CN105571400B - 一种钛基复合材料装甲及其制造方法 - Google Patents

一种钛基复合材料装甲及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种钛基复合材料装甲及其制造方法。该钛基复合材料装甲包括上层、中间层和下层，上层和下层均为钛合金层，中间层为钛合金与陶瓷复合材料层，并且中间层具有钛合金空间点阵结构，该空间点阵结构将该钛合金与陶瓷复合材料层划分为多个单元模块。该钛基复合材料装甲的制造方法为：通过CAD软件设计具有空间点阵结构的夹层结构，采用电子束选区熔化技术实现该夹层结构的成型；在成型后的夹层结构中填充钛合金与陶瓷混合物；然后进行热等静压，得到该钛基复合材料装甲。该钛基复合材料装甲具有多层结构，中间层具有钛合金空间点阵结构，进而将钛基复合材料模块化，能够限制单发子弹打击时的破坏范围，提高装甲材料的抗多发打击能力。

Description

一种钛基复合材料装甲及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种钛基复合材料装甲及其制造方法，属于复合材料构件技术领域。
背景技术
目前，钛基复合材料的制备方法主要有铸造、锻造以及粉末冶金法等。在钛合金熔炼阶段通过将陶瓷粉末加入熔液，或将陶瓷粉末与钛合金粉末混合后进行粉末冶金成型，从而调节钛基复合材料的强度与韧性等指标，用于装甲防护。
然而，采用铸造、锻造以及粉末冶金法仅能实现层状钛基复合材料装甲的制造，无法制备层间具有复杂结构的装甲层。钛基复合材料较钛合金来说强度高，但韧性不足，受单发子弹打击后产生的压缩应力波迅速向四周传播，周围材料产生粉末化破坏，裂纹扩展面积大，造成装甲材料抗多发子弹打击能力大幅下降。提高装甲材料抗多发打击能力要求将单发破坏限制在小范围内，需将材料模块化以限制裂纹扩展范围。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种钛基复合材料装甲及其制造方法。该钛基复合材料装甲具有多层结构，中间层具有钛合金空间点阵结构，进而将钛基复合材料模块化，能够限制单发子弹打击时的破坏范围，提高装甲材料的抗多发打击能力。
为达到上述目的，本发明提供了一种钛基复合材料装甲，其包括上层、中间层和下层，其中，上层和下层均为钛合金层，中间层为钛合金与陶瓷复合材料层，并且中间层具有钛合金空间点阵结构，该钛合金空间点阵结构将该钛合金与陶瓷复合材料层划分为多个单元模块。
在上述钛基复合材料装甲中，优选地，上层的厚度为1～10mm，中间层的厚度为5～50mm，下层的厚度为1～10mm。
在上述钛基复合材料装甲中，优选地，所述空间点阵结构包括金字塔型空间点阵结构、四面体型空间点阵结构、直线型空间点阵结构、X型空间点阵结构、V型空间点阵结构或十六面体型空间点阵结构等。
在上述钛基复合材料装甲中，优选地，所述钛合金与陶瓷复合材料中的陶瓷材料的质量含量为5％～45％(以复合材料的总质量为基准)。
在上述钛基复合材料装甲中，优选地，所述钛合金与陶瓷复合材料中的陶瓷材料包括TiB2、Al2O3、B4C、SiC等中的一种或几种的组合。当采用这些材料中的两种以上时，它们可以任意比例混合。
在上述钛基复合材料装甲中，形成上层、下层和空间点阵结构的钛合金以及钛合金与陶瓷复合材料中的钛合金均可以为本领域常用的钛合金材料。优选地，该钛合金材料可以为Ti-6Al-4V合金材料。
本发明还提供了上述钛基复合材料装甲的制造方法，其包括以下步骤：
通过CAD软件设计具有上层、下层以及在上、下层中间具有空间点阵结构的夹层结构，然后采用电子束选区熔化技术(Electron Beam Selective Melting，EBSM)实现该夹层结构的成型，得到钛合金夹层结构；
在成型后的钛合金夹层结构中填充钛合金粉末与陶瓷粉末的混合物，得到钛基复合材料装甲坯；
对该钛基复合材料装甲坯进行热等静压后，得到所述的钛基复合材料装甲。
在上述方法中，电子束选区熔化技术(Electron Beam Selective Melting，EBSM)是本领域一种常规的增材制造技术。优选地，本发明采用的电子束选区熔化设备为ArcamA2X，具体方法为：将数学模型(即通过CAD软件设计的夹层结构)分层处理后设定工艺参数进行逐层熔化堆积。更优选地，在该电子束选区熔化技术的具体方法中，本发明采用的真空度为1×10-3Pa～3×10-3Pa、电子束电流为10～15mA、加速电压为50～65kV、扫描速率为800～1200mm/s、聚焦电流为700～850mA、填充线间距为0.1～0.3mm、层厚为0.03～0.10mm。
在上述方法中，优选地，所述钛合金粉末与陶瓷粉末的混合物中的陶瓷粉末的质量含量为5％～45％(以混合物的总质量为基准)。
在上述方法中，优选地，所述钛合金粉末与陶瓷粉末的混合物中的陶瓷粉末包括TiB2粉末、Al2O3粉末、B4C粉末、SiC粉末等中的一种或几种的组合。当采用这些材料中的两种以上时，它们可以任意比例混合。
在上述方法中，钛合金夹层结构的钛合金材料以及钛合金粉末与陶瓷粉末的混合物中的钛合金材料均可以为本领域常用的钛合金材料。优选地，该钛合金材料可以为Ti-6Al-4V合金材料。
在上述方法中，优选地，所述热等静压采用的压力为50～150MPa(更优选为80～150MPa)，升温速率为5-30℃/分钟，升温至850～1100℃，保温60～300分钟。
本发明提供的钛基复合材料装甲的制造方法，能够得到致密的多层钛基复合材料装甲，层间的钛合金空间点阵结构将钛基复合材料分隔为小型结构单元，实现模块化。
本发明提供的钛基复合材料装甲具有多层结构，中间层具有钛合金空间点阵结构，进而将钛基复合材料模块化；具有此空间点阵结构单元的钛基复合材料装甲可限制单发子弹打击时的破坏范围，提高装甲的抗多发打击能力；而且，复合材料的成分可通过调整钛合金粉末与陶瓷粉末的混合比例来自由设计，与钛合金空间点阵结构进行协同设计可进一步提高抗弹效果。
附图说明
图1a为金字塔型空间点阵结构的示意图；
图1b为四面体型空间点阵结构的示意图；
图1c为直线型空间点阵结构的示意图；
图1d和图1e为X型空间点阵结构的示意图；
图1f为V型空间点阵结构的示意图；
图1g和图1h为十六面体型空间点阵结构的示意图；
图2为实施例1提供的钛基复合材料装甲结构示意图；
图3为实施例1提供的钛基复合材料装甲的弹道测试图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
本发明提供的钛基复合材料装甲的制造方法可以具体包括以下步骤：
通过CAD软件设计具有上层、下层以及在上、下层中间具有空间点阵结构的夹层结构，所述空间点阵结构包括金字塔型空间点阵结构(如图1a所示)、四面体型空间点阵结构(如图1b所示)、直线型空间点阵结构(如图1c所示)、X型空间点阵结构(如图1d和图1e所示，其中图1e为局部放大图)、V型空间点阵结构(如图1f所示)、或十六面体型空间点阵结构(如图1g和图1h所示，其中图1h为局部放大图)等；
然后采用电子束选区熔化技术实现该夹层结构的成型，得到钛合金夹层结构；其中，电子束选区熔化设备为Arcam A2X，具体方法为：将数学模型(即通过CAD软件设计的夹层结构)分层处理后设定工艺参数进行逐层熔化堆积，在该方法中，采用的真空度为1×10- 3Pa～3×10-3Pa、电子束电流为10～15mA、加速电压为50～65kV、扫描速率为800～1200mm/s、聚焦电流为700～850mA、填充线间距为0.1～0.3mm、层厚为0.03～0.10mm；钛合金材料可以为Ti-6Al-4V合金材料；
将钛合金粉末与陶瓷粉末进行球磨混合，其中陶瓷粉末的质量含量为5％～45％(以混合物的总质量为基准)，陶瓷粉末包括TiB2粉末、Al2O3粉末、B4C粉末、SiC粉末等中的一种或几种的组合，钛合金粉末可以为Ti-6Al-4V合金粉末；将成型后的钛合金夹层结构放入包套(一般为钢包套)中，然后填充钛合金粉末与陶瓷粉末的混合物，得到钛基复合材料装甲坯；
将包套封焊后进行热等静压(采用常规的热等静压机)，其中热等静压采用的压力为80-150MPa，升温速率为5-30℃/分钟，升温至850～1100℃，保温60～300分钟，得到所述的钛基复合材料装甲。
该钛基复合材料装甲为致密的多层钛基复合材料装甲，其包括上层、中间层和下层，其中，上层和下层均为钛合金层，中间层为钛合金与陶瓷复合材料层，并且中间层具有钛合金空间点阵结构，该钛合金空间点阵结构将该钛合金与陶瓷复合材料层划分为与CAD软件设计一致的单元结构，实现模块化，并且上层的厚度为1～10mm，中间层的厚度为5～50mm，下层的厚度为1～10mm。
实施例1
本实施例提供了一种钛基复合材料装甲，其包括上层、中间层和下层，其中，上层和下层均为钛合金层，中间层为钛合金与陶瓷复合材料层，并且中间层具有钛合金空间点阵结构，该钛合金空间点阵结构将该钛合金与陶瓷复合材料层划分为多个单元模块；其中的空间点阵结构为X型空间点阵结构，上层的厚度为5mm，中间层的厚度为15mm，下层的厚度为5mm。该钛基复合材料装甲的结构示意图如图2所示。
该钛基复合材料装甲的制造方法如上所述，其中，电子束选区熔化的具体方法为：将数学模型(即通过CAD软件设计的夹层结构)分层处理后设定工艺参数进行逐层熔化堆积，在该方法中，采用的真空度为2×10-3Pa、电子束电流为12mA、加速电压为60kV、扫描速率为1000mm/s、聚焦电流为810mA、填充线间距为0.2mm、层厚为0.05mm；钛合金夹层结构的钛合金材料以及钛合金粉末与陶瓷粉末的混合物中的钛合金材料均为Ti-6Al-4V合金材料，陶瓷粉末采用TiB2粉末，其质量含量为15％(以钛合金粉末与陶瓷粉末的混合物的总质量为基准)；热等静压采用的压力为100MPa，升温速率为10℃/分钟，升温至950℃，保温120分钟。
实施例2
本实施例提供了一种钛基复合材料装甲，其包括上层、中间层和下层，其中，上层和下层均为钛合金层，中间层为钛合金与陶瓷复合材料层，并且中间层具有钛合金空间点阵结构，该钛合金空间点阵结构将该钛合金与陶瓷复合材料层划分为多个单元模块；其中的空间点阵结构为金字塔型空间点阵结构，上层的厚度为1mm，中间层的厚度为10mm，下层的厚度为1mm。
该钛基复合材料装甲的制造方法与实施例1基本相同，不同之处在于：陶瓷粉末采用B4C粉末，其质量含量为30％(以钛合金粉末与陶瓷粉末的混合物的总质量为基准)；热等静压采用的压力为80MPa，升温速率为20℃/分钟，升温至980℃，保温90分钟。
实施例3
本实施例提供了一种钛基复合材料装甲，其包括上层、中间层和下层，其中，上层和下层均为钛合金层，中间层为钛合金与陶瓷复合材料层，并且中间层具有钛合金空间点阵结构，该钛合金空间点阵结构将该钛合金与陶瓷复合材料层划分为多个单元模块；其中的空间点阵结构为四面体型空间点阵结构，上层的厚度为10mm，中间层的厚度为20mm，下层的厚度为10mm。
该钛基复合材料装甲的制造方法与实施例1基本相同，不同之处在于：陶瓷粉末采用B4C粉末，其质量含量为30％(以钛合金粉末与陶瓷粉末的混合物的总质量为基准)；热等静压采用的压力为110MPa，升温速率为30℃/分钟，升温至900℃，保温150分钟。
测试例
采用实施例1提供的钛基复合材料装甲进行弹道测试，结果如图3所示。弹道测试过程中枪管保持水平放置，装甲靶板垂直于射击线，靶板上下左右移动瞄准射击点，保证射角不变。弹丸垂直入射靶板，根据研究目的，着靶速度分别设定为790m/s、650m/s、500m/s，采用增减药量调整弹速，保证着靶速度在+7m/s～-8m/s误差范围内。

Claims (3)

1.一种钛基复合材料装甲，其包括上层、中间层和下层，其中，上层和下层均为钛合金层，中间层为钛合金与陶瓷复合材料层，并且中间层具有钛合金空间点阵结构，该钛合金空间点阵结构将该钛合金与陶瓷复合材料层划分为多个单元模块；
其中，上层的厚度为1mm，中间层的厚度为5～50mm，下层的厚度为5～10mm；
所述钛合金与陶瓷复合材料中的陶瓷材料的质量含量为5％～45％；所述钛合金与陶瓷复合材料中的陶瓷材料包括TiB2、Al2O3、B4C中的一种或几种的组合；
并且，所述钛基复合材料装甲是通过以下步骤制得的：
通过CAD软件设计具有上层、下层以及在上、下层中间具有空间点阵结构的夹层结构，然后采用电子束选区熔化技术实现该夹层结构的成型，得到钛合金夹层结构；
在成型后的钛合金夹层结构中填充钛合金粉末与陶瓷粉末的混合物，其中，所述钛合金粉末与陶瓷粉末的混合物中的陶瓷粉末的质量含量为5％～45％，所述钛合金粉末与陶瓷粉末的混合物中的陶瓷粉末包括TiB2粉末、Al2O3粉末、B4C粉末中的一种或几种的组合，得到钛基复合材料装甲坯；
对该钛基复合材料装甲坯进行热等静压后，得到所述的钛基复合材料装甲；
所述空间点阵结构包括金字塔型空间点阵结构、四面体型空间点阵结构、直线型空间点阵结构、X型空间点阵结构、V型空间点阵结构或十六面体型空间点阵结构。
2.一种根据权利要求1所述的钛基复合材料装甲的制造方法，其包括以下步骤：
通过CAD软件设计具有上层、下层以及在上、下层中间具有空间点阵结构的夹层结构，然后采用电子束选区熔化技术实现该夹层结构的成型，得到钛合金夹层结构；
在成型后的钛合金夹层结构中填充钛合金粉末与陶瓷粉末的混合物，其中，所述钛合金粉末与陶瓷粉末的混合物中的陶瓷粉末的质量含量为5％～45％，所述钛合金粉末与陶瓷粉末的混合物中的陶瓷粉末包括TiB2粉末、Al2O3粉末、B4C粉末中的一种或几种的组合，得到钛基复合材料装甲坯；
对该钛基复合材料装甲坯进行热等静压后，得到所述的钛基复合材料装甲。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其中，所述热等静压采用的压力为80～150MPa，升温速率为5-30℃/分钟，升温至850～1100℃，保温60～300分钟。
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