TiZrHf系高熵合金的冲击动力学特性及反应释能评价

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面对现代武器装备防护能力和爆燃反应释能能力日益增强的客观需求,为了提升防空反导战斗部的效能,对弹药战斗部的高效毁伤能力提出了更高的要求,常规的惰性毁伤元已不能满足战斗部终端高效毁伤的应用需求。高熵合金以其优异的力学性能(高强度、高应变率强化效应以及强剪切自锐特性)和反应释能特性正逐步取代贫铀和钨合金等在高应变率、高温、高压服役环境下的穿甲弹芯材料,高熵合金的动力学性能与冲击反应释能的宏观调控与微观组织关联密切。高熵合金的冲击反应释能是其作为含能结构材料在服役过程中的重要性能,冲击反应过程中伴随爆燃、闪光、传热和气相流动等多种效应,高熵合金的初始动能和反应释能流向关系错综复杂。然而,针对高应变率动态加载下的力学行为和反应释能特性的研究还较为缺乏,尤其在评价高熵合金的冲击反应释能的研究方面尚存不足。本课题以TiZrHf系高熵合金为研究对象,采用真空电弧熔炼法制备TiZrHfAl0.3、TiZrHfCu0.3和TiZrHfNi0.3合金铸锭,分别利用万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统开展高熵合金的准静态/动态压缩实验,结合SEM、XRD、压痕仪等微观表征,得到准静态压缩下高熵合金的力学行为(应力/应变关系、发火机理);分析微量元素种类、应变率和多次加载次数对高熵合金动态压缩力学性能的影响规律,拟合得到适用于TiZrHf系高熵合金的Johnson-Cook本构模型参数;基于冲击诱发爆燃的能量释放分配流向建立反应释能的评价模型,定量评价不同撞击条件下TiZrHf系高熵合金的冲击反应释能规律。本文的主要工作及取得的研究成果如下:(1)提出了高熵合金主元与微量元素的选择依据,通过混合焓与原子尺寸差确定了TiZrHf系高熵合金的相结构,实验测试了试件的相结构、微观组织形貌和硬度;准静态压缩下TiZrHfAl0.3、TiZrHfCu0.3和TiZrHfNi0.3高熵合金均经历了弹性变形、强化及断裂过程,无明显的屈服阶段。(2)动态加载条件下,TiZrHfCu0.3合金的弹性模量最大,抵抗变形能力最强;TiZrHfNi0.3合金屈服强度最大。TiZrHfAl0.3和TiZrHfCu0.3均具有明显的加工硬化现象,TiZrHfCu0.3高熵合金表现出一种低速冲击惰性。TiZrHfAl0.3的弹性模量随着加载次数的增加从64.5GPa增大至350.4GPa,重复加载使该合金的抗变形能力显著提升;TiZrHfCu0.3合金初次加载的屈服强度为489MPa,4次重复加载后该数值增加了123.3%。基于动态实验数据,确定了适用于TiZrHf系高熵合金的Johnson-Cook本构模型参数。(3)高熵合金试件的破坏模式为脆性断裂,裂纹类型属于Ⅰ-Ⅱ复合型。添加微量元素Cu的TiZrHf系高熵合金反应较添加微量元素Al和Ni剧烈,产生火光的持续时间较长,且发火临界应力较大;而添加微量元素Al的TiZrHf系高熵合金韧性较添加微量元素Cu和Ni大,且发火酝酿期最长。在裂纹萌生和扩展过程中,裂隙尖端放电和化学键断裂的共同作用诱发了高熵合金的发火。(4)测试了高熵合金弹丸以不同速度撞击靶板诱发的侵彻穿孔直径和深度、闪光辐射温度、气体超压、火焰传播速度、容器壁温升等响应参量,采用Fluent数值模拟得到从预留弹孔喷射气体质量的时程,建立了靶板变形能、容器内混合气体焓、闪光辐射能、准密闭容器壁吸收能量和喷射气体焓的演化模型。结果表明,与惰性钢弹相比,高熵合金撞击靶板诱发的各部分能量均显著高于钢弹;各部分能量占总能量的百分比由高到低分别为容器内混合气体焓、准密闭容器壁吸收能量、喷射气体焓、靶板变形能和闪光辐射能;TiZrHfCu0.3的反应释能能力最强,而TiZrHfNi0.3的反应释能能力最弱;当撞击速度从1.5km/s增加到2.1km/s,反应释能未出现显著的提升。
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