本发明涉及
复合材料制造技术领域，尤其涉及一种铝铜复合材料药型罩的成形方法。
背景技术：
药型罩是聚能破甲战斗部的核心元件、是支撑高性能战斗部研制的重要基础，药型罩材料是决定破甲性能的关键因素之一。药型罩作为聚能装药战斗部的关键构件已有50多年的发展历史，现役98％的破甲弹战斗部采用纯铜药型罩，大量弹道试验研究表明，采用轧制板材、挤制的铜棒材制造的药型罩，平均晶粒尺寸在20μm～45μm，可以侵彻穿透9倍装药口径厚度的钢靶(45钢)，但是射流出口孔径不到φ15mm，最后的剩余射流质量不到5％(与药型罩总质量相比)，侵彻毁伤后效低。
随着新一代爆炸式反应装甲、陶瓷装甲、复合装甲的发展，纯铜药型罩已不能满足高性能战斗部研制需求。近年来，钽合金、钨合金、铀合金等高密度功能性药型罩材料及其应用技术已成为国外重点发展方向，以钽为例，具有高密度(16.66g/cm3)、高动态延展性(杆式侵彻体长径比达到5倍)和优异的侵彻性能，已成为国内外研究的热点。但钽材料成本居高不下是药型罩应用的限制性环节，为了降低材料成本，提升药型罩的侵彻毁伤威力。据公开资料表明，美国开发出侵彻后具有引燃特性的铝铜、钛锆等双金属材料，并应用于水中兵器战斗部，具有引燃特性，由于国外严密的技术封锁，具体材料成分、工艺、性能未公开。
通过查阅相关的文献资料表明，双层金属材料的制备工艺有叠轧、包套挤压、
粉末冶金烧结、真空钎焊等，该工艺存在以下缺点：一是叠轧工艺制备的双层金属间属于物理结合，强度低，对于形状复杂构件成形过程易开裂(如锥形、曲面空间结构)；二是包套挤压双层金属产品，适用于棒材加工，不同部位金属之间比例控制难度大；三是粉末冶金低温烧结的材料存在不致密、孔洞等缺陷，不适合用于药型罩；四是真空钎焊有中间填充层，脆性大，对药型罩侵彻性能不利。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题在于提供一种铝铜复合材料药型罩的成形方法，使制备的铝铜复合材料药型罩的铝/铜界面结合好，不同部位之间金属比例按设计要求分布，提高药型罩的侵彻毁伤后效。
本发明提供的铝铜复合材料药型罩的成形方法，包括以下步骤：
(1)将冷挤压成形的纯铜药型罩坯件，按照图纸要求进行外锥型面锥角、高度、端面口径等尺寸的数控切削加工，加工过程控制表面的粗糙度、尺寸精度等，得到的铜锥壳体满足图纸设计要求。
(2)按照纯铜药型罩的内型尺寸，将铜棒材加工成与之相匹配的冷铁芯模，并与(1)得到铜锥壳体进行精密装配。
(3)将石蜡融化后，浇注出铝铜复合材料药型罩外层纯铝的形状结构，并对表面进行修饰处理，为后续装配作准备。
(4)将石蜡型壳与(2)中的装配体进行装配，并放入石膏型砂箱中，然后注入石膏，最后进行自然干燥处理；
(5)将(4)得到的砂箱体进行脱蜡处理，脱除石蜡，形成空腔体。
(6)将(5)得到的砂箱体进行预热处理，熔化的纯铝液从砂箱体的浇冒口浇入，注满整个空腔体，再进行自然冷却。
(7)将(6)中得到的铝铜复合材料坯件表面的石膏进行清理，从冷铁芯模上取下，获得铝铜复合材料坯件。
(8)将(7)得到铝铜复合材料坯件，按照最终药型罩的零件图纸要求，对外型面锥角、口径、高度等进行数控切削加工，达到设计要求。
优选的，所述冷挤压成形的纯铜药型罩坯件，材料为tu1/t2，经过(280～360)℃×(45～75)分钟的再结晶热处理，内部平均晶粒尺寸≤15μm。
优选的，加工过程控制表面的粗糙度、尺寸精度等，加工表面粗糙度≤ra0.8μm，外锥角度偏差≤1.5′。
优选的，所述铜锥壳体与冷铁芯模进行装配，要求装配后两者之间锥面的贴合率≥85％。
优选的，所述自然干燥处理，温度(22～28)℃，干燥时间(5～8)天。
优选的，所述砂箱体进行脱蜡处理，保温温度(100～120)℃，保温时间(4～6)小时。
优选的，所述砂箱体进行预热处理，保温温度(180～200)℃，保温时间(2～4)小时。
优选的，所述熔化的纯铝液从砂箱体的浇冒口浇入，铝液保温温度(670～700)℃，静置时间(10～30)分钟，铝液中间转移时间(10～25)秒，浇注时间(5～15)秒。
优选的，所述对铝铜复合材料坯件表面的石膏进行清理，在室温水槽中浸泡(8～12)小时，用铁锹清理掉石膏层，注意保护好外表层不受损伤。
有益效果
本发明提供了一种铝铜复合材料药型罩的成形方法，首先将冷挤压铜药型罩坯件、铜棒加工出所需的形状，进行表面除油处理，再进行装配，保证铜锥体和冷铁芯模之间锥面的贴合率达到设计要求；二是采用石蜡浇注出外层铝的形状结构，并对表面进行修饰处理，去掉少量凹坑等缺陷；三是将石蜡壳体、铜锥体、冷铁芯模三者装配一起，石蜡壳体在外层、冷铁芯模在最里层；四是进行石膏灌浆，经过一定时间的自然冷却干燥后，再进行烘干脱蜡处理；五是进行纯铝液的浇注，制备出铝铜复合材料药型罩。将制备的铝铜复合材料药型罩进行检测分析，评价界面有无裂纹、铝层有无夹杂等缺陷。
本发明在制备铝铜复合材料药型罩过程中，保证组织性能、尺寸精度；实现铝层和铜层的冶金结合，提高两者之间的界面结合力，集成两种材料优势，具有高延展性、高燃烧、横向扩孔增益效应。
附图说明
图1纯铜变壁厚锥体
图2冷铁芯模(t2铜材料)
图3铜锥体与冷铁芯模组合体
图4铝液浇注前的砂型
图5获得的铝铜复合材料锥体
图6获得的铝铜复合材料药型罩
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
一种铝铜复合材料药型罩的成形方法，采用以下步骤：
(1)将冷挤压成形的纯铜药型罩坯件(tu1)，进行320℃×60分钟的再结晶热处理，测得的平均晶粒尺寸为(10～15)μm；在数控加工设备上，按照图1形状结构进行切削加工，以5件产品为样本，外锥型角度偏差-1.2′～0.7′，表面粗糙度(0.42～0.68)μm。
(2)按照纯铝铜复合材料药型罩的内型尺寸，将铜棒材加工成与之相匹配的冷铁芯模(图2)，表面粗糙度0.4μm，角度偏差0.2′，并与(1)得到的铜锥壳体进行装配，锥面的贴合率85％～90％(图3)。
(3)将石蜡融化后，浇注出铝铜复合材料药型罩外层纯铝的形状结构，并对表面进行修饰处理，为后续装配作准备。
(4)将石蜡型壳与(2)中的装配体进行装配，并放入石膏型砂箱中，然后注入石膏，填满砂箱后进行自然干燥处理，室温温度26℃，时间为8天；
(5)将(4)得到的砂箱体进行脱蜡处理，保温温度110℃，保温时间5小时，石蜡脱除后形成一定尺寸形状的空腔体(图4)。
(6)将(5)得到的砂箱体进行预热处理，保温温度180℃，保温时间4小时；将熔化的纯铝液温度升至670℃，保温静置30分钟，进行浇注，中间转移时间25秒，浇注时间9秒，浇注满整个空腔体，再进行自然冷却。
(7)将(6)中得到的铝铜复合材料坯件的砂箱体在水槽中浸泡10小时，用铁锹清理掉石膏层，得到图5所示的构件。
(8)将(7)得到铝铜复合材料坯件，按照最终药型罩的零件图纸要求，对外型面锥角、口径、高度等进行数控切削加工，制备出图6所示的铝铜复合材料药型罩。
制备的铝铜复合材料药型罩口径75mm、内锥角度60°、外锥角度61°20′，经超声波探伤检测，铝铜界面层结合紧密，无裂纹、冷隔等缺陷；采用拉伸试验，铝铜界面结合强度180mpa～210mpa，与纯铜材料的强度相当；采用静破甲试验，在4倍炸高条件下，侵彻深度为450mm～510mm，射流破孔口径在20mm～25mm，破孔口径比纯铜药型罩增大30％以上，射流有效质量增加20％～30％；通过与纯铜药型罩的毁伤后效对比试验表明(等体积药型罩)，铝铜药型罩引燃青草概率达到60％，纯铜药型罩完全不能引燃青草。
实施例2
一种铝铜复合材料药型罩的成形方法，采用以下步骤：
(1)将冷挤压成形的纯铜药型罩坯件(t2)，进行350℃×60分钟的再结晶热处理，测得的平均晶粒尺寸为(5～8)μm；在数控加工设备上，按照图1形状结构进行切削加工，以5件产品为样本，外锥型角度偏差-0.9′～1′，表面粗糙度(0.34～0.52)μm。
(2)按照纯铝铜复合材料药型罩的内型尺寸，将铜棒材加工成与之相匹配的冷铁芯模，表面粗糙度0.4μm，角度偏差0.2′，并与(1)得到铜锥壳体进行装配，两锥面的贴合率80％～85％。
(3)将石蜡融化后，浇注出铝铜复合材料药型罩外层纯铝的形状结构，并对表面进行修饰处理，为后续装配作准备。
(4)将石蜡型壳与(2)中的装配体进行装配，并放入石膏型砂箱中，然后注入石膏，填满砂箱后进行自然干燥处理，室温温度28℃，时间为5天；
(5)将(4)得到的砂箱体进行脱蜡处理，保温温度120℃，保温时间4小时，石蜡脱除后形成一定尺寸形状的空腔体。
(6)将(5)得到的砂箱体进行预热处理，保温温度200℃，保温时间2小时；将熔化的纯铝液温度升至700℃，保温静置10分钟，进行浇注，中间转移时间22秒，浇注时间6秒，浇注满整个空腔体，再进行自然冷却。
(7)将(6)中得到的铝铜复合材料坯件的砂箱体在水槽中浸泡12小时，用铁锹清理掉石膏层，得到铝铜复合材料坯件。
(8)将(7)得到铝铜复合材料坯件，按照最终药型罩的零件图纸要求，对外型面锥角、口径、高度等进行数控切削加工，制备出铝铜复合材料药型罩。
制备的铝铜复合材料药型罩口径82mm、锥角度100°、等壁厚2.4mm，经超声波探伤检测，铝铜界面层结合紧密，无裂纹、冷隔等缺陷；采用拉伸试验，铝铜界面结合强度190mpa～225mpa，与纯铜材料的强度相当；采用静破甲试验，在6倍炸高条件下，侵彻深度为250mm～280mm，射流破孔口径在50mm～60mm，破孔口径比纯铜药型罩增大30％以上，射流有效质量增加30％以上；通过与纯铜药型罩的毁伤后效对比试验表明(等体积药型罩)，铝铜药型罩引燃青草概率达到80％，纯铜药型罩完全不能引燃青草。
实施例3
一种铝铜复合材料药型罩的成形方法，采用以下步骤：
(1)将冷挤压成形的纯铜药型罩坯件(tu1)，进行300℃×75分钟的再结晶热处理，测得的平均晶粒尺寸为(5～8)μm；在数控加工设备上，按照图1形状结构进行切削加工，以5件产品为样本，外锥型角度偏差-1.2′～0.3′，表面粗糙度(0.52～0.73)μm。
(2)按照纯铝铜复合材料药型罩的内型尺寸，将铜棒材加工成与之相匹配的冷铁芯模，表面粗糙度0.4μm，角度偏差0.2′，并与(1)得到铜锥壳体进行装配，两锥面的贴合率88％～92％。
(3)将石蜡融化后，浇注出铝铜复合材料药型罩外层纯铝的形状结构，并对表面进行修饰处理，为后续装配作准备。
(4)将石蜡型壳与(2)中的装配体进行装配，并放入石膏型砂箱中，然后注入石膏，填满砂箱后进行自然干燥处理，室温温度22℃，时间为8天；
(5)将(4)得到的砂箱体进行脱蜡处理，保温温度110℃，保温时间5小时，石蜡脱除后形成一定尺寸形状的空腔体。
(6)将(5)得到的砂箱体进行预热处理，保温温度190℃，保温时间3小时；将熔化的纯铝液温度升至690℃，保温静置20分钟，进行浇注，中间转移时间20秒，浇注时间12秒，浇注满整个空腔体，再进行自然冷却。
(7)将(6)中得到的铝铜复合材料坯件的砂箱体在水槽中浸泡10小时，用铁锹清理掉石膏层，得到铜复合材料坯件。
(8)将(7)得到铝铜复合材料坯件，按照最终药型罩的零件图纸要求，对外型面锥角、口径、高度等进行数控切削加工，制备出铝铜复合材料药型罩。
制备的铝铜复合材料药型罩口径104mm、锥角度90°、等壁厚2.8mm，经超声波探伤检测，铝铜界面层结合紧密，无裂纹、冷隔等缺陷；采用拉伸试验，铝铜界面结合强度190mpa～235mpa，与纯铜材料的强度相当；采用静破甲试验，在3倍炸高条件下，侵彻深度为300mm～330mm，射流破孔口径在60mm～65mm，破孔口径比纯铜药型罩增大20％以上，射流有效质量增加25％以上；通过与纯铜药型罩的毁伤后效对比试验表明(等体积药型罩)，铝铜药型罩引燃青草概率达到80％，纯铜药型罩完全不能引燃青草。
技术特征：
技术总结
本发明本发明提供的铝铜复合材料药型罩的成形方法，并具体公开其工艺步骤和条件，解决的技术问题在于使制备的铝铜复合材料药型罩的铝/铜界面结合好，不同部位之间金属比例按设计要求分布，提高药型罩的侵彻毁伤后效。
技术研发人员：陈强;舒大禹;赵祖德;吴洋;詹红;屈俊岑;王长朋;王茂川
受保护的技术使用者：中国兵器工业第五九研究所
技术研发日：2019.07.29
技术公布日：2019.10.11
声明：
“铝铜复合材料药型罩的成形方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中国兵器工业第五九研究所
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2024年05月17日 ~ 19日 
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