1、铝合金弹壳的发展历程和研究现状doi:10.3969/j.issn.1674-7100.2023.02.009收稿日期：2022-12-25基金项目：国家自然科学基金资助项目（52271177）；湖南省科技创新领军人才基金资助项目（2021RC4036）；湖南省自 然科学基金资助项目（2022JJ50080）；国防科技重点实验室基金资助项目（6142005200305）作者简介：阳建君（1985-），男，湖南衡阳人，湖南工业大学讲师，博士，主要研究方向为铝合金表面陶瓷化处理、金属 激光熔覆技术，E-mail：125841540 阳建君1,2,3 王家虎1范才河1,3 胡泽艺1,3欧 玲1,3
2、王博文11.湖南工业大学 材料与先进制造学院 湖南 株洲 4120072.中国人民解放军陆军 装甲兵学院 装备再制造技术国防科技 重点实验室 北京 1000723.安徽建业科技有限公司 技术中心 安徽 淮北 235000摘要：介绍了国内外铝合金弹壳的发展历程和研究现状，论述了铝合金弹壳的特点和优势，重点介绍了目前铝合金弹壳的制备方法和工艺流程，展望了铝合金弹壳的发展方向和应用前景。关键词：铝合金弹壳；喷射成形；表面陶瓷化处理；微弧氧化中图分类号：TG178.2 文献标志码：A文章编号：1674-7100(2023)02-0069-09引文格式：阳建君，王家虎，范才河，等.铝合金弹壳的发展历程和
3、研究现状J.包装学报，2023，15(2)：69-77.2023 年 第 15 卷 第 2 期 Vol.15 No.2 Mar.2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL02武器轻量化是单兵组合作战发展的趋势，武器轻量化不仅可以提高军队整体的综合作战能力，加快战场整体的作战节奏，同时对单兵的作战能力与作战速度都有很大的提高。步兵和其他兵种主要利用轻武器在战场上进行作战，即使在未来科技战场上，仍将发挥其重要的作用。军用弹药装备减重对未来数字化战争有巨大的影响，从而受到世界各国军方的广泛关注1-2。为提高单兵的携弹量，可以从包装弹药的弹壳材质入手。传统弹壳的材质是以钢和铜为主，而钢
4、和铜的密度较大，制备的弹壳较重，且铜质弹壳的制备成本高。采用密度较小、成本较低的铝合金材料制备弹壳，已成为各国军事领域研究的重点2-4。由于传统铝合金强度较低、耐烧蚀性较差，直接采用冷冲压和冷锻等传统成形方法制备的铝合金弹壳，其强度、变形量、耐烧蚀性能等都无法满足要求。因此，开发先进的铝合金材料和更加优良的弹壳制备方法，从而获得高强韧、耐烧蚀、抗爆炸冲击的铝合金弹壳，具有重要的现实意义5。本文综述了国内外铝合金弹壳的发展历程，论述了铝合金弹壳的特点和制备方法，以期能为铝合金弹壳的发展和应用提供有益参考。1 铝合金弹壳的特点铝合金作为新一代弹壳材料，具有以下优点：铝合金的塑性和韧性较好，易于加工
5、成形；铝合金的密度小，质量轻，能大大减轻弹药的质量，有利于武器装备轻量化的发展；铝合金表面陶瓷化处理后，形成致密的抗蚀性、抗氧化性、稳定性好的Al2O3陶瓷膜层，使弹药的服役年限延长，性价比提高；铝合金的弹性模量小，有利于退壳，对枪管的-70-2023 年 第 15 卷 第 2 期 Vol.15 No.2 Mar.2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL02磨损较小；铝合金主要成分铝的矿产资源丰富。因此，铝合金弹壳在武器装备轻量化方面的应用和发展前景广阔3-6。2 国内外铝合金弹壳的发展历程早期的弹壳一般采用黄铜为原材料，因为铜具有较高的延展性，容易成形，但是铜资源匮乏，价格
6、昂贵。后来出现了价格便宜的钢质弹壳，但是钢质弹壳较硬，塑性和韧性较差，在加工精度不够高和枪膛有沙、尘、污垢的情况下，会与枪膛产生间隙，造成漏气7。由于弹壳的成形工艺繁琐，需要材料具有良好的加工性能，因此，美国最先将目光转向轻质铝合金材料。一方面铝资源丰富，另一方面铝合金材料的应用将大大减轻武器装备的质量，是世界各国进行武器轻量化研究的一个重要方向8。2.1 国外的发展历程19 世纪 90 年代，德国法兰克福兵工厂第一次试验了口径为 7.6210.16 mm 的铝药筒，与此同时，德国也在试验 7.9 mm 口径铝弹壳。到 1919 年，澳大利亚、英国和德国都对铝合金药筒进行了研究9-10。铝合金
7、弹壳在制备过程中形成的缺陷（小孔和裂纹）使得在射击时从弹壳侧壁的小孔、裂纹泄漏出发射药气体，造成弹壳严重烧穿破坏。针对这类问题，美国深入研究了铝合金弹壳烧穿机制，研发了具有优良综合性能的铝合金及其加工工艺。在 20 世纪 70年代中期，美国研制出了满足弹壳和药筒要求的两类铝合金：一类是将高纯度母体铝材熔炼后进行一定加工处理，得到高度均匀化的Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金，它具有良好的强度和韧性综合性能；另一类是通过粉末冶金法得到析出相弥散分布的铝合金，经过表面处理后，它具有弹壳要求的耐高温性能和优良的抗烧蚀能力11。直到 20 世纪末，国外已经有多种子弹使用了铝合金弹壳。如 CTS 公司研发
8、的 37/38 mm 烟雾弹、重型穿障弹和刺痛弹，40 mm 的榴弹、烟雾弹、液体和粉末穿障弹等12。2.2 国内的发展历程我国对铝合金弹壳的研究较晚，直到 1981 年才开始研究铝质弹壳材料。刘晓霞等13对某铝合金药筒在挤压过程中等效应力、应变等参数进行了分析，结果表明随炉冷却后的坯料在挤压过程中等效应变分布更加均匀，等效应力峰值更小；挤压温度越小，应力差值越大，其所需的挤压载荷更小。吴臣武 14利用非线性有限元法对弹壳发射中的结构、热动态响应进行分析，对弹药系统及枪械结构的设计具有一定的参考作用。车浩召15在有限元模型的基础上加入了封锁机构，为铝合金子弹壳结构的进一步优化提供了理论参考。王
9、玉松 16利用有限元数值模拟对 7050 铝合金弹壳进行了研究，优化了塑性成形工艺，消除了 7050 铝合金塑性成形过程中产生的缺陷。江长友等17对不同状态的 7XXX 高强度铝合金弹壳的残余应力进行了系统分析，结果表明弹壳经过退火处理后，残余应力减少，固溶/时效处理后，残余应力增大。鞠治刚等18对 7050 铝质弹壳复合涂层耐冲刷抗烧蚀性能进行了研究，结果表明复合涂层可使整体的导热系数降低 50%以上。范才河等19研发出新型轻武器用高强韧耐烧蚀铝合金弹壳，能承受瞬时膛压达 400 MPa、耐瞬时高温 3000 以上，子弹发射后弹壳内壁仍然没有发生烧蚀现象，整个铝弹壳没有变形、开裂，通过了高低
10、温等多种环境下实弹射击测试。国内现有多个团队对铝合金弹壳进行研究，如重庆嘉陵特种装备有限公司、南京理工大学和湖南工业大学等，对铝合金弹壳的成分设计、成形工艺、结构设计、涂层研究等都有了实际性进展。目前，湖南工业大学范才河教授团队已成功研发出铝弹壳系列产品，并通过某军方权威机构实弹测试验收13-19。3 铝合金弹壳制备方法3.1 铝合金弹壳的制备流程国内外铝合金弹壳制备流程大体分为高强韧铝合金坯料的制备、弹壳成形过程和表面处理3大部分，如图 1 所示。图 1 铝合金弹壳制备流程 Fig.1 The preparation process of aluminum alloy cartridge c
11、ase-71-首先利用喷射成形法、粉末冶金法和半固态加工法等方法获得表面质量优良、晶粒均匀、高强韧的铝合金材料；然后通过拉深成形法、旋压成形法、挤压成形法等制得铝合金弹壳；再采取表面陶瓷化处理或微弧氧化表面处理，在铝合金表面获得一层陶瓷膜层；最后进行封孔着色处理，得到综合性能优良的铝合金弹壳20-21。3.2 高强韧铝合金材料的制备方法3.2.1 粉末冶金法随着雾化法和还原法粉末制备技术的大力发展，可以获得大量粉体材料，从而推动了粉末冶金法制备高性能铝合金的发展。1980 年前后，美国最早将粉末冶金技术用于铝合金弹壳的制造11，其粉末冶金的流程如图 2 所示。采用还原法、雾化法和电解法等方法制
12、备铝合金金属粉末；再将铝合金粉末经压制成形后，选择适当的烧结方法进行烧结；将烧结后的铝合金材料，根据不同的要求进行后处理，得到铝合金材料成品22-23。由于传统加工工艺具有一定的局限性，铝合金内部往往存在着各向异性。采用粉末冶金法所制得的铝合金材料，其各向异性远低于传统工艺加工的铝合金材料，这对于铝合金材料的发展具有非常重大的意义；而且粉末冶金法无需进行时效处理，工艺简单。用粉末冶金法制备的铝合金显微组织均匀、晶粒细小、机械性能良好，铝合金弹性模量得到显著提高，抗拉强度也大幅增加 24-25。3.2.2 半固态加工法半固态加工法是金属在未完全结晶时，对其进行搅拌、激冷，得到一种液态金属母液中均
13、匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料，再根据具体的产品形状要求进行加工的方法。该方法制备的零件质量好、精度高26-27。半固态成形方式主要可分为流变成形和触变成形28。流变成形是直接利用形成的半固态浆料进行加工；而触变成形则是将浆料二次加热后，再将混合浆料进行加工。在实际应用中，主要采用触变成形技术。近年来，触变成形技术在高性能锻造铝合金领域的研究和应用变得越来越深入和广泛29。目前，意大利、法国、美国和日本已经将半固态触变成形技术大量应用在 A356、A357 和其他铸造铝合金领域。但是铝合金半固态触变成形的研究尚未引起广泛关注30-31。3.2.3 喷射成形法 喷射成形快速凝固技术是利用高
14、速激冷气流，将金属液雾化为液滴高速喷出，有的液滴在喷出过程中冷却凝固，进而形成固-液两相的雾滴，然后沉积到温度较低的基体之上，使其互相黏结、凝固，而后形成沉积坯。所制备的材料具有组织均匀、晶粒细小、成分均一和力学性能优良等特点。铝合金材料经过挤压成形后，致密性和强韧性高，显微组织为等轴晶粒，消除了宏观偏析，综合性能优良32-35。因此，该方法被广泛用来制备高强韧轻质铝合金材料。范才河等36采用自行研制的 SF380 大型喷射成形设备，制备了如图 3 所示的 Al-Cu-Mg 合金锭，并对大应变热轧喷射成形铝合金的微观结构及力学性能进行了研究。实验结果表明，当热轧变形 80%时，高位错密度晶粒中
15、的小角度晶界转变为大角度晶界，形成大图 2 粉末冶金流程图 Fig.2 Flow chart of powder metallurgy图 3 喷射沉积铝合金锭Fig.3 Aluminum alloy ingot prepared by spray deposition铝合金弹壳的发展历程和研究现状阳建君，等02-72-量的亚微米级动态再结晶晶粒，显著细化了晶粒组织，合金的室温拉伸强度和伸长率分别为 619 MPa和 19.8%。3.3 铝合金弹壳的成形工艺 3.3.1 拉深成形拉深成形是一种利用拉深模具对平板毛坯施加外力，制备各种开口空心件的工艺。该工艺被广泛应用于铜质弹壳和钢质弹壳的制备，具
16、有易加工、操作简单、成本低等优点37。例如子弹壳、高压容器等底厚与侧壁厚不等，并且具有一定高度的工件，可采用拉深成形工艺。一般来说，弹壳很难只通过一次拉伸就直接成形，因为这会导致侧壁变薄而发生断裂。为了保证弹壳拉伸时不发生断裂以及弹壳的质量，经过一次拉伸后需要进行退火处理，使其恢复原来的塑性，然后再进行拉伸步骤。拉伸完成后，需要进行翻边处理，去除余料；利用夹具进行车削加工，对底部进行开孔处理。完成车削加工步骤后即可进行下一步去毛刺以及倒角等工序。再进行翻边处理，翻边处理需要根据弹壳来确定模型的合理性。翻边处理之后，整个弹壳的形状尺寸都已经确定，之后只需再进行高度尺寸的确定以及去毛刺的步骤，弹壳加工完成38-39。3.3.2 挤压成形挤压成形分为冷挤压和热挤压成形，是铝合金弹壳成形的重要方法。挤压成形就是对金属容器中金属坯的一端施加外力，使金属材料从特定的模孔中流出，得到具有一定断面形状的零部件的成形工艺。挤压成形具有很多优点：生产范围广并且生产的灵活性较大，不管是大批量或者小批量生产皆可；生产出的产品不仅尺寸精度高，而且表面质量好。挤压成形也存在一定的局限性，挤压过程中速度比较低，金属
