CN101658973A - 由金属陶瓷熔覆层-金属组成的复合装甲板的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种由金属陶瓷熔覆层－金属组成的复合装甲板的制备方法，属于表面工程技术领域。制备工艺包括：制备金属陶瓷熔覆层的粉末材料，制备粉芯焊丝，制备具有金属陶瓷熔覆层的复合装甲板。优点在于，可使用工作电流为200－400A的钨极直流等离子弧设备进行熔覆，通过重复熔覆，可使复合装甲板上金属陶瓷熔覆层厚度达5－12mm，熔覆层由低陶瓷相含量顶层、高陶瓷相含量底层和与基体结合面处的陶瓷扩散层组成。并且，制备工艺比较简单、工艺参数易于控制，成本低。

Description

由金属陶瓷熔覆层-金属组成的复合装甲板的制备方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，特别涉及一种由金属陶瓷熔覆层-金属组成的复合装甲板的制备方法。

背景技术

装甲防护是指舰船、坦克、装甲车辆等为抵御各种战术武器攻击而设置的板材结构，装甲材料主要有金属、聚合物复合材料、陶瓷材料和反应装甲等。碳钢是一种较廉价的金属装甲，其缺点是密度大、抗压强度显著低于陶瓷材料，大量使用金属装甲还会增加舰船、坦克、装甲车辆的自重。

陶瓷材料由于具有高抗压强度、低密度等优良特性，已应用于各种装甲防护结构中。虽然陶瓷类装甲材料有良好的抗破甲能力，但它的致命缺点是韧性较差，难以独立作为装甲防护材料。为了解决这一问题，人们开发了陶瓷与金属组合的复合装甲，该复合装甲利用Al₂O₃、B₄C、Si₃N₄、SiC等类陶瓷做面板，具有良好韧性的金属或纤维复合材料做背板，陶瓷-金属之间常用胶粘剂粘接。这种结构利用陶瓷材料的高硬度、高弹性模量来满足装甲要求的抗侵彻能力，利用金属或纤维复合材料的韧性及延展性来满足装甲要求的抗冲击能力和抗崩落能力。但这种简单的层叠复合结构复合装甲在抗弹性能方面仍表现出了明显的不足，其缺点主要如下：在陶瓷-金属结合面处存在较大波阻抗差，使入射的压力波在结合面处主要分解为纵向的透射波、反射波以及横向的剪切应力；纵向反射波以及横向的剪切应力不仅导致陶瓷面板的进一步碎裂，而且导致在复合装甲面板和背板的粘接处会出现较大区域的明显开裂，使复合装甲在更大面积区域内失去继续抗弹的能力，从而严重影响陶瓷-金属复合装甲的抗多发弹能力。

金属陶瓷是由一种或几种陶瓷相与金属相或合金所组成的复合材料，陶瓷相的体积分数一般为15％-85％。与陶瓷材料相比，金属陶瓷既具金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性等优点，又具陶瓷的高抗压强度、耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性。通过改变金属陶瓷中陶瓷相的体积分数，可得到所需的强度和韧性。因此，金属陶瓷在装甲结构中具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由金属陶瓷熔覆层-金属组成的复合装甲板的制备方法，解决了陶瓷-金属复合装甲抗多发弹能力差等技术难题。

在这种复合装甲材料中，一面是陶瓷体积分数沿厚度方向连续变化的金属陶瓷熔覆层，另一面是金属背板，金属陶瓷熔覆层与金属背板为冶金结合。该金属陶瓷熔覆层由韧性良好的低陶瓷相含量顶层、高陶瓷相含量底层和与基体结合面处的陶瓷扩散层组成。由于各组分材料的体积分数在空间位置上是连续变化、金属陶瓷熔覆层与金属背板为冶金结合，使复合装甲的物理、力学性能没有突变，从而有效解决传统陶瓷-金属复合装甲在结合面处存在较大波阻抗差、面板和背板的粘接处开裂等问题。

低陶瓷相含量顶层、金属背板的作用是使高陶瓷相含量底层在正面、背面均受到韧性良好材料的约束。当复合装甲板受到弹丸撞击时，由于高陶瓷相含量底层的变形受到约束，高陶瓷相含量底层即便产生大量裂纹也不会崩落，从而达到更有效吸收弹丸能量、增加弹丸驻留时间的目的。基于上述原理，本发明的复合装甲具有抗多发弹能力。

1、制备金属陶瓷熔覆层的粉末材料

(1)选用钛粉、钼粉、铬粉、铜粉、石墨碳粉、碳化钒粉、碳化铌粉作为混合粉末的原料。混合粉末组分的质量分数为：钼粉(粒度200-300目，纯度≥99.5％)：2-5％，铬粉(粒度100-300目，纯度≥99.5％)：1-6％，铜粉(粒度100-300目，纯度≥99.5％)：1-2％，石墨碳粉(纯度≥99.5％)：12-16.6％，碳化钒粉(粒度200-300目，纯度≥99.5％)：6-12％，碳化铌粉(200-300目，纯度≥99.5％)：5-8％，钛粉(粒度100-200目，纯度≥99.5％)：余量，配成混合粉末。混合粉末中，钛与碳原子比为1∶(0.7-1)范围。

(2)将混合粉末在干燥箱中干燥3-6小时，干燥温度为100-120℃，将干燥后的混合粉末放入行星式球磨机中混料4-6小时，形成成分均匀的混合粉末。

2、制备粉芯焊丝

(1)制备高粉末含量的粉芯焊丝。选用镍箔或铁箔作为外皮包裹步骤1所述混合粉末形成粉芯焊丝，所述粉芯焊丝外皮所用镍箔或铁箔的纯度在99.5-99.8％范围，厚度在60-150μm范围，宽度在20-40mm范围、长度为120-300mm。可采用手工包料的方法或制备粉芯焊丝的专用设备制备上述粉芯焊丝。混合粉末在粉芯焊丝中所占的质量分数为70-82％，粉芯焊丝单位长度重量为3-5g/cm。

(2)制备低粉末含量的粉芯焊丝。选用镍带或铁带作为外皮包裹上述混合粉末形成粉芯焊丝，镍带或铁带的纯度在99.5-99.8％范围、厚度为300-1000μm、宽度为8-20mm、长度≥10mm。利用轧制机械装置将镍带或铁带轧制成具有U形槽状带，再向U形槽中加入本发明所述混合粉末，混合粉末在粉芯焊丝中所占的质量分数为25-40％；将U形槽合口，并利用拉丝模具使混合粉末被包裹在镍带或铁带中，得到低粉末含量、且近似圆形截面的粉芯焊丝，该粉芯焊丝的直径为3-6mm。将该工艺生产的长粉芯焊丝裁剪成长度为120-300mm的短粉芯焊丝。

3、制备具有金属陶瓷熔覆层的复合装甲板

利用步骤2所述的高粉末含量粉芯焊丝、低粉末含量粉芯焊丝，采用等离子弧熔覆工艺在金属板上制备金属陶瓷熔覆层。所述金属板材料为碳钢、低合金钢或钛合金等，金属板厚度为10-50mm、长度为80-200mm、宽度为80-200mm。

熔覆工艺所选用等离子弧焊机的最大电流为400A。实施熔覆工艺时，需将等离子弧焊枪固定在摆动器上，摆动器固定在可调速、作直线运动的小车上，小车轨道置于熔覆工作台钢板上。小车运动速度为2-5mm/s，摆动器参数为：频率0.3-0.8次/s、摆幅±2-4mm。

粉芯焊丝熔覆的原理如下：粉芯焊丝头部始终处于等离子弧焊枪与金属板之间所形成的等离子弧柱区域，等离子弧使粉芯焊丝头部区域的材料被加热后达到熔点及以上温度，且Ti与C发生强放热反应原位生成TiC颗粒；TiC、NbC、VC及粘结相合金形成熔滴，在重力作用下沉积于熔融的基体材料表面，形成与基体达到冶金结合的熔覆层。熔覆层冷却后，NbC、VC固熔于TiC而形成复相陶瓷。随着等离子弧的连续移动，上述熔滴不断沉积于基体表面，形成连续的单道熔覆层，单道熔覆层厚度为2-3mm；通过相邻搭接熔覆法，可在基体上形成相邻搭接的熔覆层。

熔覆工艺步骤如下：

1)制备高陶瓷相含量底层

(1)利用电动钢丝刷将待熔覆表面作除锈、除油处理，将待熔覆金属板置于熔覆工作台钢板上(钢板面积≥0.5m²、厚度为20-30mm)；为防止金属板在熔覆过程中发生热塑性变形，将金属板四角点焊在熔覆工作台钢板上。选用步骤2所述的高粉末含量的粉芯焊丝(混合粉末在粉芯焊丝中所占的质量分数为70-82％)制备高陶瓷含量底层。

(2)自靠近金属板的边缘处(与金属板边缘的水平距离为3-4mm)开始制备高陶瓷相含量底层。启动小车和摆动器后，打开等离子弧焊枪电流开关，使焊枪与工件表面形成等离子转移弧，采用自动或手动送丝方法，使等离子弧快速熔化步骤2所述的高粉末含量粉芯焊丝，从而制备出第一道高陶瓷相含量底层。实施熔覆工艺时，无论采用手动还是自动送丝的方法，均需保证粉芯焊丝头部始终处于等离子弧焊枪与金属板之间所形成的等离子弧柱区域内。

(3)调节等离子弧焊枪，使之与上一道熔覆层(即高陶瓷相含量底层)边缘的水平方向距离为3-6mm；采用与步骤(2)相同的熔覆方法制备相邻搭接的高陶瓷相含量底层。

(4)重复步骤(3)，通过相邻搭接熔覆工艺，制备出厚度为2-3mm的高陶瓷相含量底层。

(5)重复步骤(2)-(4)，通过1-4层的相邻搭接熔覆工艺，制备出厚度为4-12mm的高陶瓷相含量底层。

2)制备低陶瓷相含量顶层

(1)完成步骤3-1)所述的高陶瓷相含量底层的制备工艺后，选用步骤2所述的低粉末含量粉芯焊丝(混合粉末在粉芯焊丝中所占的质量分数为25-40％)，在高陶瓷相含量底层表面制备低陶瓷相含量顶层。采用自动或手动送丝方法，自靠近具有熔覆层金属板的边缘处(与金属板边缘的水平距离为3-4mm)开始制备熔覆层。启动小车和摆动器后，打开等离子弧焊枪电流开关，使焊枪与工件表面形成等离子转移弧，采用自动或手动送丝方法，使等离子弧快速熔化步骤2所述的低粉末含量粉芯焊丝粉芯焊丝，从而制备出第一道低陶瓷相含量顶层。实施熔覆工艺时，无论采用手动还是自动送丝的方法，均需保证粉芯焊丝头部始终处于等离子弧焊枪与金属板之间所形成的等离子弧柱区域内。

(2)调节等离子弧焊枪，使之与上一道熔覆层(即低陶瓷相含量顶层)边缘的水平方向距离为2-4mm，采用与步骤(1)相同的熔覆方法制备出相邻搭接熔覆的低陶瓷相含量顶层。

(3)重复步骤(2)，通过相邻搭接熔覆工艺，在高陶瓷含量底层表面制备出厚度为3-4mm的低陶瓷相含量顶层。

3)将已制备熔覆层的复合板放入高温炉内消除内应力，在300℃温度下保温3小时后切断高温炉电源，炉内自然冷至室温。

4)利用平面磨床对熔覆层进行表面抛光处理。

本发明的优点在于，可使用工作电流为200-400A的钨极直流等离子弧设备进行熔覆，通过重复熔覆，可使复合装甲板上金属陶瓷熔覆层厚度达5-12mm，熔覆层由低陶瓷相含量顶层、高陶瓷相含量底层和与基体结合面处的陶瓷扩散层组成。由于低陶瓷相含量顶层具有良好的韧性，可来满足装甲要求的抗冲击能力和抗崩落能力。可对处于常温状态下的基体金属材料进行熔覆。该制备工艺比较简单、工艺参数易于控制，成本低。

附图说明

图1为按本发明所述方法所制备的低陶瓷相含量顶层的扫描电镜照片。

图2为按本发明所述方法所制备的高陶瓷相含量底层的扫描电镜照片。

图3为焊接大块复合装甲板时采用槽钢压紧的原理图，厚钢板1，金属陶瓷熔覆层2，背板3，铅垂方向预紧力4，槽钢5，焊缝6，铅垂方向预紧力7，槽钢8，背板9，金属陶瓷熔覆层10。

图4为按本发明所述方法所制备的复合装甲板照片(表面已抛光)。

具体实施方式

实施例：

1、配制混合粉末

(1)选用钛粉、钼粉、铬粉、铜粉、石墨碳粉、碳化钒粉、碳化铌粉作为混合粉末的原料。混合粉末组分的质量分数为：钼粉(粒度-300目，纯度99.8％)：3％，铬粉(粒度-200目，纯度99.5％)：2％，铜粉(粒度-200目，纯度99.5％)：1％，石墨碳粉(纯度99.5％)：15％，碳化钒粉(粒度200-300目，纯度99.5％)：10％，碳化铌粉(-200目，纯度99.5％)：6％，钛粉(粒度-100目，纯度99.5％)：余量。

(2)按上述各种粉末的质量分数配制好混合粉末，将混合粉末在干燥箱中干燥5小时，干燥温度为110℃，将干燥后的混合粉末放入行星式球磨机中混料5小时，形成成分均匀的混合粉末。

2、制备粉芯焊丝

(1)制备高粉末含量的粉芯焊丝。选用镍箔作为外皮包裹上述混合粉末形成粉芯焊丝，所述粉芯焊丝外皮所用镍箔的纯度为99.5％、厚度为100μm、宽度为40mm、长度为150mm。采用手工包料的方法，先将镍箔卷成圆筒状，并使圆筒状镍箔的一端开口，另一端被压扁封口；然后在圆筒内灌入混合粉末，使混合粉末在粉芯焊丝中所占的质量分数为80％。

(2)制备低粉末含量的粉芯焊丝。选用镍带作为外皮包裹上述混合粉末形成粉芯焊丝，镍带的纯度为99.5、厚度为600μm、宽度为12mm、长度为20mm。利用轧制机械装置将镍带轧制成具有U形槽状带，再向U形槽中加入混合粉末，混合粉末在粉芯焊丝中所占的质量分数为30％；将U形槽合口，并利用拉丝模具使混合粉末被包裹在镍带中，得到低粉末含量、且近似圆形截面的粉芯焊丝。将按上述工艺生产的长粉芯焊丝裁剪成长度为150mm的短粉芯焊丝。

3、制备具有金属陶瓷熔覆层的复合装甲板

选用等离子弧焊枪在金属板上制备金属陶瓷熔覆层。所用金属板材料为A3碳钢，金属板厚度为20mm、长度为120mm、宽度为120mm。选择最大电流为400A的等离子弧焊机，其熔覆工作电流为300A。将等离子弧焊枪固定在摆动器上，摆动器固定在可调速、作直线运动的小车上，小车轨道置于熔覆工作台钢板上。小车运动速度为4mm/s，摆动器参数为：频率0.4次/s、摆幅±3mm。

熔覆工艺步骤如下：

1)制备高陶瓷相含量底层

采用步骤2所述的高粉末含量粉芯焊丝、手动送丝的方法制备高陶瓷相含量底层，具体步骤包括：

(1)利用电动钢丝刷将待熔覆表面作除锈、除油处理，将待熔覆金属板置于熔覆工作台钢板上(钢板面积0.5m²、厚度为20mm)；并将金属板四角点焊在熔覆工作台钢板上。

(2)选用步骤2所述的高粉末含量粉芯焊丝，从靠近金属板的边缘处(与金属板边缘的水平距离为3mm)开始制备第一道高陶瓷相含量底层。实施熔覆工艺时，需保证粉芯焊丝头部始终处于等离子弧焊枪与金属板之间所形成的等离子弧柱区域内。

(3)调节等离子弧焊枪，使之与上一道熔覆层(即高陶瓷相含量底层)边缘的水平方向距离为4mm。采用与步骤(2)相同的熔覆方法制备出相邻搭接熔覆的高陶瓷相含量底层。

(4)重复步骤(3)，通过相邻搭接熔覆工艺，在钢板表面制备出平均厚度为2.5mm的高陶瓷相含量底层。

(5)重复步骤(2)-(4)，通过3层的相邻搭接熔覆工艺，制备出平均厚度为10mm的高陶瓷相含量底层。

2)制备低陶瓷相含量顶层

采用手动送丝的方法制备低陶瓷相含量顶层。

(1)完成高陶瓷含量底层的制备工艺后，选用步骤2所述的低粉末含量的粉芯焊丝(混合粉末在粉芯焊丝中所占的质量分数为30％)在高陶瓷相含量底层表面制备低陶瓷相含量顶层。从靠近具有高陶瓷相含量底层的金属板的边缘处(与金属板边缘的水平距离为3mm)开始，在高陶瓷相含量底层表面制备第一道低陶瓷相含量底层。实施熔覆工艺时，需保证粉芯焊丝头部始终处于等离子弧焊枪与金属板之间所形成的等离子弧柱区域内。

(2)调节等离子弧焊枪，使之与上一道熔覆层(即低陶瓷相含量顶层)边缘的水平方向距离为3mm。采用与步骤(1)相同的熔覆方法制备出相邻搭接熔覆的低陶瓷相含量顶层。

(3)重复步骤(2)，通过相邻搭接熔覆工艺，在高陶瓷含量底层表面制备出平均厚度为3mm的低陶瓷相含量顶层。

3)将已制备熔覆层的复合板放入高温炉内消除内应力，在300℃温度下保温3小时后切断高温炉电源，炉内缓冷至室温。

4)利用平面磨床对熔覆层进行表面抛光处理。

4、大块复合装甲板的焊接组装

(1)利用磨床，将按步骤3所制备的复合装甲板的四边磨削加工成V形状。

(2)将4块复合装甲板放置在平钢板上拼成大块复合装甲板，且金属背板面朝上放置，利用手工二氧化碳气体保护焊，在各板对接后所形成的v形坡口处实施焊接工艺。焊接前用槽钢将复合装甲板压紧固定，槽钢两端固定在厚度为20mm的钢板上。

(3)将金属背板面朝下放置，利用手工氩弧焊，在各板对接后所形成的v形坡口处实施焊接工艺。焊接所用的焊丝为步骤2所述的低粉末含量的粉芯焊丝，并采用步骤(2)的方法将复合装甲板压紧固定。

(4)利用砂轮机对焊缝表面进行抛光处理。

Claims (2)

1、一种由金属陶瓷熔覆层-金属组成的复合装甲板的制备方法，其特征在于，工艺步骤为：

(1)制备金属陶瓷熔覆层的粉末材料

选用钛粉、钼粉、铬粉、铜粉、石墨碳粉、碳化钒粉、碳化铌粉作为混合粉末的原料；混合粉末组分的质量分数为：钼粉：2-5％，铬粉：1-6％，铜粉：1-2％，石墨碳粉：12-16.6％，碳化钒粉：6-12％，碳化铌粉：5-8％，钛粉：余量；配成混合粉末，混合粉末中钛与碳原子比为1∶(0.7-1)范围；

将混合粉末在干燥箱中干燥3-6小时，干燥温度为100-120℃，将干燥后的混合粉末放入行星式球磨机中混料4-6小时，形成成分均匀的混合粉末；

(2)制备粉芯焊丝

制备高粉末含量的粉芯焊丝：选用镍箔或铁箔作为外皮包裹步骤(1)所述的混合粉末形成粉芯焊丝，混合粉末在粉芯焊丝中所占的质量分数为70-82％；

制备低粉末含量的粉芯焊丝：选用镍带或铁带作为外皮包裹步骤(1)所述的混合粉末形成粉芯焊丝，混合粉末在粉芯焊丝中所占的质量分数为25-40％；

(3)制备具有金属陶瓷熔覆层的复合装甲板

利用步骤(2)所述的高粉末含量粉芯焊丝、低粉末含量粉芯焊丝，采用等离子弧熔覆工艺在金属板上制备金属陶瓷熔覆层；所述金属板材料为碳钢、低合金钢或钛合金，金属板厚度为10-50mm、长度为80-200mm、宽度为80-200mm；

实施熔覆工艺时，需将等离子弧焊枪固定在摆动器上，摆动器固定在可调速、作直线运动的小车上，小车轨道置于熔覆工作台钢板上。小车运动速度为2-5mm/s，摆动器参数为：频率0.3-0.8次/s、摆幅±2-4mm；

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，熔覆工艺步骤如下：

(1)制备高陶瓷相含量底层

利用电动钢丝刷将待熔覆表面作除锈、除油处理，将待熔覆金属板置于熔覆工作台钢板上，用高粉末含量的粉芯焊丝制备高陶瓷相含量底层；

从靠近金属板的边缘处开始制备熔覆层；启动小车和摆动器后，打开等离子弧焊枪电流开关，使焊枪与工件表面形成等离子转移弧，采用自动或手动送丝方法，使等离子弧快速熔化高粉末含量粉芯焊丝，制备出第一道高陶瓷相含量底层；熔覆时应保证粉芯焊丝头部始终处于等离子弧焊枪与金属板之间所形成的等离子弧柱区域内；

调节等离子弧焊枪，使之与上一道高陶瓷相含量底层熔覆层边缘的水平方向距离为3-6mm；采用相同的熔覆方法制备相邻搭接的高陶瓷相含量底层。通过相邻搭接熔覆工艺，在金属板表面制备出厚度为2-3mm的高陶瓷相含量底层；

通过1-4层的搭接熔覆工艺，制备出厚度为4-12mm的高陶瓷相含量底层；

(2)制备低陶瓷相含量顶层

完成高陶瓷含量底层的制备工艺后，选用低粉末含量粉芯焊丝在高陶瓷相含量底层表面制备低陶瓷相含量顶层；采用自动或手动送丝方法，从靠近具有高陶瓷相含量底层的金属板的边缘处开始制备熔覆层；启动小车和摆动器后，打开等离子弧焊枪电流开关，使焊枪与工件表面形成等离子转移弧，采用自动或手动送丝方法，使等离子弧快速熔化低粉末含量粉芯焊丝粉芯焊丝，从而制备出第一道低陶瓷相含量顶层；

调节等离子弧焊枪，使之与上一道低陶瓷相含量顶层熔覆层边缘的水平方向距离为2-4mm，制备出相邻搭接熔覆的低陶瓷相含量顶层；

通过相邻搭接熔覆工艺，在高陶瓷含量底层表面制备出厚度为3-4mm的低陶瓷相含量顶层；

(3)将已制备熔覆层的复合板放入高温炉内消除内应力，在300℃温度下保温3小时后切断高温炉电源，炉内自然冷至室温；

(4)利用平面磨床对熔覆层进行表面抛光处理。

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