装甲用钛及钛合金及其复合材料

richardbjhe

不断提升的装甲车辆的机动性、灵活性及战场生存能力要求使装甲车辆面临着在保证一定防护能力的前提下强烈的减重需求。如美国陆军通过未来战斗系统计划，正积极把其重型部队转变为轻型、战略上可展开、占优势和可持续作战的地面战斗部队。这一武器系统发展成功后，24吨坦克将取代目前的70吨M1坦克，22吨装甲车将取代目前33吨M2装甲车。减重的手段无外乎有两种，其一，通过更为科学合理的结构设计，实现结构减重：其二，通过更多的采用高强轻质材料，实现材料减重。例如，根据2,020年前我国武器装备发展的总体规划，坦克等装甲车辆战斗全重减重20％以上，其中的一大部分减重的实现需要采用有色轻质材料来实现。
装甲防护的重量占整车战斗全重的40～50％。因此装甲的减重对于整车的减重具有重要的意义。钛合金具有密度小、比强度高、比刚度大等性能特点。目前，钛合金等轻质材料已经在装甲上得到了应用，在保证了防护能力不低于原来装甲钢的前提下实现了装甲车辆显著减重。
20世纪90年代美国M1艾布拉姆斯(Abrams)主战坦克和服布莱德雷(Bradley)战车大量用钛合金代替轧制均质装甲钢(RI-IA)。在MIA2主战坦克上共改进7个部件：回转炮塔板；核战、生物和化学武器对抗系统护盖；炮手主瞄准具罩；发动机顶盖，炮塔枢轴架；指挥舱盖和车长热成像观察仪罩。整辆坦克用装甲钢时质量为1591kg，改用钛合金部件后为1116kg，可减轻475kg。在M2战车上钛主要用于指挥舱盖和顶部攻击装甲的改进。现在已用Ti-6Al-4V合金代替原来的锻造铝合金。指挥舱盖要用100～127 mm厚的钛板加工而成，1997年第一批改装了580辆。战车改装顶部攻击装甲用80mm厚的钛板，改用钛合金材料后减轻35％。美国陆军首次战车改进，应用低成本电子束冷床炉熔炼Tl-6Al-4V钛合金的部件，此外还开发了低成本的钛合金Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si(Timetal62S)。
20世纪50年代就开始进行了一系列试验和研制，为了减轻装甲车的质量，提高机动性和抗弹性能，美国水城兵工厂针对钛合金的抗枪弹和穿甲弹性能及焊接工艺进行了试验，确定钛合金是一种良好的装甲材料。为了得到与钢相同的防弹性能，钛装甲要比钢装甲厚25％，但相应的钛装甲的质量要比钢的轻25％。
7 F2 j8 L- [. Q' ?' w% x' c1953年美国陆军在底特律兵工厂用RC-130AW钛合金制造出T55型装甲车的顶装甲，厚15.88 mm。以37 mm穿甲弹进行射击试验，焊缝品质合格。
美国最近开发的一种新型钛合金，其名义成分Ti4A12.5V1.5Fe0.25O。该合金具有良好的力学性能及耐蚀性能，满足了当前军用装甲标准对材料性能的要求。该合金的抗拉强度为827～965MPa，屈服强度为758～896 MPa，延伸率为6％～16％；16mm和32mm的厚板断裂韧性分别为49～60MPa·m1/2和60～65MPa·m1/2，2mm V型夏氏缺口冲击功分别为13.5～19.0J和13.5～21.7J，弹性模量为116～128GPa。该合金抗弹性能优异，其抗子弹撞击能力远胜于装甲钢，与Ti-6A-4VELI合金相当，甚至还优。美国陆军实验室对板材进行的20mm子弹撞击模拟实验表明，该合金经子弹冲击后无开裂；其V50值为620～675 m／s，明显高于标准的Ti-6Al-4V合金(530—610 m／s)和高氧的Ti-6Al-4V合金(540～620m／s)。