一种复合结构材料及其制备方法与流程

本发明属于壳体爆破，尤其涉及一种多效毁伤的复合结构材料及其制备方法。

背景技术：

1、破片战斗部中的高能炸药爆炸产生的冲击波超压、高温以及驱动的高速破片构成了武器弹药不同空间距离上的主要毁伤模式。随着炸药技术的发展，pbx、lx-17及tatb等各种冲击感度较低的低易损炸药正逐步在导弹装药中得到应用，这大大增强了惰性破片单纯依靠动能冲击引爆炸药的难度，即使命中也很难达到“一击即爆”的毁伤威力，而精确制导炸弹等大型目标即使偏航和解体，威胁依旧存在。传统战斗部的钢/钨合金等金属破片毁伤元依靠单一的动能来打击目标，其毁伤效能已经不能满足现在高效杀伤的应用要求。

2、开发新型战斗部毁伤元是大幅度提高破片战斗部高效毁伤效能的重要发展方向，而采用活性材料的是实现这一目标的理想选择之一。活性材料(多效毁伤复合结构材料)通过基于“爆炸驱动撞击破碎-冲击诱发反应”释能机制，可以增强破片战斗部热效应场和破片动能场的复合破片多重毁伤，从而实现战斗部毁伤威力大幅度增强。采用活性材料实现破片战斗部结构含能化是能够在战斗部结构尺寸与质量限制下实现远程毁伤威力显著提高，满足在役装备改造、在研和未来装备研制需要的简易方便、切实可行的技术途径。通过替代传统战斗部结构件惰性材料，战斗部结构实现含能化将能够大幅度增加战斗部毁伤威力。与传统含能材料如tnt相比，活性材料反应时理论释放能量更大，部分活性材料的单位体积放热量甚至可达tnt(1720cal/cm3，1cal＝4.186j)的3～4倍。美国nswc对活性破片战斗部进行了导弹制导舱段毁伤试验，结果表明，活性破片有很好的燃烧和纵火能力，其毁伤威力相对惰性破片战斗部可提高5倍。

3、引爆现有导弹中低敏感度炸药通常需要有破片的动能冲击波和活性材料的热效应场。但活性材料在自然破碎条件下，活性材料的破碎是随机的不可控的，活性毁伤元靶后碎片云中80％碎片不大于2g，难以形成质量足够大的有效杀伤破片，靶后破片热量释放过程随机性也大，仅仅靠反应“热点”无法引爆惰性弹药，毁伤效果不足。

4、因此，需要对现有的复合结构材料作进一步的改进。

技术实现思路

1、本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种提高战斗部壳体及破片穿透能力和靶后毁伤效能的复合结构材料。

2、本发明所要解决的第二个技术问题是，提供了一种上述复合结构材料的制备方法。

3、本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种复合结构材料，其特征在于，所述复合结构材料由含能高熵合金活性材料和钨合金空间点阵结构组成，所述含能高熵合金活性材料的体积分数不小于55％，所述钨合金空间点阵结构为3d晶胞结构，所述3d晶胞结构为带有微缺陷的kagome或bcc类型胞元点阵结构。

4、在静态下，具有高比重、高强度、高吸能性等特点，可提高复合材料的密度和强度；高应变速率下在缺陷处发生预控破碎，空间阵列结构单元冲击诱发含能高熵合金材料产生释能效果，可大幅提升复合材料的侵彻性能和释能特性。

5、优选地，所述含能高熵合金活性材料的分子式为：niatibzrcwdxeyf，其中，0.1at.％≤a≤0.25at.％，0.01at.％≤b≤0.45at.％，0.05at.％≤c≤0.65at.％，0.01at.％≤d≤0.25at.％，0.02at.％≤e+f≤0.5at.％且满足a+b+c+d+e+f＝1，x、y分别为al、nb、hf、ta、mo、cr、fe、mg、be、li、co中的一种或多种。该材料具有高焓值和密度，且准静态力学性能优异，可有效提高复合结构的动能侵彻能力和靶后的释能效果。

6、优选地，所述分子式为niatibzrcwdxeyf的高熵合金以bcc结构为主相，理论能量密度≥70kj/cm3，动态压缩强度≥1600mpa，断裂应变≥13％。

7、优选地，所述钨合金空间点阵结构为wxtay合金，其中，0.90≤x≤0.99at.％，0.01≤y≤0.1at.％且满足x+y＝1。ta具有高延展性，且在本成分范围内可与w形成无限固溶体，能够有效控制钨合金空间点阵结构打印过程中的裂纹生成，可以保证空间点阵静态下的结构完整性和高承载性能，通过与含能高熵合金材料扩散结合，进一步提高复合结构的承载能力。本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种所述的复合结构材料的制备方法，其特征在于，依次包括有以下步骤：

8、1)在氩气保护下，将含能高熵合金活性材料中各元素对应的金属单质进行合金化熔炼，待合金完全熔化成合金液后，进行气雾化制粉，并通过筛粉，获得合适粒径的含能高熵合金粉末；

9、2)对分子式为wxtay的钨合金结构的三维模型进行切片处理，设定预设切片厚度，规划钨合金的3d晶胞结构的扫描路径，逐层扫描时，设定预设偏转角；

10、3)设定激光选区熔化工艺参数，成型腔室采用氩气保护，控制成型腔室内的氧含量低于90ppm，压力维持在5～45mbar，同时将成型腔室内的纯钨基板预热；

11、4)在纯钨基板上均匀铺设一层厚度为预设铺粉厚度的钨原料混合粉末或者wxtay的钨合金粉末，采用激光束按照切片形状及扫描路径对钨原料混合粉末进行熔化，逐层叠加，直至3d打印成完全成型的点阵结构，该点阵结构为钨合金点阵结构，该钨合金点阵结构在成型腔室内备用；

12、5)取出钨合金点阵结构进行热处理，保温，冷却，得到钨合金空间点阵结构；

13、6)在350mpa～500mpa的成型压力下，将含能高熵合金粉末与钨合金空间点阵复合压制成型为坯体，将坯体在氩气气氛下进行烧结，烧结温度比含能高熵合金活性材料的熔点高50℃～150℃，在该烧结温度下保温2h～4h后，得到复合结构材料。

14、上述制备方法通过增材制造的方法对钨合金点阵结构进行逐层成型，然后将含能高熵合金粉末与钨合金点阵压制成型，并进行高温烧结获得含能高熵合金填充钨空间点阵的复合结构毁伤元，通过含能高熵合金成分、钨空间点阵结构特征参数以及复合材料密度设计，显著提高战斗部壳体及破片穿透能力和冲击反应释能效果，满足战斗部多元毁伤增益的需求。

15、优选地，在步骤1)中，气雾化制粉的工艺参数为：雾化气体气压为10mpa～20mpa，雾化功率为150kw～280kw，雾化介质采用氩气，筛粉后获得粒径为5～30微米的含能高熵合金粉末。当气雾化压力小于10mpa时，5～30微米含能高熵合金粉得粉率低。增大雾化气体压力会形成超音速气流，强化对含能高熵合金熔体的冲击破碎作用,提高小粒径粉末的得粉率，但当雾化气体压力大于20mpa后，会大幅提高卫星粉和空心粉产生的概率,制备的合金粉质量差，制备的复合结构致密性差。

16、优选地，在步骤4)中，钨原料混合粉末按原子百分数计，包括90～99％的纯钨粉末和1～10％的纯钽粉，钨原料混合粉末或者wxtay的钨合金粉末的粒径为5～25μm，流动性≤30s/50g，铺粉厚度为25～35μm，供粉量设置为铺粉厚度的2～3倍。

17、优选地，在步骤2)中，预设切片厚度为10～15μm，扫描路径采用九宫格方式分区扫描，各个区域大小均为2mm×2mm，预设偏转角为20°～45°。

18、优选地，在步骤3)中，激光选区熔化工艺参数为：扫描实体的激光功率200～450w，扫描轮廓的激光功率为100～150w，支撑的激光功率为300～450w，激光的光束束腰尺寸为40-80μm，光斑直径50～80μm，实体扫描速度1000～1500mm/s，轮廓扫描速度300～500mm/s，支撑扫描速度1000～1500mm/s，扫描搭接率0.06～0.08，基板预热温度为400～600℃。其中，激光功率和扫描速度时影响钨钽合金成型的关键因素，激光功率太低或者扫描速度过高，导致能量不足以熔化粉末，容易形成缺陷；激光功率太高或者扫描速度太慢，导致较高的能量输入，使液态熔体过热，加剧了熔池的不稳定性，引起飞溅，并形成细小的球形颗粒，恶化工件表面。

19、优选地，在步骤5)中，热处理工艺参数为：在温度1050～1250℃、压力100～150mpa的条件下，保温60～300min，然后在60～120min内降温至室温。在本发明工艺参数下制备的钨钽合金空间结构致密度高，无明细裂纹，表面质量高，未有明显的缺陷。

20、与现有技术相比，本发明的优点在于：复合结构材料采用含能高熵合金活性材料和钨合金空间点阵结构，其中，含能高熵合金活性材料的体积分数不小于55％，钨合金空间点阵结构为3d晶胞结构。高焓值和高密度的含能高熵合金活性材料通过与带有微缺陷的kagome或bcc类型胞元空间点阵钨钽合金结构复合，在静态下，较单一含能高熵合金具有更好的高比重、强度和吸能性特性；在高应变速率下，钨合金骨架优先在缺陷处产生裂纹，促进复合结构形成可控破碎，同时保证碎片云中80％碎片大于2g。

21、进一步的，复合结构碎片在自身高动能的驱动下进行侵彻毁伤。在破片穿透目标后，复合结构材料破片内部的钨合金空间阵列结构单元同时还可以冲击诱发含能高熵合金材料产生释能效果，大幅提升了复合结构材料的靶后侵彻性能和释能特性。

22、本发明将纯钨和纯钽混合粉末或者钨钽合金粉末通过3d打印方法先制备钨合金空间点阵结构，再结合特定的热处理工艺，制备钨合金点阵结构内部缺陷少，静态下力学性能高且密度高，高应变速率下破碎可控，且能对含能高熵合金起到剪切冲击诱发效果，能够同时具有很强的穿透性和极强的杀伤力，在军事方面具有重要作用。本发明的方法，有效满足了各类侵彻战斗部/毁伤元对多功能毁伤增益的需求，解决了现有破片无法兼具侵彻能力和靶后无效破片占比高、热量释放随机性大的问题，提高了活性破片的侵彻能力和释能效率，可用于制备预控破片或壳体，使战斗部毁伤元具有更强的穿透性和杀伤力。