Brevet FR3039266A1 — publié le 20170127

Le domaine technique de l'invention est celui des pénétrateurs en métal lourd et en particulier celui des pénétrateurs utilisés pour réaliser des projectiles sous calibrés de gros calibre (calibre supérieur ou égal à 25 mm). Ces projectiles sont le plus souvent appelés projectiles flèches. Ils comportent un pénétrateur ou barreau sous-calibré qui est tiré par une arme à l'aide d'un sabot au calibre de l'arme. Pour un projectile de calibre 120 mm, le pénétrateur a 10 généralement un diamètre de 20 à 30 mm et le sabot permettant le tir est formé d'un ensemble de secteurs en matériau léger (alliage d'aluminium par exemple). Les brevets FR-2521717 et FR-2661739 décrivent des exemples de projectiles flèches. 15 Pour augmenter l'efficacité pénétrante des projectiles flèches, les pénétrateurs sont le plus souvent réalisés en un alliage à haute teneur en tungstène. De tels alliages sont sensibles aux sollicitations transversales qu'ils reçoivent lors de l'impact sur une cible 20 inclinée ou bien lors de l'interaction avec une protection réactive. Les chocs transversaux provoquent la rupture du pénétrateur ce qui réduit le pouvoir perforant du pénétrateur après passage de telles cibles. Il est connu de doter les pénétrateurs d'une chemise 25 périphérique en un matériau plus ductile assurant une résistance à la flexion pour le pénétrateur. On connaît par exemple par le brevet EP-1940574 un pénétrateur comportant un coeur formé d'un alliage comprenant de 90 à 97% en masse de tungstène et qui est entouré d'une 30 gaine périphérique d'un alliage de tungstène plus ductile que le matériau du coeur. La gaine de ce pénétrateur a une proportion en tungstène comprise entre 85% et 91%. Le pourcentage en tungstène de la gaine est relativement 35 proche de celui du coeur et ce pénétrateur a donc des performances de résistance à la flexion insuffisantes. Un tel pénétrateur n'est pas adapté aux besoins actuels de réalisation de projectiles flèches ayant un allongement, 3039266 2 c'est à dire un rapport (L/D) de la longueur (L) du pénétrateur sur le diamètre (D) du pénétrateur, qui est important. On cherche en effet à réaliser aujourd'hui des 5 pénétrateurs ayant un allongement dépassant 20 (L/D > 20). Ceci conduit à des pénétrateurs de plus de 500 mm de long pour un diamètre de 25 à 35 mm. De tels pénétrateurs sont particulièrement sensibles aux impacts sur des cibles inclinées. Il n'est cependant pas aisé de donner à la gaine une ductilité supérieure à celle du coeur. Par ailleurs, il est également nécessaire d'assurer une liaison entre le matériau du coeur et celui de la gaine. Si cette liaison est insuffisante, les efforts radiaux ou longitudinaux conduisent /5 à une séparation de ces éléments lors de l'impact ou même comme suite au tir. Pour assurer la liaison, le brevet EP-1940574 propose de procéder à un frittage du coeur et de la gaine dans un même moule. La séparation entre gaine et coeur est assurée par un 20 entonnoir particulier associé à un tube qui sépare la zone de coeur et la zone de gaine. Après mise en place des matériaux de la gaine et du coeur, le tube et l'entonnoir sont retirés. Les matériaux de gaine et de coeur sont alors en contact et le frittage peut être réalisé. 25 Un tel procédé présente l'inconvénient de laisser subsister entre gaine et coeur une zone de transition ayant une épaisseur entre 25 micromètres et 200 micromètres. Cette zone est formée d'un matériau dont la composition et les caractéristiques sont intermédiaires entre celles du coeur et 30 de la gaine. Plus spécifiquement encore, la géométrie de cette zone de transition (épaisseur, positionnement par rapport à l'axe du pénétrateur...) n'est pas maîtrisée. Il en résulte des variations du positionnement radial de 35 cette zone de transition le long du pénétrateur, variations d'autant plus marquées pour un pénétrateur de grand allongement. Il en résulte également une résistance de cette 3039266 3 interface qui est très variable le long du pénétrateur, ce qui diminue les performances de perforation. Par ailleurs, le procédé décrit par le brevet EP-1940574 impose un taux de tungstène de la gaine qui est relativement 5 proche du taux de tungstène du coeur. La ductilité de la gaine obtenue avec ce procédé est donc peu supérieure à celle du coeur, de l'ordre de 5 à 10%. L'invention a pour but de proposer une structure de pénétrateur dans laquelle l'adhérence entre gaine et coeur est 10 excellente, même avec une différence de taux de tungstène entre gaine et coeur. Le pénétrateur selon l'invention peut alors avoir une ductilité de gaine qui est supérieure à celle des pénétrateurs à gaine de tungstène connus. /5 Ainsi, l'invention a pour objet un pénétrateur en métal lourd à haute teneur en tungstène comportant une partie centrale ou coeur formé d'un alliage comprenant de 85 à 97% en masse de tungstène associé à des métaux additionnels et qui est entouré d'une gaine périphérique d'un alliage de 20 tungstène plus ductile que le matériau du coeur, pénétrateur caractérisé en ce que la gaine est réalisée en un alliage comprenant de 30% à 72% en masse de tungstène, le coeur comprenant des nodules de tungstène liés par une matrice d'une phase gamma yc associant le tungstène aux métaux 25 additionnels, les deux phases gamma étant reliées l'une à l'autre de façon continue sans zone de transition. Les phases gamma du coeur yc et de la gaine yG auront une composition associant le tungstène, le nickel, le cobalt et éventuellement le fer. 30 Selon un mode de réalisation, le coeur pourra comprendre 85% en masse de tungstène et la gaine 38% en masse de tungstène, les phases gamma du coeur yc et de la gaine yG ayant des compositions associant Tungstène, Nickel et Cobalt. Selon un autre mode de réalisation, le coeur pourra 35 comprendre 89% en masse de tungstène et la gaine 68% en masse de tungstène, les phases gamma du coeur yc et de la gaine YG ayant des composition associant Tungstène, Nickel et Cobalt. 3039266 4 Selon un autre mode de réalisation, l'alliage du coeur pourra comprendre 95% en masse de Tungstène, 2% en massé de Nickel, 1,5% en masse de Cobalt et 2% en masse de Fe et la gaine 70% en masse de tungstène, les phases gamma du coeur yc 5 et de la gaine 7G ayant des compositions associant Tungstène, Nickel, Cobalt et Fer. L'invention a également pour objet un procédé permettant de réaliser un tel pénétrateur. Ce procédé de fabrication d'un pénétrateur en métal 10 lourd à haute teneur en tungstène est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes (qui conduisent à la réalisation d'un ébauché de ce pénétrateur) : - fabrication d'un coeur composé de poudres compactées comprenant de 85% à 97% en masse de tungstène associé à des 15 métaux additionnels comprenant le nickel, le cobalt avec ou sans Fer, - fabrication d'une gaine composée de poudres compactées comprenant de 30% à 72% en masse de tungstène associé à des métaux additionnels comprenant le nickel, le cobalt avec ou 20 sans Fer, - assemblage par frittage de la gaine et du coeur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation, description faite en référence aux dessins 25 annexés et dans lesquels : - la figure 1 montre l'architecture générale d'un projectile sous calibré de type flèche, - la figure 2 montre en coupe longitudinale partielle un pénétrateur selon l'invention, 30 - la figure 3 est une micrographie montrant la structure du coeur du pénétrateur selon l'invention, - la figure 4 est une micrographie montrant la structure de la gaine du pénétrateur selon l'invention, - la figure 5a est une micrographie montrant la liaison 35 entre gaine et coeur, et - la figure 5b est un grossissement de la micrographie de la figure 5a. 3039266 5 La figure 1 montre un projectile flèche 1 qui comporte d'une façon classique un sabot 2 réalisé en matériau léger (tel qu'un alliage d'aluminium), sabot formé de plusieurs segments et qui entoure un pénétrateur 3 sous-calibré. 5 Le pénétrateur comporte une partie avant 3a conique et porte à sa partie arrière 3b un empennage 4 assurant sa stabilisation sur trajectoire. La structure même du pénétrateur 3 sera décrite par la suite. Le sabot porte une ceinture 5, réalisée en matière 10 plastique, et qui assure l'étanchéité aux gaz propulsifs lors du tir dans le tube d'une arme (non représenté). Lors du tir, les gaz du chargement propulsif (non représenté) exercent leur poussée au niveau d'une partie arrière 6 du sabot qui est au calibre et qui constitue ce 15 qu'on appelle la plaque de poussée. Une telle configuration générale d'un projectile sous calibré stabilisé par empennage (projectile flèche) est bien connue. On pourra notamment considérer les brevets FR-2521717 et FR-2661739 qui décrivent des projectiles flèches connus. 20 Le sabot 2 est destiné à permettre le tir du projectile dans l'arme. Il est constitué de plusieurs segments (le plus souvent trois) qui entourent le pénétrateur 3 et qui sont en contact deux à deux au niveau de plans de joints. A la sortie du tube de l'arme les segments du sabot 2 25 s'écartent du pénétrateur 3 sous l'action de la pression aérodynamique qui s'exerce au niveau de la partie avant (AV) du sabot 2. L'écartement des segments conduit à la rupture de la ceinture 5 et le sabot libère donc le pénétrateur 3 qui 30 poursuit sa trajectoire. Des moyens à concordance de forme (non représentés), par exemple un filetage, sont interposés entre le sabot 2 et le pénétrateur 3 pour assurer l'entraînement de ce dernier. La figure 2 montre de façon plus précise la structure du 35 pénétrateur 3 qui comporte une partie centrale ou coeur 7 qui est entourée d'une gaine périphérique 8. Conformément à l'invention, le coeur est formé d'un alliage comprenant de 85% à 97% en masse de tungstène et la 3039266 6 gaine est réalisée en un alliage comprenant de 30% à 72% en masse de tungstène. Le tungstène est allié, tant au niveau du coeur que de la gaine, à des métaux d'addition comme le Nickel qui sera 5 toujours associé au Cobalt avec ou sans fer. Plus précisément et en référence à la figure 3, au niveau du coeur 7, le matériau comprend des nodules 9 de tungstène de phase a à structure cristalline cubique centré qui sont liés entre eux par une matrice 10 d'une phase gamma 10 yc associant le tungstène au Nickel, au cobalt avec ou sans fer (Fe), avec une structure cristalline cubique à face centrée. Le taux de tungstène du coeur est compris entre 85% et 97%, ce qui conduit à une densité du coeur de l'ordre de 17 g/cm3. Le coeur 7 est formulé de façon à avoir une limite élastique supérieure ou égale à 1100 MPa (Méga Pascals). La ductilité est de l'ordre de 6% et sa résilience Charpy (essai non entaillé selon norme ISO 179-1 est de 80 J/cm2. La composition du coeur comportera (proportions en 20 masse): 85 à 97% de tungstène, 1 à 10 % de Nickel, 1 à 6 % de Cobalt. Selon un autre mode de réalisation, la composition du 25 coeur comportera (proportions en masse) : 85 à 97% de tungstène, 1 à 10 % de Nickel, 0.5 à 10 % de Fer, 1 à 8 % de Cobalt. 30 En référence à la figure 4, au niveau de la gaine 8, le matériau comprend essentiellement une matrice 11 d'une phase gamma yG associant essentiellement le tungstène au Nickel et au Cobalt avec ou sans Fe, et avec une structure cristalline cubique à face centrée qui est le signe que cette gaine a une 35 haute résilience. Le pourcentage de tungstène de la gaine 8 est compris entre 30% et 72%, ce qui conduit à une densité de cette gaine qui peut varier entre 10 g/cm3 et 15 g/cm3. L'alliage de la 3039266 7 gaine 8 sera formulé de façon à avoir une ductilité supérieure à 7% et une résilience élevée : résilience Charpy (essai non entaillé selon norme ISO 179-1) supérieure ou égale à 200 J/cm2. 5 La composition de la gaine comportera (proportions en masse) : 30 à 72 % de tungstène, à 44 % de Nickel, 5 à 25 % de Cobalt. 10 Selon un autre mode de réalisation, la composition de la gaine comportera (proportions en masse): 30 à 72 % de tungstène, 30 à 44 % de Nickel, 0,5 à 10 % de Fer, 15 5 à 25% de Cobalt. Etant donné la différence de concentration du tungstène dans la gaine et le coeur, la gaine 8 est donc plus ductile que le coeur 7. Si la phase gamma yc du coeur associe le tungstène au 20 nickel et au cobalt (avec ou sans Fer), la phase gamma yG de la gaine comportera aussi le nickel et le cobalt (avec ou sans Fer) comme métaux additionnels. Les figures 5a et 5b montrent qu'après mise en forme du pénétrateur 3, les matrices 10 et 11 du coeur 8 et de la gaine 7 (matrices formées par les phases gamma du coeur et de la gaine) sont reliées l'une à l'autre de façon continue sans zone de transition. Voir en particulier les zones repérées par les flèches Z1 et Z2 (la figure 5b est à un grossissement double de celui de la figure 5a). Il en résulte une liaison intime de la gaine 7 sur le coeur 8 et une résistance extrêmement forte de cette liaison. Pour réaliser un tel pénétrateur 3 on met en oeuvre un procédé décrit de la façon suivante : Au cours d'une étape A, pour fabriquer un alliage comprenant de 85% à 97% en masse de tungstène, les poudres de Tungstène, Nickel, Cobalt et éventuellement de Fer sont mélangées de façon homogène et pré comprimés sous forme d'un barreau qui constituera le coeur. 3039266 8 Au cours d'une étape B, on élabore une gaine 8 d'un alliage comprenant de 30% à 72% en masse de tungstène associé à des métaux additionnels comprenant le Nickel, le Cobalt et éventuellement du Fer. 5 Les matériaux sont mélangés de façon homogène puis comprimés dans un outillage qui comporte un noyau cylindrique ayant un diamètre égal ou supérieur au diamètre interne souhaité pour la gaine. Le reste de l'outillage de compression est classique. 10 Au cours d'une étape C on assemble par frittage la gaine et le coeur. Le frittage a lieu en présence de phase liquide. On pourra mettre en oeuvre le procédé de frittage à haute puissance décrit dans la demande de brevet W003/027340 et qui /5 met en oeuvre un chauffage par induction. Les alliages sont consolidés à des températures comprises entre 1400 °C et 1600 °C. Le frittage permet d'assurer la continuité des phases gamma entre la gaine et le coeur. 20 Ces étapes A à C conduisent ainsi à la réalisation d'un ébauché du pénétrateur. On procède ensuite aux différents usinages de l'ébauché permettant de réaliser le pénétrateur 3 souhaité. On réalisera en particulier le filetage externe porté par la 25 gaine et permettant l'assemblage du pénétrateur 3 et de son sabot de lancement 2. On pourra réaliser des gaines dont le diamètre est compris entre 1,4 et 2,0 fois le diamètre du coeur. L'épaisseur de la gaine 8 pourra ainsi varier entre 5 mm et 30 9mm pour un pénétrateur de 35 mm de diamètre externe. A titre d'exemple on a ainsi fabriqué les pénétrateurs suivants : Exemple 1 35 Diamètre du coeur égal à 0,5-0,7 fois le diamètre de la gaine. Coeur formé de 85% en masse de tungstène, et ayant une densité de 16,5 g/cm3, une limite élastique de 1800 MPa, une 3039266 9 ductilité de 10% et une résilience Charpy non entaillé de 150 J/cm2. L'alliage du coeur comprend 85% en masse de Tungstène, 15% en masse de Nickel et 5% en masse de Cobalt. 5 La gaine a une densité de 11,2 g/cm2, une limite élastique de 1400 MPa, une ductilité de 18% et une résilience Charpy non entaillée de 400 J/cm2. L'alliage de la gaine comprend (proportions en masse) : 38,0% de Tungstène, 40% de Nickel et 22% de Cobalt. 10 Ce pénétrateur (et son ébauché) a été fabriqué en mettant en oeuvre le procédé précédemment décrit. Exemple 2 Diamètre de gaine égal à 0,5-0,7 fois le diamètre du /5 coeur. Coeur formé de 89% en masse de tungstène, et ayant une densité de 17,1 g/cm3, une limite élastique de 1500 MPa, une ductilité de 9% et une résilience Charpy non entaillé de 300 J/cm2. L'alliage du coeur comprend 89% en masse de Tungstène, 20 7,5% en masse de Nickel et 3,5% en masse de Cobalt. Gaine formée de 68% en masse de tungstène et ayant une densité de 14,1 g/cm2, une limite élastique de 2000 MPa, une ductilité de 11% et une résilience Charpy non entaillée de 400 J/cm2. L'alliage de la gaine comprend (proportions en 25 masse) : 68% de Tungstène, 22% de Nickel et 10% de Cobalt. Ce pénétrateur (et son ébauché) a été fabriqué en mettant en oeuvre le procédé précédemment décrit. Exemple 3 30 Diamètre de gaine égal à 0,5-0,7 fois le diamètre du coeur. Coeur formé de 95% en masse de tungstène, et ayant une densité de 18,3 g/cm3, une limite élastique de 1300 MPa, une ductilité de 7% et une résilience Charpy non entaillée de 50 35 J/cm2. L'alliage du coeur comprend 95% en masse de Tungstène, 2% en masse de nickel, 1,5% en masse de cobalt et 2% en masse de fer. 3039266 10 Gaine formée de 70,0% en masse de tungstène et ayant une densité de 14,0 g/cm2, une limite élastique de 2000 MPa, une ductilité de 9% et une résilience Charpy non entaillé de 300 J/cm2. L'alliage de la gaine comprend (proportions en 5 masse) : 70,0% en masse de Tungstène, 18% en masse de Nickel, 10% en masse de Cobalt et 2% en masse de Fe. Ce pénétrateur (et son ébauché) a été fabriqué en mettant en oeuvre le procédé précédemment décrit. REVENDICATIONSI. Pénétrateur (3) en métal lourd à haute teneur en tungstène comportant une partie centrale ou coeur (7) formé d'un alliage comprenant de 85 à 97% en masse de tungstène 5 associé à des métaux additionnels et qui est entouré d'une gaine périphérique (8) d'un alliage de tungstène plus ductile que le matériau du coeur (7), pénétrateur caractérisé en ce que la gaine (8) est réalisée en un alliage comprenant de 30% à 72% en masse de tungstène, le coeur (7) comprenant des 10 nodules (9) de tungstène liés par une matrice (10) d'une phase gamma Yc associant le tungstène aux métaux additionnels, les phases gamma du coeur (7) et de la gaine (8) étant reliées l'une à l'autre de façon continue sans zone de transition. /5 2. Pénétrateur en métal lourd selon la revendication 1, caractérisé en ce que les phases gamma du coeur yc et de la gaine yG ont une composition associant le tungstène, le nickel, le cobalt et éventuellement le fer. 3. Pénétrateur en métal lourd selon une des 20 revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le coeur (7) comprend 85% en masse de tungstène et la gaine (8) 38% en masse de tungstène, les phases gamma du coeur yc et de la gaine yG ayant des compositions associant Tungstène, Nickel et Cobalt. 25 4. Pénétrateur en métal lourd selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le coeur (7) comprend 89% en masse de tungstène et la gaine (8) 68% en masse de tungstène, les phases gamma du coeur yc et de la gaine yG ayant des composition associant Tungstène, Nickel et 30 Cobalt. 5. Pénétrateur en métal lourd selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'alliage du coeur (7) comprend 95% en masse de Tungstène, 2% en masse de Nickel, 1,5% en masse de Cobalt et 2% en masse de Fe et la 35 gaine (8) 70% en masse de tungstène, les phases gamma du coeur Yc et de la gaine yG ayant des compositions associant Tungstène, Nickel, Cobalt et Fer. 3039266 12 6. Procédé de fabrication d'un pénétrateur en métal lourd à haute teneur en tungstène selon une des revendications 1 à 5, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - fabrication d'un coeur (7) composé de poudres compactées comprenant de 85% à 97% en masse de tungstène associé à des métaux additionnels comprenant le nickel, le cobalt avec ou sans Fer, - fabrication d'une gaine (8) composée de poudres /0 compactées comprenant de 30% à 72% en masse de tungstène associé à des métaux additionnels comprenant le nickel, le cobalt avec ou sans Fer, - assemblage par frittage de la gaine (8) et du coeur (7).