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鈦及鈦合金在裝甲車上的應用

來源:鈦棒,鈦板,鈦管,鈦絲,鈦合金,鈦設備 發布時間:2012-9-13 14:15:21

四年前美國曾報道了美國軍用車輛及戰車中用低成本鈦代替均質裝甲鋼(RHA)的情況。時隔四年的今天,已用Ti-6Al-4V鈦合金制作了M2戰車的指揮艙及頂部防護裝甲、M1A2主戰坦克上的兩個部件及XM777 155mm超輕型便攜式榴彈炮的架尾和反沖氣缸。而且美國一直把研究重點放在未來的戰車系統上,最近則集中在對可以滿足預期沖擊破壞性能的新型裝甲材料的研究上。
  過去的四年里,人們對鈦裝甲的研究頗多,主要目的有2個,一是擴大鈦裝甲在遭受破壞威脅時的防彈性能數據;另一個則是進一步降低成本。人們一直在努力通過各種工藝來降低成本。如利用單一電子束冷爐床技術生產鈦合金,研究各種低成本的形變熱處理工藝,與此同時,還對戰車用厚裝甲的焊接和焊接修補進行了研究。

  按照重要程度次序,表1列出了降低鈦合金裝甲成本最具潛力的工藝及方法。
  表1、最具潛力降低鈦合金裝甲成本的工藝
   工序    成本類型         成本降低方法
  礦石還原   能源 直接還原,      利用殘料
  重熔 能源 等離子或電子束冷爐床     單一熔煉
  軋制加熱   能源         在鑄錠未完全冷卻時直接軋制
  退火     能源         用適當的形變熱處理工藝代替
  除去氧化皮  投資勞動力        減少加熱次數

  雖然上述每種工序都是人們所積極尋求的,但鑄錠未完全冷卻就直接進行軋制還存在一定問題。因為一般用于軋制加工設備與熔煉現場相隔都比較遠,且鑄錠在軋制前一般需車去氧化皮。
  Wells等人對電子束冷爐床單一熔煉生產的T16Al—4V板材在軍用車輛上的應用進行了評價。冷爐床熔煉可以利用較低成本的原料,以降低鈦合金的成本,并且,只需一次熔煉。
  電子束和等離子束冷爐床熔煉是活性金屬和難熔金屬熔煉的兩種基本方式,這兩種工藝基本相似,只是熱源不同。在這兩種工藝中,原料首先在水冷銅床中熔化,然后,熔融金屬通過精煉區,最后通過澆鑄口進入錠模,并在錠模中凝固。這兩種工藝均可利用各種各樣的原料,包括切削碎料,軋制、鍛造和其它工藝過程的返回殘料、切頭以及海綿鈦和中間合金。
  但電子束冷爐床熔煉是在1.3X103Pa或更高的真空度下進行的:那些高蒸氣壓元素(如鋁)在電子束熔煉的高真空氣氛下易于蒸發,因而必須增添這些元素以補償其揮發損失。
  目前電子束冷爐床熔煉生產的鑄錠可重達22.7t,能生產圓錠和方錠。工業純鈦或未合金化鈦常見的鑄錠尺寸為660mm X1320mmX4000mm,重16t。熔煉純鈦和鈦合金的熔化能力分別為3.6t/h,2.3/h。
  對鈦爐床技術公司(THT,目前為Timet的分公司)生產的直徑為76cm.重4000kg的Ti-6Al-4V鑄錠,在熔煉過程中,沿鑄錠方向每隔125mm取一個試樣進行化學成分分析,結果見表2。


    表2 鑄錠的化學成分
    元素    Al     V    O
    平均   6.28    4.16   0.176
   標準偏差  0.145   0.068   0.004
   最大    6.66    4.25   0.181
   最小    6.05    3.97   0.166
   極差    0.61    0.28   0.015

  生產該鑄錠的原料組成為:31.6%的海綿鈦;62.4%的Ti-6Al—4V屑;其余為添加鋁和Al-V中間合金。
  首先將鑄錠表面車去約6mm,然后根據如下工藝制度在傳統的鋼鐵軋制設備上進行軋制:
  ①將鑄錠加熱至1150℃,軋制成210mmX1030mmX 3810mm的方坯;
  ②切成3部分并加熱到940℃,軋制成25mm,38mm和64mm厚的板材;
  ③終軋退火為760℃,1h;
  ④每塊板切成2片,且最后全部經帶式打磨。
  這一工藝制度下,從鑄錠到板材最后得到的成品率為71%。當產量較大、板材較厚時,從鑄錠到板材的成品率還可達到80%。成品率是決定最終成本及最終軋材價格的一個重要參數。
  測試表明,板材末端的縱向和橫向試樣的拉伸性能均超過了MIL-T-9046J AB-1級和MIL-DTL 46077F標準要求。
  對于結構應用的板材,一般需經固溶處理和時效處理,但是,對于裝甲應用,研究發現退火組織的防彈性能最好。Burkins等人研究了退火溫度對Ti-6Al-4V合金防彈性能的影響,并對不同的形變熱處理工藝對Ti-6Al-4V合金防彈性能的影響進行了評價。結果表明,對于板材的抗彈性能,交叉軋制的優于一般軋制的,。α+β區軋制的優于β區軋制的;不退火的好于退火的,α+β區退火的優于β退火的,一旦β區退火后,再在α+β區退火,并不能恢復材料性能;軋態或退火態的好于固溶處理和時效態的。

  鈦用于地面車輛及裝甲上時,常用的接合方法為焊接。人們對厚截面部件的焊接工藝研究很多。鈦是一種極其活潑的金屬,必須采取措施防止空氣污染熔融金屬,避免間隙元素進入材料中。目前許多部件(如M1A2主戰坦克)都是利用鋼鐵生產設備加上惰性氣體保護措施生產的。通常,焊槍噴嘴處用氬—氦混合氣體進行二次保護,同時在背面進行三次保護。
  General Dynamics公司和美國陸軍實驗室已對鈦裝甲如何取得滿意的焊接效果、焊接的生產效率和現場焊接修補的可實施性進行了研究。對不同的切削工藝、焊接邊緣的準備、惰性氣體保護措施及焊接金屬的化學性質對沖擊性能和力學性能的影響進行了評價,開發出了可用于戰車裝甲生產的高速堆焊焊接工藝。但是,由于惰性氣體保護比較復雜,鈦的焊接方法將永遠不會像鋼裝甲焊接那樣簡單且成本低廉,但鈦的焊接成本也不是太高。
  鈦裝甲的戰地維修是必需的。戰地維修應不需要附加惰性氣體保護。美國陸軍實驗室已與俄亥俄州Edison焊接研究院達成協議,研究利用粉芯焊條而不用惰性氣體保護的鈦材現場維修焊接工藝。

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