝粉与实例1一致。
所述喷枪与实例1中一致。
所述喷枪的移动速度为10mm/s，药型罩旋转速度为200r/min，喷枪距离药型罩表面30mm，并于药型罩表面垂直。
所述冷喷涂工作气体为氮气，气体压力为2.4MPa，气体预热温度为300℃，送份速率为1.5g/min，喷涂一遍，涂层厚度为0.5mm。
(3)根据尺寸、粗糙度等要求对冷喷涂制得涂层进行机械加工，获得符合设计尺寸要求，涂层孔隙率低、组织均匀的铝铜双层药型罩。
所述机械加工方法为车削加工，主要是对涂层厚度进行调整，由于本实例中制备的涂层较薄，因此设定车刀的进刀速度为0.1mm/s，进刀深度为0.1mm。
本实例中采用冷喷涂技术所制备的药型罩如图6所示，肉眼来看涂层整体厚度较为均匀，底端涂层厚度为0.5mm。对药型罩表面局部进行光镜下的三维深度拍照，如图7所示，整体深度变化在0.57mm以内，涂层厚度较为均匀。取部分涂层及基体制金相试样，经磨抛后在光镜下观察孔隙率，如图8所示，测得的孔隙率<0.1％。距基体0.1mm处，涂层显微硬度平均值为60HV0.05，距基体0.4mm处，涂层显微硬度平均值为54HV0.05，涂层性能较为均匀；采用粘接拉伸法测量涂层与基体的结合强度为20.5MPa，涂层力学性能良好。所述药型罩在1.2倍炸高下，能够穿透0.5倍装药口径的装甲钢板，在1立方米的密闭空间内产生0.4MPa的峰值超压，接近对人等有生力量的致死峰值超压阈值，提高了纯铜药型罩对目标的综合毁伤威力性能。
实例1与实例2总共用时在40分钟以内，其中冷喷涂制备涂层用时为5分钟，两实例共消耗纯铝粉80g。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：将药型罩的顶端和底端分别采用夹具固定后，安装于驱动模块的输出端；
步骤2：将待喷涂的金属粉末放入冷喷涂送粉装置中，调节喷枪位置，设定冷喷涂工艺参数；
步骤3：启动驱动模块，控制药型罩绕其中心轴旋转；同时启动冷喷涂送粉装置，通过喷枪对药型罩表面制备涂层；
步骤4：根据工艺要求对冷喷涂制得的多层药型罩的涂层进行机械加工，获得符合设计尺寸要求的多层药型罩。
2.根据权利要求1所述提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法，其特征在于：所述药型罩为圆锥形，且厚度和尺寸大小不限。
3.根据权利要求1所述提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法，其特征在于：所述夹具的装夹面与药型罩表面间隙配合，尺寸相差小于0.5mm，保证药型罩旋转过程中同轴公差小于0.2mm。
4.根据权利要求1所述提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法，其特征在于：所述步骤1中，首先对铜材质药型罩和夹具清洗并烘干，然后再将药型罩顶端和底端分别采用夹具固定；
所述清洗的方式为采用纯丙酮试剂进行超声波清洗，以去除药型罩和夹具表面的污染物，清洗后放入烘干箱中烘干。
5.根据权利要求1所述提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法，其特征在于：所述金属粉末的颗粒形状为球形或者近球形，粒径为10～60μm。
6.根据权利要求1-5任一项所述提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法，其特征在于：所述喷枪位置为药型罩喷涂表面的起始位置，喷枪轴向与药型罩表面切向夹角为80°～90°，整体喷枪加水冷装置，喷枪出口表面与药型罩表面距离为10～40mm。
7.根据权利要求6所述提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法，其特征在于：所述金属粉末的颗粒形状为15～32μm；所述喷枪的轴向与药型罩表面切向夹角为90°，喷枪出口表面与药型罩表面距离为30mm。
8.根据权利要求1所述提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法，其特征在于：所述冷喷涂工作气体为氮气，气体压力为1.0MPa～4.0MPa，气体预热温度为200℃～500℃；所述喷枪的移动速度为5mm/s～50mm/s，基体的旋转速度为100r/min～1000r/min，旨在能够形成连续且致密的涂层。
9.根据权利要求1所述提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法，其特征在于：所述驱动模块包括发动机和三爪卡盘，通过所述三爪卡盘将固定有药型罩的夹具与发动机输出轴连接，实现对药型罩和夹具的旋转驱动。
10.根据权利要求1所述提高毁伤后效压力的多层药型罩涂层的增材制造方法，其特征在于：所述机械加工方式为车削加工，进刀速度和单道进刀深度视涂层厚度和加工要求而定；常规选择进刀速度为0.1mm/s～1.0mm/s，单道进刀深度为0.1mm～0.5mm。
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