Brevet FR2686969A1 — publié le 19930806

"Procédé pour augmenter la puissance de pénétration de charges P par optimisation du matériau de l'insert". La présente invention concerne un procédé pour augmenter la puissance de pénétration de charges formant des projectiles (encore appelés charges P). Les charges P sont des dispositions de charges grâce auxquelles la détonation de la matière explosive transforme une garniture métallique en un projectile cohérent à énergie cinétique élevée. L'état actuel de la technique est décrit dans la publication "Projektilbildende Ladungen" Gus- tav Adolf Schrôder, Ulrich Hornemann et Klaus Weimann dans Jahrbuch der Wehrtechnik 16, Editions Bernard & Graefe, Coblence 1986 Selon l'unique figure annexé, la charge explosive se compose de manière générale d'un corps explosif 1 de forme cylindrique fermée par une surface perpendiculaire à l'axe du cylindre et au centre de laquelle se trouve la capsule-amorce 2 La face tournée vers l'objectif est délimitée par la gar- niture métallique qui, dans le cas de charges à forma- tion de projectiles, se présente sous la forme d'un cône plat à angle ouvert de plus de 140 ' ou encore d'une calotte 3 La vitesse du projectile qui se forme dépend principalement du rapport de la masse de l'élé- ment de garniture à la masse de la charge explosive se trouvant derrière cet élément de garniture; elle est donnée approximativement par la formule de Gurney V: = A/4 p + k. Dans cette formule A représente une grandeur caractérisant l'énergie spécifique de la charge explo- sive; K tient compte de la configuration de la charge et l est la masse de l'élément mobile. Selon cette formule, la vitesse du projecti- le est d'autant plus élevée que la garniture est min- ce. Par ailleurs, il faut remarquer que l'effet d'un projectile ainsi formé au niveau de l'objectif dépend de l'énergie cinétique m V 2 Comme les possibi- lités d'optimisation de la configuration de la charge : et de la forme de l'insert ont été très largement épuisées, pour augmenter l'effet au niveau de la ci- ble, il ne subsiste que la possibilité d'utiliser com- me matériau de garniture, un matériau de densité plus élevée pour augmenter ainsi l'énergie cinétique 2 V 2 Le brevet allemand 29 13 103 décrit un insert formé d'un alliage contenant au moins 20 % de tantale et ayant une densité supérieure à celle du cuivre Le but de l'invention ainsi décrite consiste à augmenter la puissance de pénétration des projectiles en augmen- tant la densité du matériau de l'insert tout en ayant une ductilité aussi grande que possible ainsi qu'une bonne résistance dans la plage des températures si- tuées au voisinage de 500 çC. Pour le choix des métaux appropriés ayant une densité élevée, supérieure à environ 19 g/cm 3, on -ne peut pas envisager les métaux précieux pour des raisons de coût; si l'on n'utilise pas d'uranium en- richi, il ne reste que le tungstène Toutefois, dans le cas du tungstène pur, la faible ductilité à la tem- pérature ambiante constitue une difficulté Le manque de ductilité explique probablement que les essais men- tionnés dans le brevet rappelé ci-dessus et faits sur un insert contenant du tungstène n'offraient pas d'a- mélioration de la profondeur de pénétration par rap- port aux inserts en cuivre. La présente invention a ainsi pour but de développer un matériau résistant et ductile pour les inserts de charges P, à base de tungstène et ayant une densité supérieure à 14 g/cm 3. Selon l'invention, ce problème est résolu par un matériau composé à base de tungstène caractéri- sé en ce qu'on réalise les inserts en un matériau com- posé à base de tungstène ayant une densité au moins égale à 14 g/cm 3 et une résistance à la traction à 5000 C au moins égale à 50 kg/mm 2 et un allongement dans les mêmes conditions égal à au moins 20 %. L'invention repose sur la constatation que des feuilles minces ou encore des fils minces de tung- stène présentent par rapport à des éléments plus com- pacts en tungstène, une ductilité suffisante pour les applications envisagées Selon l'invention, la liaison entre les feuilles et les fils pour réaliser des piè- ces de forme, d'épaisseur suffisante, se fait avec des couches intermédiaires en des métaux ductiles comme par exemple des métaux à base de cobalt et de nickel. Ces métaux de liaison peuvent être placés sous forme de feuilles ou de filets entre les feuilles de tungstène et/ou être appliqués selon des procédés de revêtement usuels à la surface du tungstène Le ma- tériau composé final se présente alors sous la forme de paquets comprimés sous pression élevée. En outre, on peut également insérer des grains de tungstène dans une matrice en un métal duc- tile en veillant toutefois à ne pas dépasser une gra- nulométrie critique de 50 pm Les grains de tungstène peuvent être enrobés tout d'abord d'une couche d'un métal de liaison puis être travaillés sous pression pour réaliser des pièces de forme denses Une autre solution de fabrication du matériau composé consiste à mélanger de la poudre de tungstène et de la poudre de métal de liaison et de comprimer ce mélange. Enfin, on peut réaliser le matériau composé à base de granulés qui, grâce au procédé de fabrica- tion, contiennent déjà les éléments de l'alliage dans chaque noyau de granulé sous la forme d'un mélange fi- nement dispersé Comme matière première pour la réali- sation des granulés on utilise avantageusement des tungsténates du métal de liaison ou encore des mélan- ges de tungsténates amonium-métal et en sel du métal de liaison par exemple Ni SO 4 L'exemple 5 décrit la fabrication des alliages à partir de ces matières pre- mières, et dont les grains des particules de tungstène et du métal de liaison peuvent être diminués jusqu'en- dessous de 4 p. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau composé à base de tungstène com- prend des couches de feuilles de tungstène dont l'é- paisseur est de l'ordre de 25 à 200 pm et qui sont re- vêtues sur les deux faces d'un métal de liaison à base de cuivre, nickel, cobalt, fer ou palladium avec une épaisseur de 2,5 à 80 pm. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau composé à base de tungstène com- prend des couches de feuilles de tungstène d'une épaisseur comprise entre 25 et 200 pm et entre les feuilles de tungstène, des couches de métal de liaison de cuivre, nickel, cobalt, fer ou palladium. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les feuilles de tungstène sont revêtues par voie électrochimique ou non galvanique d'un métal de liaison ou encore par séparation d'une phase gazeuse selon le procédé CVD (procédé de dépôts chimiques à la vapeur). Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau composé, à base de tungstène, comprend des couches de filets faits avec des fils de tungstène. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les filets de fils de tungstène d'un diamètre de fil compris entre 15 et 100 pim sont revêtus d'un métal de liaison à base de cobalt, nickel, cuivre, palladium ou fer o le métal de liaison est introduit sous forme de feuilles ou de poudres dans de tels rap- ports de mélanges donnant la densité minimale. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, pour obtenir une symétrie de rotation des couches de filets de fils de tungstène on combine ces filets suivant une orientation différente. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les couches de feuilles de tungstène ou de filets de fils de tungstène sont compactées avec des couches ou feuilles de métal de liaison, par pressage, de préférence par pressage isostatique à froid et/ou pressage isostatique à chaud pour former des inserts travaillés pour des charges P. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau composé comprend des couches de filets de fils de tungstène et de poudre de tungstène dont les grains sont enrobés de cobalt, de nickel, de cuivre, de palladium ou de fer constituant le métal de liaison, puis sont compactés et comprimés selon la technique utilisant les explosions. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau composé comprend des grains de tungstène d'une granulométrie inférieure à 50 pim noyés dans une matrice à base de cuivre, cobalt, nickel, fer ou palladium. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les grains de tungstène d'une granulométrie inférieure à 50 pm sont revêtus par voie électrochimi- que, non galvanique ou par dépôt en phase vapeur (pro- cédé CVD) par un métal de liaison à base de cuivre, nickel, cobalt, fer ou palladium puis sont comprimés selon un procédé de métallurgie des poudres notamment par pressage isostatique à froid et/ou à chaud pour donner des pièces de formes denses et ductiles. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la poudre de tungstène d'une granulométrie inférieure à 100 pim est mélangée à une poudre d'une granulométrie inférieure à 30 pm du métal de liaison et ce mélange est comprimé pour réaliser les pièces de forme qui sont alors frittées à des températures voi- sines du point de fusion du métal de liaison pour ré- aliser des pièces de forme, denses. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau composé est réalisé à partir de granulés qui sont obtenus par réduction à l'hydrogène de tungstanate du métal de liaison tel que du tungsta- nate de nickel Ni 6 Hz W 12040 ou par réduction par CO de composés du tungstène tels que du tungstanate d'ammo- nium métallique avec des fractions de liaison du métal formant le liant comme Ni SO 4 ou encore par séchage par pulvérisation de solutions aqueuses de telles composi- tions et réduction simultanée dans un courant d'hydro- gène suivant des dimensions d'environ 50 pm à l'aide desquelles par pressage à froid on réalise des pièces ayant une densité supérieure à 8 g/cm 3 qui, après frittage sous atmosphère d'hydrogène ou d'azote à des températures inférieures à la température de fusion du métal liant sont comprimées pour former des inserts denses, très résistants et très ductiles destinés à des charges P. On décrira ci-après des procédés de fabrica- tion d'inserts pour des charges P à partir de tels mé- taux composés, ductiles, à base de tungstène à l'aide d'exemples. Exemple 1 On revêt des feuilles de tungstène d'une épaisseur comprise entre 25 et 200 pim par électrolyse par exemple dans un bain de Watt avec du nickel sur une épaisseur de 2,5 à 80 p Im; à partir de ces feuil- les on estampe des rondelles d'un diamètre allant jusqu'à 100 mm Pour réaliser une coquille destinée à ; une charge P d'une épaisseur de l'ordre de 6 mm on em- pile ainsi environ 150 feuilles d'une épaisseur de l'ordre de 40 pim composées chaque fois d'une feuille de tungstène d'une épaisseur de 30 pm et d'un revête- ment de nickel sur les deux faces, d'une épaisseur de 5 pm; on effectue un pressage préalable à froid sous une pression de 2 à 3 kbar; ce paquet a été placé dans un conteneur en tôle d'acier, sous vide et com- primé complètement à chaud et de manière isostatique a des températures allant jusqu'à 10000 C sous une pres- sion allant jusqu'à 2 kbar pour former des plaques planes circulaires Puis ces plaques ont été mises en forme par matriçage et/ou par fluage pour donner un insert en forme de coupelle. Exemple 2: On a tissé des fils de tungstène d'un diamè- tre comprise entre 15 et 100 p pour former un filet dense A partir de ce filet de tungstène on a estampé des rondelles d'un diamètre de l'ordre de 100 mm; en empilant ces rondelles on a placé sur chaque rondelle de filet de tungstène une rondelle formée d'une feuil- le de nickel d'une épaisseur comprise entre 2,5 et 40 p Pour obtenir un réseau particulièrement dense il s'est avéré intéressant de laminer le filet de tung- stène avant d'estamper les rondelles Pour réaliser une coupelle pour une charge P, d'une épaisseur de l'ordre de 6 mm on a ainsi empilé environ 200 rondel- les de filets de tungstène avec une épaisseur de fils de tungstène de l'ordre de 25 pm et environ 200 ron- delles d'une feuille de nickel d'une épaisseur de l'ordre de 15 pam; on a effectué un pressage préalable à froid sous une pression comprise entre 2 a 3 kbar; le paquet ainsi obtenu a été placé dans un conteneur en tôle d'acier mis sous vide et traité à chaud et de manière isostatique à des températures allant 10000 C sous une pression allant jusqu'à 2 kbar pour former une plaque plane circulaire, dense Puis cette plaque a été transformée en un insert en coupole par matriça- ge et/ou fluage sous pression. Exemple 3: On a travaillé des fils de tungstène ducti- les d'un diamètre compris entre 15 et 100 pm pour for- mer un filet à mailles étroites Dans ce filet de fils de tungstène on a estampé des rondelles d'un diamètre d'environ 100 mm Puis on a immergé ces rondelles dans une boue formée de poudre de tungstène et d'un solvant organique puis on a laissé sécher Pour réaliser un insert en forme de coupelle d'une épaisseur de paroi d'environ 6 mm on a empilé environ 150 rondelles (pour un diamètre de fil de tungstène d'environ 300 pm) et on les a préalablement pressés sous une pression d'en- viron 3 kbar Le paquet obtenu a été placé dans un conteneur en tôle d'acier mis sous vide et ce paquet a été pressé sous une température allant jusqu'à 1000 C et une pression allant jusqu'à 2 kbar pour former une plaque plane dense circulaire Cette plaque a été mise en forme d'insert en coupelle par matriçage et/ou fluage sous pression. Exemple 4: On a mélangé de la poudre de tungstène de granulométrie fine (granulométrie 510 pm) à 90 % en poids avec de la poudre de cuivre (à 7 % en poids) et de la poudre de nickel (à 3 % en poids) et on a effec- tué une compression préalable sous une pression de l'ordre de 2 à 5 kbar pour former des disques d'une épaisseur de l'ordre de 9 mm et on a effectué un f rit- tage préalable sous une atmosphère de gaz protecteur à une température d'environ 8000 C Les rondelles pré- frittées ont été enrobées de tôle d'acier et mises sous vide Par pressage isostatique à chaud à des tem- pératures voisines de 12000 C et une pression d'environ 2 kbar on a obtenu des disques denses ( 17 g/cm 3) et solides ( 79 kg/mm 2) avec une épaisseur de 6,5 mm; ces disques ont alors été transformés en insert en coupel- le pour des charges P par matriçage et/ou fluage sous pression. Exemple 5 Les meilleurs résultats (densité 17,5 g/cm 3, résistance à la traction 120 kg/mm 2 et allongement 23 %) ont été obtenus dans le cas des poudres fabri- quées à partir de tungsténate du métal de liaison tel que de tungstanate de nickel ou encore par coproduc- tions de tungstanate d'amonium métallique et d'un sel du métal de liaison tel que du sulfate de nickel Le tungstanate de nickel Ni 6 H 2 W 12040 peut être réduit di- rectement en une poudre avec de l'hydrogène, poudre composée de particules très fines de tungstène et de nickel ayant une granulométrie très inférieure à 1 p Im. Pour diminuer la teneur en nickel on peut alors mélan- ger cette poudre avec des poudres fines de tungstène. A partir de solutions communes de sels de tungstène telles que du tungstanate d'ammonium et des sels du métal de liaison tels que Ni SO 4 on réalise en particu- lier par pulvérisation à des températures de l'ordre de 8000 C sous la forme d'un aérosol, de fines particu- les de sel réparties de manière intime et homogène des composants d'alliages que l'on réduit pour obtenir le métal dans un courant d'hydrogène à des températures de 950 à 12000 C Ces poudres présentent une activité de frittage tellement élevée qu'il est possible de ré- aliser un frittage en phase solide. A partir d'une poudre réalisée de la manière décrite ci-dessus et composée de particules de tung- stène extrêmement fines et de particules de nickel également fines qui sont mélangées intimement de ma- nière homogène, on a réalisé par pressage à froid une pièce en forme de disque circulaire ayant un diamètre de 100 mm La densité initiale était déjà voisine de 12 g/cm 3 Ces pièces de forme ont été placées dans un conteneur en tôle d'acier mis sous vide puis compri- mées de manière isostatique et à chaud à des tempéra- tures allant jusqu'à 10000 C sous une pression allant jusqu'à 2 kbar Ces disques ont été transformés en in- serts en forme de coupelles par matriçage et/ou par fluage sous pression. il R E V E N D I C A T I O N S l) Procédé pour augmenter la puissance de pénétration de charges formant des projectiles (char- ges P) composées d'une charge explosive ( 1), principa- lement cylindrique, dont une face est limitée par une surface circulaire perpendiculaire à l'axe du cylindre et au centre de laquelle se trouve l'amorce explosive ( 2) ainsi qu'un insert métallique ( 3) en forme de tronc de cône évasé ou de calotte sphérique, procédé caractérisé en ce qu'on réalise les inserts en un ma- tériau composé à base de tungstène ayant une densité au moins égale à 14 g/cm 3 et une résistance à la trac- tion à 5000 C au moins égale à 50 kg/mm 2 et un allonge- ment dans les mêmes conditions égal à au moins 20 %. 20) Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le matériau composé à base de tungstène comprend des couches de feuilles de tungstè- ne dont l'épaisseur est de l'ordre de 25 à 200 pm et qui sont revêtues sur les deux faces d'un métal de liaison à base de cuivre, nickel, cobalt, fer ou palladium avec une épaisseur de 2,5 à 80 pm. ) Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le matériau composé à base de tung- stène comprend des couches de feuilles de tungstène d'une épaisseur comprise entre 25 et 200 pm et entre les feuilles de tungstène, des couches de métal de liaison de cuivre, nickel, cobalt, fer ou palladium. ) Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que les feuil- les de tungstène sont revêtues par voie électrochimi- que ou non galvanique d'un métal de liaison ou encore par séparation d'une phase gazeuse selon le procédé CVD (procédé de dépôts chimiques à la vapeur). ) Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le matériau composé, à base de tungstène, comprend des couches de filets faits de fils de tungstène. ) Procédé selon la revendication 5, carac- térisé en ce que les filets de fils de tungstène d'un diamètre de fil compris entre 15 et 100 pm sont revê- tus d'un métal de liaison à base de cobalt, nickel, cuivre, palladium ou fer o le métal de liaison est introduit sous forme de feuilles ou de poudres dans de tels rapports de mélanges donnant la densité minimale selon la revendication 1. 7 V) Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 5 et 6, caractérisé en ce que pour obte- nir une symétrie de rotation des couches de filets de fils de tungstène on combine ces filets suivant une orientation différente. 8) Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 2 à 6, caractérisé en ce que les couches de feuilles de tungstène ou de filets de fils de tung- stène sont compactées avec des couches ou feuilles de métal de liaison, par pressage, de préférence par pressage isostatique à froid et/ou pressage isostati- que à chaud pour former des inserts travaillés pour des charges P. ) Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 5 à 7, caractérisé en ce que le matériau composé comprend des couches de filets de fils de tungstène et de poudre de tungstène dont les grains sont enrobés de cobalt, de nickel, de cuivre, de pal- ladium ou de fer constituant le métal de liaison, puis sont compactés et sont comprimés selon la technique utilisant les explosions. ') Procédé selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le matériau composé comprend des grains de tungstène d'une granulométrie inférieure à 50 pm noyés dans une matrice à base de cuivre, cobalt, nickel, fer ou palladium. 11) Procédé pour la réalisation du matériau composé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les grains de tungstène d'une granulométrie infé- rieure à 50 pim sont revêtus par voie électrochimique, non galvanique ou par dépôt en phase vapeur (procédé CVD) par un métal de liaison à base de cuivre, nickel, cobalt, fer ou palladium puis sont comprimés selon un procédé de métallurgie des poudres notamment par pres- sage isostatique à froid et/ou à chaud pour donner des pièces de formes denses et ductiles. ) Procédé selon les revendications 1 et , caractérisé en ce que la poudre de tungstène d'une granulométrie inférieure à 100 pim et mélangée à une poudre d'une granulométrie inférieure à 30 pm du métal de liaison et ce mélange est comprimé pour réaliser les pièces de forme qui sont alors frittées à des tem- pératures voisines du point de fusion du métal de liaison pour réaliser des pièces de forme, denses. 130) Procédé selon les revendications 1 et , caractérisé en ce que le matériau composé est ré- alisé à partir de granulés qui sont obtenus par réduc- tion à l'hydrogène de tungstanate du métal de liaison tel que du tungstanate de nickel Ni 6 H 2 W 12040 ou par réduction par CO de composés du tungstène tels que du tungstanate d'ammonium métallique avec des fractions de liaison du métal formant le liant comme Ni SO 4 ou encore par séchage par pulvérisation de solutions aqueuses de telles compositions et réduction simulta- née dans un courant d'hydrogène suivant des dimensions d'environ 50 pin à l'aide desquelles par pressage à froid on réalise des pièces ayant une densité supé- rieure à 8 g/cm 3 qui, après frittage sous atmosphère d'hydrogène ou d'azote à des températures inférieures à la température de fusion du métal liant sont compri- nées pour former des inserts denses, très résistants et très ductiles destinés à des charges P.