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            裝甲鈦合金的研究與應用現狀

            發布日期:2020-11-17  瀏覽次數:314
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              鄭超,朱秀榮,王軍,辛海鷹,邵志文
              中國兵器科學研究院寧波分院
              摘要:綜述了國內外裝甲鈦合金的研究現狀,主要論述了抗彈性能及抗毀傷機理、附加裝甲結構單元技術、應用基礎研究等;介紹了抗彈性能考核評價及板材驗收規范,主要包括抗彈性能考核評價方法、抗彈性能指標體系建立、板材驗收標準制定情況等。通過對裝甲鈦合金應用現狀和發展趨勢的分析,加深人們對裝甲鈦合金材料和應用技術的理解,推動裝甲鈦合金材料的工程化應用。在進一步論述裝甲鈦合金應用現狀的基礎上,提出了未來裝甲鈦合金研究發展趨勢。
              關鍵詞:裝甲鈦合金;抗彈性能;抗毀傷機理;應用技術研究
              坦克裝甲車輛的基體裝甲材料應具有良好的抗彈性能、工藝性能和環境適應性能等。常見的金屬基體裝甲材料有裝甲鋼、裝甲鋁合金、裝甲鎂合金和裝甲鈦合金4種,其中裝甲鈦合金的綜合性能最優,能夠同時滿足抗彈性能、工藝性能和環境適應性能三方面的要求[1]。坦克裝甲車輛是最重要的陸基武器裝備之一,在各國作戰部隊中的裝備量較大,因此裝甲鈦合金的工程應用技術研究,特別是高性能低成本裝甲鈦合金頗受重視,是近30年來的研究熱點。本文主要論述三方面的內容:裝甲鈦合金的應用技術、抗彈性能考核評價及板材驗收規范化、裝甲鈦合金應用現狀及發展趨勢,以期為推動我國裝甲鈦合金的工程化應用提供參考。
              1裝甲鈦合金的應用研究
              1.1抗彈性能及抗毀傷機理研究
              與傳統的裝甲鋼、裝甲鋁合金等金屬裝甲材料相比,裝甲鈦合金不但具有較強的抗各種類型彈丸侵徹的能力,還具有抗彈丸多次打擊的能力。20世紀90年代,美國陸軍實驗室(ARL)[2-5]先后開展了不同口徑破片模擬彈(FSP)、普通穿甲彈(AP)、穿甲燃燒彈(API)、次口徑穿甲彈(APDS)、脫殼穩翼穿甲彈(APDSFS)和聚能裝藥破甲彈(HEAT)等對不同厚度Ti6Al4V合金板材的終點彈道侵徹實驗,得到了其極限擊穿速度。其中,長桿形穿甲彈侵徹鈦合金靶板的實驗表明,Ti6Al4V合金靶板的抗彈性能比均質裝甲鋼提高60%~80%。Ti6Al4V合金板材在典型穿甲彈丸侵徹條件下的損傷行為如圖1所示[6]。表1為美國陸軍實驗室、德克薩斯大學埃爾帕索分校(UTEP)、韓國浦項科技大學(PohangUST)、印度國防部冶金研究院(DMRL)、以色列拉斐爾公司(Israel’sRafael)等研究機構研制的裝甲鈦合金的抗彈性能。

            圖1不同穿甲彈丸侵徹條件下鈦合金靶板的宏觀損傷形貌(彈丸均自上而下侵入靶板)
            Fig.1Macro-damagefeaturesoftitaniumalloytargetunderdifferentpenetrationconditions(projectilefiredfromthetoptothebottom):(a)fragmentsimulationprojectile;(b)armorpiercingprojectile;(c)long-rodlikesimulationprojectile

              美國國防科技信息中心(DTIC)在2003年發布的報告中指出,鈦合金材料在裝甲防護領域的應用中常見的損傷破壞模式為絕熱剪切沖塞破壞和崩落破壞,如圖2所示[7]。為了更好的認識鈦合金靶板的宏微觀損傷破壞特征,揭示其抗彈機理,研究人員對鈦合金材料的宏微觀損傷行為和抗彈機理開展了大量的研究,目前主要集中在鈦合金靶板的絕熱剪切沖塞破壞行為的研究和其背部崩落破壞行為的研究兩方面。

            圖2在彈丸侵徹下鈦合金材料常見的損傷模式
            Fig.2Damagemodelsoftitaniumalloyimpacted:(a)plugging;(b)fragmentation;(c)combinationofpluggingandfragmentation
             
              在美國陸軍實驗室的支持下,德克薩斯大學埃爾帕索分校的Martinez等人[6,7]使用圓柱形4340鋼制侵徹體在633~1027m/s的速度范圍內對厚度為25mm的Ti6Al4V合金靶板進行了絕熱剪切沖塞實驗。研究表明,在彈丸侵徹靶板的過程中,靶板內平行和垂直于彈丸侵徹方向上會形成絕熱剪切帶,剪切帶內伴有微孔洞和微裂紋的成核長大;絕熱剪切帶和微裂紋的數量都隨著彈速的增加而增加。Murr等人[7]進一步的研究表明:隨著彈速的增加,靶板內絕熱剪切帶的寬度從10μm增大到了21μm,絕熱剪切帶內微裂紋長度所占絕熱剪切帶總長度的比例由8%增加到了87%。結合這些研究,Murr等人[7]指出:Ti6Al4V合金靶板以沖塞為特征的損傷破壞行為是由絕熱剪切局域化行為及其誘發的微裂紋貫通連接所主導的近似圓柱形的流變機制決定的。Wells等人[8]通過使用高能X射線(XCT)技術,原位觀察了金屬裝甲材料和陶瓷裝甲材料在穿甲彈侵徹條件下的響應行為。其中對于Ti6Al4V合金靶板(損傷形貌如圖3所示)損傷模式和耗能機制的研究也證實了前述學者的觀點。

            圖3高能X射線原位觀測得到的Ti6Al4V合金損傷形貌
            Fig.3DamagemorphologiesofTi6Al4ValloydetectedbyXCT


              近些年,我國在鈦及鈦合金材料的抗彈行為研究方面也取得了一些進展。北京理工大學沖擊環境材料技術重點實驗室Cheng等人[9-11]研究表明,在12.7mm穿甲燃燒彈丸的垂直侵徹條件下,微觀組織結構不同的Ti6Al4V合金靶板,表現出不同的失效模式;在底推105mm長桿形脫殼穩翼穿甲模擬彈丸的垂直侵徹下,Ti6Al4V合金靶板和彈丸相互作用并發生嚴重的互侵蝕效應。
              鈦及鈦合金材料在彈丸侵徹條件下,往往通過絕熱剪切局域化變形行為協調彈丸的擠鑿作用,并通過絕熱剪切帶及其帶內裂紋的擴展連接導致靶板被擊穿。在長桿形脫殼穩翼穿甲彈丸侵徹條件下,由于鈦合金靶板和彈丸之間較強的互侵蝕作用,靶板彈坑邊緣大量的絕熱剪切帶萌生擴展并進而在帶內微裂紋的擴展連接過程下發生破碎,因此使得彈丸侵入鈦合金靶板后能量被大量消耗。但在普通穿甲彈丸和穿甲燃燒彈丸等對鈦合金靶板的靶試試驗中,沒有發生這種互侵蝕作用。
              1.2附加裝甲結構單元研究
              附加裝甲用鈦合金材料抗彈行為的研究,主要涉及雙硬裝甲鈦合金材料、
              鈦基復合材料和鈦基復合裝甲結構單元的抗彈行為研究。
              在進行雙硬裝甲鈦合金材料的研究中,沿用了雙硬裝甲鋼的概念,通常選用高硬面板材料與中硬背板材料的復合方式,使其可以充分發揮面板高硬度對彈丸的破壞作用和背板高韌性對崩落破壞的減弱作用。Perkins等人[12]最早開展了雙硬裝甲鈦合金材料的研究,通過對面密度為25~50kg/m2的雙硬裝甲鈦合金材料抗彈行為的研究,發現當面板(硬度54~59HRC)和背板(硬度39~43HRC)的層厚比為3∶7時,雙層鈦基復合裝甲結構單元具有最優的抗侵徹性能和抗崩落性能。
              鈦基復合材料和鈦基復合裝甲結構單元通常采用粉末冶金法制備。Gu等人[13]較早開展了由粉末冶金方法制備的Ti6Al4V合金及其復合材料動態力學行為和抗彈行為的研究。研究表明,通過粉末冶金方法制備的Ti6Al4V合金經進一步的熱等靜壓后,其抗彈性能和美國軍標中裝甲鈦合金Class2的材料相近。Nesterenko等人[14]開展的基于Ti6Al4V合金板材的復合裝甲結構研究表明,鈦基復合裝甲結構單元在長桿形模擬穿甲彈丸的侵徹過程中發生嚴重的自侵蝕,并伴有彈丸侵徹路徑的偏轉。彈靶作用過程中長桿形彈丸這種響應特征使得鈦基復合裝甲結構單元表現出優異的抗彈性能。圖4為這種鈦基復合裝甲結構單元的基本結構和長桿形彈丸侵入靶板后損傷特征示意圖[14]。

            圖4鈦基復合裝甲結構單元的基本結構和其損傷特征示意圖
            Fig.4Basicstructureoftitaniummatrixcompositesinvestigated(a)andschematicallyillustrateddamagefeatures(b)
             
              在功能梯度鈦基復合材料的研究方面,Pettersson等人[15]研制出TiB2增強的功能梯度鈦基復合材料TiB2/Ti6Al4V,該復合材料迎彈面的陶瓷含量通常高達90%以上,使得其抵抗穿甲彈丸侵入靶板的能力增強。這是由于靶板界面產生駐留現象所致,如圖5所示

            圖5TiB2/Ti6Al4V鈦基復合材料靶板的界面駐留現象
            Fig.5“Dwell”observedinTiB2/Ti6Al4Vcompositestargetimpacted


              復合裝甲結構單元的具體研究內容歷來是世界各軍事強國裝甲防護技術的核心,保密級別很高。在鈦基復合裝甲結構單元的研究方面,能夠看到的有關報道表明,以鈦合金材料為基體封裝而成的陶瓷/金屬復合裝甲結構單元,在長桿形脫殼穩翼穿甲彈丸侵徹靶板時具有較高的抗侵入作用。
              1.3裝甲鈦合金的應用基礎研究
              裝甲鈦合金的應用基礎研究主要涉及裝甲鈦合金材料的基礎研究、抗彈性能的預測方法研究、彈靶作用過程的數值模擬研究和低成本鈦合金材料的結構優化設計等人[16-20]。
              隨著我國低成本鈦合金材料研究工作的開展,北京有色金屬研究院、寶鈦集團有限公司、西北有色金屬研究院和北京航空材料研究院等相繼研制成功了多種低成本鈦合金,其中有代表性的合金為TC4(Ti6Al4V)、Ti5322(Ti5Al3V1Cr1Fe)、Ti12LC(Ti4.5Al1.5Fe6.8Mo)、Ti83S(Ti8Al1Cr1Fe1Mo(O))等。表2為這些低成本鈦合金的力學性能。
              早期對于裝甲材料抗彈性能和靜動態力學性能間關系的研究認為,材料的硬度越高抗彈性能越好。后來,Dikshit等人[21]研究發現,靶板材料硬度提高到一定水平時其抗彈性能也較高;當靶板硬度超過一定數值時,靶板便會由于絕熱剪切帶的形成發生剪切沖塞破壞;若靶板硬度進一步提高至接近侵徹彈丸的硬度時,其抗彈性能會由于彈丸的變形甚至破碎而得到再一次的提高。Demir等人[22]研究了7075、5083鋁合金和AISI4140鋼的抗彈性能,結果表明,裝甲材料硬度的持續提高會導致其在彈丸侵徹條件下發生脆性斷裂。Burkins等人[23]使用5.56mm破片模擬彈及7.62mm穿甲燃燒彈侵徹純鈦、Ti6Al4V合金以及Ti10V2Fe3Al合金薄靶板,發現具有較低強度的純鈦、具有中等強度的Ti6Al4V合金以及具有較高強度的Ti10V2Fe3Al合金薄靶板的極限擊穿速度V50并沒有表現出較大的差異性。研究者認為,化學成分和力學性能差異并不能全面解釋這幾種鈦合金材料在抗彈性能方面表現出的特征。

              北京理工大學鄭超[24]、北京有色金屬研究總院王艷玲[25]等人也先后開展了鈦合金材料動態力學性能和抗彈性能之間關系的研究。研究表明,鈦合金材料在動態承載條件下的絕熱剪切局域化變形行為與其抗彈性能密切相關,并可以通過絕熱剪切敏感性和絕熱剪切帶的萌生擴展行為預估其抗彈性能。
              鈦合金的抗彈性能優化主要包括兩方面:一是優化合金元素,改進熱加工工藝、熱處理制度等;二是設計以鈦合金為基體的復合防護結構。這些方面的研究同鈦合金失效模式和耗能機制的研究一樣,目前也主要是針對Ti6Al4V合金展開的。Lee等人[26-30]通過調整熱處理制度獲得了一系列具有特定微觀組織特征的Ti6Al4V合金,并對這些Ti6Al4V合金開展了靜態及動態扭轉實驗;系統總結了微觀組織對Ti6Al4V合金靜態、動態扭轉性能的影響規律,并從微觀組織結構的層面分析了動態變形行為,尤其是絕熱剪切局域化變形行為;通過使用12.7mm穿甲燃燒彈侵徹等軸組織和雙態組織的Ti6Al4V合金靶板,進一步研究了微觀組織對Ti6Al4V合金抗彈性能的影響規律,同時以相對于均質裝甲鋼的質量防護系數Em為基準,評估了Ti6Al4V合金的抗彈性能。等軸組織和雙態組織Ti6Al4V合金靶板的質量防護系數分別約為1.23和1.44,抗彈性能均優于均質裝甲鋼,而且雙態組織的Ti6Al4V合金靶板較等軸組織的Ti6Al4V合金靶板擁有更好的抗彈性能。對于有α2(Ti3Al)顆粒增強的雙態組織Ti6Al4V合金,其抗彈性能并沒有因添加α2(Ti3Al)顆粒而顯著提高。
              2抗彈性能考核評價及板材驗收規范
              抗彈性能考核評價、指標體系建立和板材驗收規范化是檢驗和評定裝甲鈦合金材料的重要依據,也是其工程化應用的重要基礎。
              2.1考核評價體系及其數據庫的建立
              國外主要采用極限擊穿速度(V50)、安全角(θbl)、安全距離(Sbl)和防護系數(質量防護系數Em、空間防護系數Es、綜合防護系數E)等參數考核評價裝甲防護材料的抗彈性能,并形成了系列標準。各種方法根據面向的彈丸種類、靶板厚度等的不同各具優勢。
              極限擊穿速度(V50)是指在一定射擊距離(通常為100m)下裝甲防護材料被擊穿時穿甲彈丸的最小速度,定量反映裝甲防護材料在被穿甲彈丸沖擊時能夠吸收的最大能量。極限擊穿速度(V50)考核評價方法是美軍金屬裝甲材料抗彈性能考核評價的通用方法,依據的標準為MIL-STD-662F[31]。美軍采用該方法評定了全厚度尺寸裝甲鈦合金的抗彈性能,并形成了相應數據庫。俄羅斯沿用蘇聯抗彈性能考核評價方法,通常采用安全角和安全距離來評價裝甲防護材料的抗彈性能。我國在金屬裝甲防護材料抗彈性能的評定方面借鑒了蘇聯的考核評價方法,目前已經形成的抗彈性能考核評價標準有GJB59.17—1988《裝甲車輛試驗規程裝甲板抗炮彈性能試驗》、GJB59.18—1988《裝甲車輛試驗規程裝甲板抗槍彈性能試驗》和GJB5119—2002《裝甲材料防護系數測定方法》等[32-34]...
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