破片／反応物質アセンブリの製造

本発明は、破砕性材料(fragmenting material)の製造方法、およびそれによって製造された材料に関する。特に、複合材料が、例えば焼結などにより、互いに反応性金属によって結合された金属破片を有する。

軍隊は、安全距離から配備することが可能であり、かつ起爆時に動きの速い致命的な無数の破片を分散させることが可能な装置を必要としている。こうした応用例の一つには破砕弾頭部のノーズコーンが挙げられる。こうしたノーズコーンの一つは、粉末と混合された所定の形状を有する複合材料である。その後混合物が圧縮成形され、焼結される。その方法は、Brent等による“Co-Sintered Multi-System Tungsten Alloy Composite”という名称の特許文献1に記載されている。成形爆薬ライナ用のライナとして有効な別の焼結製品が、Stowovy等による“Single Phase Tungsten Alloy for Shaped Charge Liner”という名称の特許文献2に記載されている。

米国特許出願公開第2011/0064600号明細書

米国特許第7921778号明細書

本発明は、発熱特性を有する複合破砕性材料の製造方法であって、予成形された金属破片をモールドに充填するステップと、混合物を形成させるように金属破片の周囲の隙間の空間に反応金属粉末を充填するステップと、金属破片を反応金属粉末で被覆し、かつ金属破片を互いに結合させるように有効な温度で混合物を焼結させるステップと、を含む。

本発明の1つ以上の実施例の詳細を添付の図面および以下の説明に記載する。本発明のその他の特徴部、目的、および利点が詳細な説明、図面、および特許請求の範囲から明らかとなるであろう。

(A)〜(C)は、本発明の方法によって製造された種々の形状を示す図。

処理ステップよる焼結の準備が整った充填シリンダを示す図。

焼結後の、図2の充填シリンダによって製造された製品を示す図。

種々の図面における同様の参照符号および名称は同様の要素を示す。

本発明は反応材料コーティングを有する破片(fragment)配列の製造方法である。破片は、鋼、タンタル、タングステン、タングステン重合金、または多くのその他の材料であってもよく、それらの破片が、セラミックスリーブすなわちさやなどの容器に充填される。それらの破片は、球体、六面体、立方体、またはその他の製造可能な形状など、それらの形状に基づいて高密度に充填される。一般的には、それらの破片は1.27mm〜12.7mm(0.05インチ〜0.5インチ)の最長長さ(形状に応じて軸または直径に沿って測定される)を有する。破片は、鋳造、焼結、または機械加工などの任意の適切な処理により、容器内への充填前に予成形される。容器として適切な材料は、以下に記載の反応材料と反応しない高温材料である。例示の容器用の材料は、アルミナ、ムライト、およびセラミック繊維板を含む。

容器内に一旦充填されると、反応金属粉末は破片と内外で混合される。反応(性)とは、弾頭部の破砕時に発熱を伴う材料を意味する。一般的に、この材料は酸素と反応する発火性材料である。反応材料は、これに限定しないが、ジルコニウム、またはジルコニウムベース合金であってもよい。その他の適切な反応材料は、ニオブ、ハフニウム、アルミニウム、チタン、マグネシウム、および50重量%を上回るそれらの金属を含有する合金を含む。反応粉末は、ナノメートルサイズから約0.05mm(50ミクロン)までの寸法を有する。

次いで破片および反応材料を有する容器が高温焼結サイクルにかけられ、それにより反応材料が破片を被覆し、破片を互いに結合させて、容器の形状を保持する。加熱時には、焼結は好ましくは約0.133Pa〜0.000133Pa(10^-3torr〜10^-6torr)の減圧下で行われるが、不活性雰囲気を用いてもよい。

モールド材料を直円柱、リング、曲面板または平板、または考えうる任意のその他の形状等の、所定の形状(図1参照)に形成させることにより、所望の形状の複合破砕性材料が形成されることが判明した。その方法における第1のステップは、モールドの形成である。モールドはセラミック材料から形成されうるが、必ずしもそうである必要はない。このセラミック材料はキャスタブルまたは機械加工することが可能であり、クロス(cloth)板または繊維板であってもよい。直円柱については、一つの方法として市販のセラミックチューブを使用することができる。このチューブは25.4mm(1インチ)の長さのセグメントに切断されうる。次いでそれらのチューブセグメントに、タングステン重合金、鋼、またはその他の材料の球体、立方体または六面体などのこれに限定しない金属破片が充填される。一旦チューブに破片が充填されると、例えばジルコニウムなどのこれに限定しない粉末またはスポンジ状の反応材料が破片の周りを充填するように、次いで粉末またはスポンジが破片に亘って注入される(図2参照)。

次いでその材料が炉内に、大気圧であれ、真空であれ、焼結される材料に応じて配置される。次いでその部品は、反応充填材料の、破片との結合を促進するのに十分な高温にまで加熱される。一例は、ジルコニウムを有するタングステン重合金の球体である。この例では、充填されたモールドが300°C〜1600°Cの温度範囲で焼結され、好ましくは1200°C〜1500°Cの温度範囲で焼結される。一旦焼結サイクルが完了すると、結合構造がモールドから除去される。その結果、反応材料により特定の形状(図3)に結合された破片が得られる。それらの構造物は、ターゲットと相互作用したときに反応特性を有する破片を生ずるように、弾頭部に装填されうる。

本発明の方法および生成物が以下の例によって示される。タングステン重合金(WHA)球体とジルコニウム金属の組合せが形成された。41個の球体が、長さ25.4mm×12.7mm(長さ1インチ×0.5インチ)の開口部を有するアルミナチューブ内に配置された。その結果、球体の占積率(packing factor)は55%であった。次いでジルコニウム粉末がそれらの球体を包囲し、かつ隙間の空間を埋めるように、2.6gのジルコニウム粉末を同じアルミナチューブ内で攪拌した。次いでそのアセンブリを高真空(約0.000133Pa(10^-6torr))下、1250°Cの温度で焼結させた。得られた複合物は、ジルコニウムで結合、被覆された複数のWHA球体の自立構造の直円柱であった。

次いで複合体が通気式容器に配置され、アセンブリの熱を増加させるようにニクロム要素のワイヤを取り付けた。ニクロム要素に通電して、弾頭部の爆轟時に見られる熱およびエネルギーに匹敵するように複合物の温度を上昇させた。破砕パックが熱の上昇に反応して発熱反応および発火反応を示した。