作为一种典型的镍基高温合金，Inconel 718（IN718）镍基高温合金在高温下表现出高强度、高耐磨以及耐腐蚀等优点，被广泛应用于制造燃气轮机、火箭发动机和涡轮叶片等结构部件^[1-3]。在发动机运行期间，由于螺栓脱落、外物飞入、鸟击等因素^[4]，可能会导致IN718合金结构部件受到严重的高速冲击损伤或破坏，进而危及飞机飞行安全。因此，研究IN718合金在高速冲击下的变形与破坏模式，确定其弹道性能，对其在工业方面的应用具有重要意义^[5-8]。

目前，学者们致力于IN718合金在不同类型载荷下的变形损伤研究，如准静态试验^[9-11]、循环载荷^[12-13]以及分离式霍普金森杆载荷^[14-16]等。然而，目前针对IN718合金弹道性能的研究较少，例如：Pereira等^[17]采用圆柱形Ti-6Al-4V弹丸，以150～300 m/s的速度对分别考虑退火和老化条件的平板材料进行冲击试验，在退火材料中发现了最佳的撞击行为，研究了热处理Inconel 718对弹道冲击响应和失效机制的影响。Erice等^[18]通过改变温度参量，对Inconel 718合金板进行了弹道冲击试验和数值模拟，提出了与Lode角相关失效准则的耦合弹塑性损伤本构模型。Liu等^[19]和刘焦等^[20]在25～600 °C的温度范围内，对GH4169合金薄板开展了初始速度在110～187 m/s的弹道冲击试验和数值模拟，研究了温度和初始速度对靶板的变形、破坏模式和能量吸收的影响。Rodríguez-Millán等^[21]从弹道冲击试验和数值模拟两方面分析了弹丸几何形状对Inconel 718钢板弹道性能的影响，确定了不同弹丸几何形状在高达200 m/s速度下的弹道极限、失效机制和板吸收的能量。吴轲^[22]在70～200 m/s的入射速度范围内，采用弹片对GH4169高温合金靶板进行了一系列的弹靶试验，通过高速摄影观察了靶板在不同加筋结构和不同冲击速度下的冲击过程，进而分析了靶板的宏观破坏形式和损伤机理。谭学明等^[23]采用GCr15弹丸对不同厚度的GH4169靶板进行了一系列弹道冲击试验，入射速度范围为96.7～314.2 m/s，分析了冲击载荷作用下靶板的变形、破坏模式和失效机理等。综上可知，目前对IN718合金靶板已经进行了一些弹道冲击试验和数值模拟方面的研究，但研究成果主要集中于对高温或低速冲击作用下的研究，对高速冲击方面的研究报道较少。然而，航空发动机在工作过程中，涡轮发动机转子（叶片等）处于高速运转状态^[23]，因此，有必要研究IN718合金在高速冲击荷载作用下的变形、破坏模式和失效机理，进而开展相应的弹道冲击试验研究。

为获得IN718合金靶板在球形弹丸高速冲击下的变形、破坏模式和失效机理，本文中，拟采用二级轻气炮和2 mm厚的IN718合金靶板进行一系列弹道冲击试验，研究304不锈钢球形弹丸对IN718合金的弹道侵彻，入射速度范围为548.2～1 067.0 m/s，获得其随冲击速度变化的动态响应特性，以期为航空航天领域中发动机关键部件的理论设计提供支撑。

1.   弹道冲击试验

1.1   试件设计

金属靶板和球形弹丸的主要几何尺寸如图1所示。弹体选用球形弹丸，材料为304不锈钢，直径D=5 mm，弹丸质量为0.51 g，几何参数如图1(a)所示。靶体为IN718镍基高温合金薄板，试验中设计为正方形，尺寸为50 mm×50 mm，厚度为2 mm，几何参数如图1(b)所示。

图  1  球形弹丸和IN718合金靶板

Figure  1.  Spherical projectile and IN718 alloy plate

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1.2   试验装置

在膛径为20 mm的二级轻气炮上进行了一系列弹道冲击试验，试验装置如图2所示。本试验采用脱壳弹分离方法，发射直径为5 mm的304不锈钢球形弹丸^[24]，聚碳酸酯弹托由2个带齿的半片组成，为球形弹丸提供支撑。当向电磁阀发送点火信号时，第1级中的活塞在高压气体（He或N₂）作用下进行加速，当第1级和第2级之间的隔膜破裂时，聚碳酸酯弹托和弹丸组件在第2级气枪枪管中继续加速。射出枪口时，用光束阻挡系统测量弹丸速度，该系统还向光源和高速摄像机发送触发信号。离开枪管后，由于空气动力学原因，弹托和弹丸在随后的飞行过程中自动分离^[25]（图2插图）。弹托被钢块阻挡，球形弹丸撞击IN718合金样本。撞击过程中的阴影由转向镜传递到以160 000 s⁻¹帧率运行的高速摄像机中。通过高速摄像机拍摄的弹丸快照计算得出弹丸的初始速度v_i在548.2～1 067.0 m/s范围内。

图  2  二级轻气炮试验示意图

Figure  2.  Schematic diagram setup for perforation experiment with two-stage light gas gun

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2.   试验结果与讨论

2.1   侵彻过程

采用304不锈钢球形弹丸对IN718合金靶板进行了7发弹道冲击试验，依据高速摄像机获取的侵彻过程的图像资料，计算出弹体的初始速度和弹体穿透靶板后的剩余速度v_r、弹体穿透靶板前后的速度差v_d等，计算结果如表1所示。表中：E_i为弹体初始撞击动能，E_r为弹体穿透靶板后的剩余动能，E_d为弹体穿透靶板前后的动能改变量。

表  1  IN718合金靶板的弹道冲击试验结果

Table  1.  Test results of the IN718 alloy plates impacted by spherical projectiles

试验	vi/(m·s−1)	vr/(m·s−1)	vd/(m·s−1)	Ei/J	Er/J	Ed/J
1	548.2	0	548.2	76.63	0	76.63
2	573.8	185.0	388.8	83.96	8.73	75.23
3	620.9	251.0	369.9	98.31	16.07	82.24
4	748.0	347.0	401.0	142.67	30.70	111.97
5	787.0	396.0	391.0	157.94	39.99	117.95
6	935.0	513.5	421.5	222.93	67.24	155.69
7	1 067.0	589.0	477.9	290.26	88.46	201.80

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304不锈钢球形弹丸分别以3种代表性初始速度（548.2、748.0和1 067.0 m/s）撞击IN718合金靶板，侵彻过程如图3（伪彩色）所示。本文中将球形弹丸首次接触目标表面的瞬间定义为时间零点（t=0 μs）。在低速（548.2 m/s）状态下，弹丸撞击目标靶板后，靶板首先产生局部变形，然后形成凸起，弹丸深入靶板，并被困在弹坑内，冲塞脱落，没有观察到碎片，如图3(a)所示。在高速（748.0和1 067.0 m/s）状态下，一旦弹丸到达目标，弹丸侵彻靶板，伴随大量闪光，可以在撞击表面观察到碎片。随着弹丸初始速度v_i的升高，可以观察到伴随的闪光增大，射流携带的碎片颗粒的数量随着初始速度的升高而显著增加，碎片尺寸随着初始速度的升高而不断减小。如图3(b)~(c)所示。

图  3  不同冲击速度下球形弹丸对IN718合金的弹道冲击快照（伪彩色）

Figure  3.  Snapshots (in pseudo color) of ballistic impact by a spherical projectile on an IN718 nickel-base superalloy target at different impact velocities

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2.2   弹道极限速度

使用改进的Recht-Ipson（R-I）模型^[26]来预测刚性球形弹丸的剩余速度。基于能量和动量守恒，并结合试验修正得到R-I模型的表达式：

式中：${v}_{\mathrm{b}\mathrm{l}}$为弹道极限速度，为试验中最大未穿透速度与最小穿透速度的平均值^[27]；$a$、$p$为拟合参数。利用最小二乘法得到$a$和$p$，拟合结果如图4中红色实线所示，拟合参数如表2所示。

图  4  弹体贯穿靶体的初始-剩余速度

Figure  4.  Initial versus residual velocities for the targets impacted by spherical projectiles

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表  2  弹道极限速度及R-I模型参数

Table  2.  Ballistic limit velocity and the R-I model parameters

弹体材料	vbl/(m·s−1)	a	p
304不锈钢	561.0	0.63	2.58

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为了更好地研究球形弹丸的弹道极限，将弹丸的残余动能与初始动能之比定义为能量吸收效率（E_a），靶板的能量吸收效率为：

式中：m_p为弹丸的质量。

图5给出了靶板的能量吸收效率与不同冲击速度下弹丸初始动能之间的关系。从图5可以看出，靶板的能量吸收效率随着弹丸初始动能的增加而降低，且降低速率逐渐减小，并趋于平缓。当冲击速度在548.2～574.0 m/s范围内时，能量吸收效率下降最快；当冲击速度升高至574.0～935.0 m/s时，靶板的能量吸收效率逐渐降低；当冲击速度继续升高至1 067.0 m/s时，靶板的能量吸收效率下降不明显。因此，在一定的冲击速度范围内，靶板的能量吸收效率变化明显，靶板能量吸收效率的最大值出现在弹道极限速度附近。随着冲击速度继续升高，靶板能量吸收效率趋于常值0.7。能量吸收效率的变化情况与文献[28]中球形弹丸冲击6061-T651铝合金试验中靶板能量吸收效率与初始动能的变化规律相似。

图  5  靶板能量吸收效率与弹丸初始动能的关系

Figure  5.  Relationship between the energy absorption efficiency of the plate and the initial kinetic energy of the projectile

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2.3   靶板变形挠度分析

图6给出了IN718合金靶板在不同冲击速度下的最大变形挠度，最大变形挠度使用高度尺测量冲击后的靶板获得。由图6可知，靶板所产生的最大变形挠度为5.26 mm，此时冲击速度为548.2 m/s，IN718合金靶板变形挠度的最大值出现在弹道极限速度附近，与文献[29-30]中的结论相同。弹丸击穿靶板，且弹丸冲击速度低于787.0 m/s时，靶板的最大变形挠度随冲击速度的升高近似呈线性下降趋势，与文献[22]中曲线的走势大致相同。当冲击速度高于935.0 m/s时，靶板最大变形挠度随着冲击速度的升高反而出现了上升现象，分析可能是由于高速冲击作用下弹丸发生了旋转和变形。

图  6  试验中靶板最大变形挠度随冲击速度的变化曲线

Figure  6.  The maximum deflection of the targets impacted at different impact velocities in the test

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2.4   靶板破坏模式分析

试验工况1、2和7的冲击速度分别为低于、略高于和远高于弹道极限，靶板变形如图7所示。从图7可以看出，当初始速度v_i=548.2 m/s，即低于弹道极限（v_i<v_bl）时，弹丸未能击穿靶板，靶板经历弯曲和背部隆起，球形弹丸嵌入靶板之中，靶板背面冲塞脱落。靶板的主要失效模式为局部盘隆起，弹丸撞击产生的应力超过了材料的抗剪强度，从而形成挤凿破坏的脆性失效（见图7(a)）。当初始速度v_i=574.0 m/s，即略高于弹道极限（v_i>v_bl）时，弹丸击穿靶板，弹靶作用时间缩短，靶板在经历背部隆起和碟形变形后，在弹孔周围可以观察到花瓣状的孔缘，靶板的整体弯曲变形程度和范围逐渐减小，弹体从靶板上剪下的失效块成块状。靶板失效模式为局部盘隆起，产生碟形变形，最后发生脆性靶板的背面花瓣形破坏（见图7(b)）。当冲击速度继续升高，初始速度v_i=1 067.0 m/s，即远高于弹道极限（v_i$\gg$v_bl）时，弹丸击穿靶板，弹靶作用时间进一步缩短，靶板变形扩展速度高于塑性波速，靶板不会出现典型的碟形变形，局部出现一定的弯曲变形，但变形并不明显，弹体从靶板上剪下的失效块成粉末状。靶板的失效模式为局部盘轻微隆起，弹体穿透后发生韧性靶板的孔口扩展型破坏（见图7(c)）。因此，靶板的变形和破坏模式与其初始冲击速度密切相关。靶板在高速冲击过程下的主要破坏模式发生了由脆性靶板破坏到韧性靶板破坏的转变，且随着冲击速度的升高，弹靶作用时间缩短（见图3），背部隆起时间也随之缩短，靶板的整体弯曲变形程度和范围逐渐减小，失效块尺寸也随之不断减小。由于球形弹丸初始冲击速度的不同，弹丸与靶板之间形成的作用力大小和作用时间也存在一定的差异，因而产生了不同的穿甲破坏模式。

图  7  不同冲击速度下靶板的变形与破坏模式

Figure  7.  Deformation and failure modes of the targets impacted at different impact velocities

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图8给出了弹孔直径D_h与弹体初始冲击速度的关系。为了更好地描述靶板在球形弹丸高速冲击后变形区域的破坏情况，定量分析了靶板弹孔直径D_h与冲击速度之间的关系。通过测量弹孔正面和背面各个方向过圆心的距离，取其平均值作为正面和背面弹孔直径。由图8可知，在冲击速度范围内，靶板正面弹孔直径随着冲击速度的升高近似呈线性增长，且均大于弹丸直径（5 mm）。靶板背面弹孔直径随着冲击速度的升高而增大，但增大速率在不断减小，与文献[22]中2 mm靶板的发展趋势一致。在穿孔情况下（v_i≥v_bl），由于弹丸变形，靶板正面和背面所形成的弹孔直径均随初始速度的升高而增大，且背面形成的弹孔直径大于正面的弹孔直径，分析是由于拉伸失效主要发生在靶板背面所致。

图  8  靶板弹孔直径随初始速度的变化曲线

Figure  8.  Bullet hole diameter in the targetsimpacted at different impact velocities

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3.   结　论

在二级轻气炮上开展了直径为5 mm的304不锈钢球形弹丸冲击IN718合金靶板的弹道试验，冲击速度在548.2～1 067.0 m/s之间，得到以下主要结论。

(1) 靶板在高速冲击过程下的主要破坏模式由脆性破坏转变到韧性破坏，耗能机制随之改变。随着冲击速度的升高，弹靶作用时间随之缩短，背部隆起和弯曲变形逐渐减小，其变形更加局部化，虽然局部出现一定的弯曲变形，但变形并不明显，且失效块尺寸随之不断减小。因此，靶板的变形和破坏模式与弹丸的初始冲击速度密切相关。

(2) 靶板的能量吸收效率随着弹丸初始动能的增加而降低，且降低速率逐渐减小，靶板能量吸收效率的最大值出现在弹道极限速度附近，靶板能量吸收效率趋于常值0.7。

(3) 在冲击速度范围内，弹丸击穿靶板后，靶板的最大变形挠度随冲击速度的升高整体呈下降趋势。靶板正面和背面形成的弹孔直径均随着初始速度的升高而增大，且背面形成的弹孔直径大于正面的弹孔直径。