凝固工艺对熔铸炸药微观结晶组织的影响研究

摘要

熔铸装药是将熔态炸药注入弹体中，经过冷却凝固后得到成型药柱的一种典型装药工艺，其在浇注和凝固过程中涉及到复杂的物态变化、热量变化和体积变化，若工艺控制不当，在成型药柱中会出现缩孔、粗大晶体、顶部凹陷等装药缺陷。粗大晶体的出现会降低成型药柱的致密度和均匀性，是影响炸药性能的关键因素，本文重点对熔铸炸药柱内部微观结晶组织进行研究。 本文首先采用有限元建立了熔铸炸药凝固过程的数值仿真模型，仿真分析了炸药柱内部的温度场、固相分数的变化规律以及装药缺陷的特征，在此基础上，采用有限元与元胞自动机相耦合的方法，建立了熔铸炸药结晶过程的数值仿真模型，研究了形核参数（体平均形核过冷度、面平均形核过冷度、体最大形核密度和面最大形核密度）、浇注温度、模具初始温度和柱体顶部保温时间对熔铸炸药柱内部晶区结构和晶粒尺寸的影响，并获得了晶粒细化程度与工艺参数之间的规律。 针对一种典型的装药结构，提出了基于形核参数、浇注温度、模具初始温度和柱体顶部保温时间的晶粒细化措施。结果表明:成型药柱内部的缩孔尺寸减小，缩孔内部致密度提高，所截取切片上的晶区内全部由小尺寸的等轴晶组成，晶粒数量显著提升，晶粒的最大面积、平均面积和平均半径显著减小，粒度分布更为均匀和细小。 凝固结晶仿真方法以及晶粒细化工艺改进措施可为熔铸炸药装药工艺提供理论参考和指导。