탄탈륨 라이너의 폭발성형관통자 형성 시 형상 및 조직 변화 연구
Study of Shape and Microstructure Changes of Ta Linear for Building an Explosively Formed Penetrator
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Trans Abstract
An explosively formed penetrator (EFP) is a kind of kinetic energy warhead that contains a metal linear structure. After exploding, the linear structure in the EFP is deformed and hits the target as a form of aero-stable long-rod penetrator. To achieve high penetration performance, Ta is commonly used as the linear material due to its high density and formability. In this study, we investigated changes in the shape and microstructure of the Ta linear after explosion, especially for two cases; flying just before impact, and after impact. The computational simulation revealed that the disc shaped linear structure was elongated in the flying direction after the explosion, which was consistent with the results of the experiment. As the microstructure of the Ta linear could be changed during flight and after penetrating the target, samples of each stage were prepared. Microstructure analysis showed that severe deformation and dynamic recrystallization occurred repeatedly during flight after explosion, which seemed due to the increased temperature that results from the friction between the linear and air. After penetrating the target, the shape of the Ta linear was severely changed and grain size was drastically increased. At the moment when the EFP hit the target, the sharp increase in temperature would exert a critical impact on grain growth.
1. 서 론
폭발성형관통탄(Explosively Formed Penetrator, EFP)은 화약에너지를 이용하는 성형작약탄과 유사한 방식으로 별도의 발사장치 없이 원거리에서 목표를 타격 및 관통할 수 있는 운동에너지 계열의 무기체계이다 [1]. 일반적으로 성형작약탄이 금속의 라이너를 가늘고 길게 뽑아내어 송곳과 같이 타격 대상물을 침투하는 방식인 반면, 폭발성형관통탄은 화약의 기폭에너지로 금속 라이너를 일정 중량의 탄자 형태 관통자로 변형시킨 후 운동에너지를 갖고 원거리의 목표물을 효과적으로 관통시키는 방식이다. EFP는 기존의 운동에너지 탄두 대비 크기가 작고 단순한 구조를 갖는 등 전장에서 사용하기에 다양한 장점이 있다. 최근 외부 공격으로부터 방어를 위해 전차의 장갑이 점차 강화됨에 따라 단순 폭발을 이용한 무기가 아닌 전차를 완전히 관통 가능한 EFP가 핵심 무기로 연구되고 있다.
EFP는 탄체에 고폭화약을 충진시키고 전면에 디스크 형상의 라이너를 덮어놓은 구조를 띄고 있으며, 폭약 폭발 시 라이너가 폭발 방향으로 비행하게 되고 비행 중 관통에 유리한 관통자 형상으로 변형된다 [2]. 이때 라이너는 2,000~2,500 m/s의 속도로 비행하게 되며 최종적으로 목표물을 타격하여 관통하게 된다. 라이너의 관통력은 목표물에 닿기 직전의 형상에 영향을 크게 받으며 라이너가 비행 방향으로 길게 늘어난 형상으로 변형될수록 관통력이 증가된다 [3]. 따라서, 디스크 모양의 라이너가 화살모양으로 안정적으로 변형되도록 하는 라이너의 설계와 라이너의 물성 제어가 핵심 기술이다 [4,5].
EFP 라이너용 소재는 강도와 연신률이 동시에 우수한 금속이 사용되며 밀도가 높은 탄탈륨 사용 시 전체적인 운동에너지가 증가되기 때문에 구리, 알루미늄, 철 등의 금속 라이너보다 더 우수한 침투력을 갖을 수 있다 [6,7]. 탄탈륨 등 금속 소재의 변형 거동은 미세조직에 크게 영향을 받기 때문에, EFP의 성능 향상을 위해 탄탈륨 라이너의 미세조직을 제어하는 연구가 진행되었다 [8,9]. 이에 따라 탄탈륨 라이너의 균일한 변형을 위해 결정립 크기 등의 미세조직을 균질화하는 연구가 진행되었다 [10]. 라이너 내부에 국부적으로 결정립 크기의 편차가 발생하거나 재결정이 되지 않은 부분이 존재하면 일부 영역에 응력이 집중되어 관통자로 변형 중 온전한 형상이 아닌 불균일한 형상으로 변형되다가 분리되는 현상이 발생된다. 따라서, 일정 압하율로 냉간 압연 후 재결정 열처리를 통해 전체적으로 입자크기를 균질화하는 연구를 추진하였다.
또한, 탄탈륨의 집합조직을 제어하기 위한 연구도 진행되었다. 체심입방구조의 금속소재의 경우 {111}//ND 집합조직의 분율이 높아질수록 r-value가 증가되어 딥드로윙 등의 가공에서 소재가 파괴되지 않고 안정적으로 변형될 수 있다 [11]. 탄탈륨 라이너가 비행 중에 발생되는 변형도 비행방향으로 길게 늘어나는 변형으로 r-value가 높아지면 안정적으로 변형되기 때문에 {111}//ND 집합조직의 분율을 향상시키는 연구가 진행되었다 [10].
이처럼 EFP의 성능 향상을 위해 탄탈륨 라이너의 미세조직을 제어하는 연구는 많이 수행되었지만, 탄탈륨 라이너가 비행 시 순간순간 실제 변형된 형상과 내부의 미세조직을 분석한 연구는 이루어지지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 EFP 폭발 후 비행 과정 및 타겟 타격 직후의 탄탈륨 라이너 시료를 회수하였으며, 시간에 따른 형상 및 미세조직 변화에 대해 분석하였다. 또한, EFP 폭발 시뮬레이션을 통해 시간에 따른 라이너 형상 변화를 분석하였으며 해당 결과를 실제 변화된 라이너의 형상과 비교하였다.
2. 실험방법
2.1 라이너 제조
탄탈륨 라이너는 소결된 탄탈륨 판재로부터 제조하였으며 초기 시료의 두께는 30 mm인 소재를 사용하였다. 미세조직 균질화를 위해 냉간압연과 재결정 열처리를 실시하였으며, 냉간압연은 70% 이상 수행하여 압연판재를 제조하였다. 라이너 형상으로 제조하기 위해 압연판재를 원형 디스크로 절단 후 냉간 프레스를 통해 최종 형상으로 성형하였다. 재결정 열처리는 프레스 성형 후 수행하였으며, 고진공 분위기 형성 후 고순도 아르곤으로 치환하여 일정 온도와 시간 동안 열처리를 수행하였다.
2.2 EFP 제조 및 관통시험
실험을 위해 제조된 탄탈륨 라이너가 장착된 EFP 탄두를 제작하였으며 고폭화약으로는 용융화약을 사용하였다. 시간에 따른 관통자 변화를 관측하기 위해 비행하는 관통자 및 타겟을 타격한 관통자를 회수하여 분석하였다. 비행중인 관통자 회수는 그림 1과 같이 기폭 후 폭발성형관통자가 완전하게 형성되는 일정거리 이후에 회수시험장치를 설치하였으며, 저밀도의 매질에서 고밀도의 매질을 적층하여 관통자의 탄속을 점진적으로 저감시키는 시험기법을 사용하여 회수하였다. 그리고 타겟을 타격한 관통자 회수는 그림 2와 같이 시험장 50 m 거리에 관통시편을 설치하고 시험하여 타겟에 관통하다 남겨진 관통자를 관통시편 절개를 통해 회수하였다.
Photograph of the testing facility of EFP.
Internal structure of the EFP testing facility.
2.3 시뮬레이션
EFP의 수치해석을 위해 접촉과 충격파 전달 뿐만 아니라 재료의 비선형거동까지 모두 고려하기 위해 Explicit time integration을 적용한 Hydrodynamic code인 AUTODYN V18.0 프로그램을 사용하였다. EFP 폭발 후 실제 라이너의 형상 변화에 근접한 결과를 도출하기 위해 시뮬레이션은 EFP 실제 구조와 크기를 기반으로 수행하였다. 탄체와 신관, 라이너의 등의 구성품 전체를 Quad 4(Axial symmetry)로 격자를 구성하였으며, 경계조건은 각 부품 간 Interaction을 위해 Fully coupled를 적용하였다. 폭약의 압력전파를 확인하기 위해 Euler domain을 만들어 라이너의 성형을 유도하였다. 폭약은 용융화약을 사용하고 상태방정식(Equation of State)은 1차원 정상 압력 폭발파를 모사하는 JWL(Jones-Wilkins-Lee)모델을 사용하였다.
2.4 미세조직 분석
미세조직 분석을 위해 회수된 시료들을 비행 방향의 수평으로 절단 후 수직방향에서 조직을 관측하였다. 미세조직 분석을 위해 마운팅(mounting)된 시료를 SiC 사포를 이용하여 연마 후 3 μm 다이아몬드 연마액을 이용하여 연마하였으며, 최종적으로 OP-S 콜로이달 실리카 용액을 이용하여 표면처리를 완료하였다. 미세조직과 집합조직은 전자현미경(FEI, QUANTA FEG 250)에 장착된 전자후방산란회절(EBSD) (EDAX, Digiview)을 이용하여 분석하였다. EBSD 분석은 800 μm × 800 μm 면적을 실시하였으며, scan step size는 2 μm로 수행하였다. EBSD 데이터는 TSL 프로그램을 이용하여 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
그림 3(a)는 본 연구에서 제작한 탄탈륨 라이너 사진이며, 그림 3(b)는 탄탈륨 라이너의 미세조직을 분석한 결과이다. 그림 3(b)에 나타낸 미세조직은 냉간압연 후 재결정 열처리가 완료된 시료의 미세조직이며, 평균 결정립 크기가 12.3 μm인 등방 형상의 입자로 이루어져 있는 것 확인할 수 있다. 기존의 압연된 탄탈륨 판재의 재결정 거동관 관련된 선행 연구들을 살펴보면, 냉간압연된 탄탈륨 판재의 경우 압연 방향으로 연신된 조직이 형성되며 재결정 완료 후 등방의 미세조직이 형성됨을 보고하고 있다 [11,12]. 따라서, 본 실험에 사용된 초기 시료의 경우 재결정이 완료된 상태라고 판단된다.
(a) Photographs of the Ta linear used in this study. (b) Microstructure, (c) texture, and (d) grain boundary distribution of the initial state of Ta linear.
그림 3(c)와 3(d)는 초기시료의 집합조직과 입계의 misorientation angle 분포를 나타낸 결과이다. 집합조직의 경우 체심입방격자 구조 금속에 발달되는 주요 방위의 정보가 표시되는 φ2 각도 45°의 방위분포함수를 이용하여 분석하였으며, 성형성에 유리한 {111}//ND 집합조직이 강하게 발달되어 있는 것을 확인하였다. Misorientation angle 분포 분석 결과를 보면 15° 이하의 저경각입계의 분율이 약 0.27로 일반적인 재결정 조직의 저경각입계 분율 보다는 약간 높았으며, {111}//ND 집합조직이 강하게 발달함에 따라 유사한 방위의 결정립들이 형성되면서 분율이 증가한 것으로 판단된다.
EFP 라이너는 발사 후 관통에 용이한 길쭉한 형상으로 성형되면서 날아가기 때문에 적절한 강도와 더불어 높은 연신률과 성형성이 요구된다. 따라서, 라이너는 변형에 의한 응력이 완벽히 해소된 재결정 조직으로 제어되어야 하며, 변형 과정 중 국부적인 영역에 응력이 집중되어 파괴되는 것을 방지하기 위해 균일한 미세조직으로의 제어가 필요하다.
탄탈륨의 경우 압하율 70% 이상 압연 후 재결정 열처리를 하여도 조직이 국부적으로 불균일해지는 경우가 있다 [9]. 탄탈륨의 압연 시 압연 집합조직이 강하게 발달하며, 각각의 변형된 결정립들은 방위에 따라 변형 에너지가 축적되는 정도가 다르다. 따라서 특정 방위들은 압연 후 축적되는 변형 에너지가 작기 때문에 열처리 시 재결정이 아닌 회복이 일어나 연신된 조직이 그대로 남아있고 다른 영역은 재결정된 등방 조직이 존재하는 이중 구조의 미세조직이 형성되기도 한다. 그림 3(b)의 초기 라이너의 미세조직 결과를 보면 재결정이 완료된 균일한 조직이 형성되었기 때문에 발사 후 안정적으로 변형될 것으로 예상되었다.
EFP 발사 후 탈탄륨 라이너의 변형 거동을 분석하기 위해 수치해석을 이용한 시뮬레이션을 실시하였고 그 결과를 그림 4에 나타내었다. 발사 후 라이너의 변형 과정을 정확하게 분석하기 위해 라이너의 위치별로 색을 다르게 하여 표시하였다. 왼쪽 그림은 기폭 전의 EFP이며 오른쪽으로 갈수록 발사 후 시간에 따른 형상 변화를 나타낸 결과이다. 가장 오른쪽 그림의 경우 라이너가 타겟에 관통하여 박힌 형상을 보여주는 결과이다.
Shape change of the Ta linear after launching the EFP. The simulation was performed using AUTODYN V18.0 program.
시뮬레이션 결과에서 나타난 것처럼 기폭 후 라이너의 경계면에 인장파가 전달되면서 중앙부에서 팽창을 일으켰으며, 시간이 지남에 따라 라이너의 테두리 부분이 뒤로 밀려나면서 길게 연신되어 변형되는 것을 확인할 수 있었다. 라이너는 최종적으로 길쭉한 형상으로 변형되었으며, 타겟 타격 후 목표물을 관통하면서 라이너가 벽면에 밀착되고 내부가 빈 형상으로 변형되었다. 시뮬레이션 결과를 보면 기폭전 라이너의 중심부는 비행 과정 중 가장 앞부분이 되도록 변형되었으며, 목표물 타격 시 가장 먼저 관통을 시작하여 뒤로 밀려나게 되었다. 따라서, 목표물에 박혀 있는 라이너를 보면 기폭전 라이너의 중심부가 가장 뒤로 밀려나있고 테두리 부분이 가장 늦게 목표물에 도달하면서 가장 앞에 위치하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
그림 5는 EFP 폭발 후 시간에 따라 회수한 실제 탄탈륨 라이너의 사진을 나타낸 것이다. 왼쪽부터 기폭 후 초기 변형 상태, 비행 중 길게 변형된 상태, 타겟에 관통하다 박힌 상태의 라이너 형상이다. 그림에 표시한 빨강색 원 (a)는 기폭전 라이너의 중심 부분의 위치를 나타내며, 파랑색 원 (b)는 라이너의 테두리 부분의 위치를 나타낸다. 실제 라이너가 변형되는 형상이 시뮬레이션 결과와 매우 유사하였다. 폭발 후 라이너의 중심부가 비행 방향으로 튀어나왔으며, 비행 과정 중 라이너가 길게 연신된 형상으로 변형되는 것을 확인하였다. 라이너가 타겟 타격 후 목표물에 박힌 형상을 보게 되면 내부가 비어있고 관통되는 면을 따라 늘어난 것을 볼 수 있다. 라이너 관통 시 빠른 속도와 함께 큰 마찰열이 발생되어 탄탈륨이 녹는점 가까이 도달하면서 형상이 크게 변화되는 것으로 판단된다.
Real shape change of Ta linear after launching the EFP. The center and outer region in the initial Ta disc is indicated (a) and (b), respectively.
그림 6(a)와 (b)는 폭발 직후 라이너 시료에서 중심과 테두리 부분의 미세조직과 집합조직을 분석한 결과이다. 그림에 나타낸 미세조직에서 좌우 방향이 라이너가 비행하는 방향이며 해당 방향을 그림에 표시하였다. 집합조직 분석의 경우 inverse pole figure를 이용하여 분석을 실시하였다. 폭발 전 초기 디스크 형태의 탄탈륨 라이너의 ND방향이 폭발 후 라이너가 비행하는 방향과 동일하기 때문에, 비행하는 방향을 ND면으로 기준으로 설정하여 결정립 방위를 분석하였다. 초기 변형 시에는 전체 변형량이 작기 때문에 미세조직을 보면 중심과 테두리 부분 모두 변형조직 없이 등축정 조직으로 나타났으며 전체적인 집합조직의 강도는 약하게 나타났다. 두 부분의 결정립 크기는 각각 35.7과 39.6 μm 였다.
Microstructure and texture of (a) center and (b) outer region of the Ta linear immediately after launching the EFP.
그림 7(a)와 (b)는 비행 과정 중 길게 연신된 라이너 시료에서 앞부분과 뒷부분의 미세조직과 집합조직을 분석한 결과이다. 그림 4의 시뮬레이션 결과를 보면 길게 연신된 라이너의 앞부분의 경우 폭발 전 디스크의 중심부분이었으며, 뒷부분은 디스크의 외각 부분이었던 것을 알 수 있다. 앞부분은 등축정 조직으로 형성되어 있었으며, 뒷부분은 비행 방향으로 연신된 변형조직이 형성되어 있었다. 앞부분의 경우 초기의 집합조직과는 다르게 {110}//ND 방위의 결정립들이 증가하였으며, 결정립 크기는 27.2 μm로 그림 6(a)의 초기 조직의 결정립 크기인 35.7 μm 보다 작아졌다. 그림 6(a)와 7(a)는 폭발 전 라이너 기준으로 동일하게 중심이었지만 그림 7(a)을 보면 집합조직이 크게 변화되고 결정립 크기가 작아진 것을 알 수 있다. 이러한 원인으로는 비행 중 변형과 더불어 공기와의 마찰에 의한 온도 상승으로 인해 동적 재결정이 일어난 것으로 판단된다.
Microstructure and texture of (a) front and (b) rear region of the Ta linear after deforming rod-like shape.
그림 7(b)의 미세조직의 경우 동적 재결정이 일어나지 않고 변형조직이 유지되고 있었다. 이러한 미세조직의 차이는 비행 과정 중 앞부분이 직접적인 공기와의 마찰에 의해 뒷부분 보다 온도가 크게 상승하고 동적 재결정이 가능한 온도 이상으로 올라가면서 미세조직의 차이가 발생된 것이라고 판단된다.
그림 8은 타격 후 타겟에 박혀있는 라이너 시료의 미세조직으로, 그림 8(a)와 8(b)은 그림 5에서의 (a)영역과 (b)영역의 미세조직을 분석한 결과이다. 그림 4의 시뮬레이션 결과를 미루어 보아 타겟 타격 후 가장 뒷부분인 (a)는 라이너 비행 시 앞부분이었으며, 앞부분인 (b)는 라이너 비행 시 뒷부분이었을 것으로 예상된다. 그럼 8(a)의 결정립 크기는 40.6 μm로 그림 7(a)의 결정립 크기와 비교하여 미세하게 증가하였으며, 집합조직의 경우 {110}//ND 집합조직의 강도가 급격히 약해지고 {113}//ND 집합조직의 강도가 증가하였다. 이렇게 집합조직이 크게 변화되는 것은 단순한 변형이 아닌 동적 재결정에 의한 집합조직의 변화일 가능성이 높다. 따라서, 관통 과정에서 벽면과의 마찰에 의해 변형과 동시에 열이 심하게 발생하면서 동적 재결정이 발생된 것으로 판단된다.
Microstructure and texture of (a) rear and (b) front region of the Ta linear after penetrating the target.
그림 8(b)를 보면 결정립 크기가 150.6 μm로 다른 조직들에 비해 크게 성장하였다. 관통 시 라이너의 테두리 부분은 관통이 거의 완료되는 순간에 벽면에 부딪히기 때문에 상대적으로 적은 변형을 일으키게 된다. 따라서, 전체적인 변형량은 작지만 먼저 관통을 시작한 부분에서 발생되는 고열에 의해 결정립이 크게 성장한 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구를 통해 EFP 발사 시 탄탈륨 라이너의 실제 변형 형상을 관측할 수 있었으며, 시뮬레이션 결과와 비교를 통해 관통되는 과정에서 라이너의 형상 변화를 정밀히 분석할 수 있었다. 라이너가 관통되는 과정에서 기폭전 라이너의 중심부분이 먼저 맞닿으면서 뒤로 밀려나게 되며, 비행 과정 중 뒷부분인 라이너 테두리가 최종적으로 관통 벽에 맞닿으면서 가장 앞쪽에 위치하게 된다. 또한, 라이너의 변형 및 관통 과정에서의 미세조직과 집합조직을 분석을 통해, 라이너가 늘어나면서 변형조직이 형성되고 공기와 타겟 벽면과의 마찰에 의한 열이 발생하면서 동적 재결정이 일어나는 현상을 확인하였다.