CN108788641B - 一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法 - Google Patents

一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，该方法包括：一、将TB5或TB8钛合金板材的表面涂覆防氧化涂料，然后在相变点以上固溶处理，出炉后放置在石棉垫上空冷；二、将经空冷后的TB5或TB8钛合金板材裁剪为圆板后涂覆润滑剂，然后进行两道次冷拉成型，得到防弹头盔壳坯；三、将防弹头盔壳坯裁边后进行时效处理，经空冷得到防弹头盔。本发明以高强度的TB5钛合金板材或TB8钛合金板材为原料，依次采用相变点以上的固溶处理、两道次冷拉成型和时效处理，得到冷成型钛合金防弹头盔，提高了头盔的成品率，增强了头盔的强度和硬度，在保证防弹头盔防护效果的基础上，缩短并简化了加工流程，降低了加工成本。

Description

一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法
技术领域
本发明属于防弹头盔制备技术领域，具体涉及一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法。
背景技术
在二十世纪后半叶，防弹头盔出现了两种发展方向：一种是凯夫拉头盔，其代表作有美国的PASGT；另一种则是钛合金头盔，比如由瑞士TIG公司生产的PSH-77。前者受到美国、英国、法国澳大利亚等国家的青睐，装备于大多数军队；后者在当时被大量特战部队和特警单位所青睐，包括德国的GSG-9和俄罗斯的阿尔法小组都采用了钛合金头盔。相对于凯夫拉等纤维材料头盔来说，钛合金头盔的优势有两点：(1)凯夫拉等纤维材料头盔随着时间延长，防护效果逐渐减弱，保质期约为10年左右，而钛合金头盔是没有保质期的，防护效果不会减弱；(2)凯夫拉头盔在抵挡子弹时产生的变形远大于钛合金头盔，容易造成佩戴者的颅脑损伤。因此，目前俄罗斯和部分欧洲国家仍然采用钛合金头盔来装备部队。
目前国际上的钛合金头盔主要有瑞典蒂格·比科德公司设计和生产的PSH-77式头盔、俄罗斯生产的K6系列和阿尔金(Altyn)头盔。这些头盔主要采用TC4钛合金热成型的方法制备得到，头盔厚度在4mm以上，该方法制作成本高、对设备和模具的要求高，而且热成型还会造成头盔表面氧化和烧损，降低成品率。因此，这些头盔的售价十分昂贵，单品的价格都在万元以上。
目前市场上尚无冷成型的钛合金头盔，这是因为绝大多数的钛合金板材无法进行冷拉成型头盔形状的深腔件。只有工业纯钛(TA1-TA4)由于其良好的塑性和延展性可以完成头盔的冷成型，但是由于工业纯钛的强度太低，防护效果差，所以并不能起到防弹效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法。该方法以高强度的TB5钛合金板材或TB8钛合金板材为原料，依次采用相变点以上的固溶处理、两道次冷拉成型和时效处理，得到冷成型钛合金防弹头盔，提高了头盔的成品率，增强了头盔的强度和硬度，在保证防弹头盔防护效果的基础上，缩短并简化了加工流程，降低了加工成本。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将高强度β钛合金板材的表面上涂覆防氧化涂料，然后在β钛合金相变点以上的温度条件下进行固溶处理，出炉后放置在石棉垫上空冷；所述高强度β钛合金板材为TB5钛合金板材或TB8钛合金板材；
步骤二、将步骤一中经空冷后的高强度β钛合金板材裁剪为圆板，然后将空冷时与石棉垫接触的高强度β钛合金板材表面涂覆植物油作为盔内面，将空冷时与空气接触的高强度β钛合金板材表面涂覆石墨乳作为盔外面，进行两道次冷拉成型，得到防弹头盔壳坯；
步骤三、将步骤二中得到的防弹头盔壳坯裁边，然后进行时效处理，经空冷后得到防弹头盔。
上述的一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，步骤一中所述高强度β钛合金板材在制备过程的热轧变形工序中未进行碱酸洗处理，所述高强度β钛合金板材的平均晶粒尺寸不超过25μm。
上述的一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，步骤一中所述固溶处理的温度为相变点以上10℃～40℃，保温时间为5min～10min。
上述的一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，步骤二中所述圆板的直径为400mm～500mm。
上述的一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，步骤二中所述植物油为菜籽油。
上述的一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，步骤二中所述石墨乳涂覆前采用机油稀释，所述石墨乳与机油的体积比为1:(1.5～2)。
上述的一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，步骤三中所述时效处理的温度为540℃～560℃，时间为6h～10h。
上述的一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，步骤一中所述高强度β钛合金板材和步骤三中所述防弹头盔的厚度均为1.6mm～3.0mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明以高强度的TB5钛合金板材或TB8钛合金板材为原料进行冷拉成型制备防弹头盔，利用高强度的TB5钛合金板材或TB8钛合金板材优良的深冲性能，并通过在相变点以上温度条件下的固溶处理调整高强度β钛合金板材的晶粒尺寸，从而降低了TB5钛合金板材或TB8钛合金板材的强度，使TB5钛合金板材或TB8钛合金板材容易冷拉成型，提高了头盔的成品率，然后通过时效处理增强了头盔的强度和硬度，本发明在保证防弹头盔防护效果的基础上，缩短并简化了加工流程，降低了对加工模具的要求，从而降低了加工成本。
2、本发明采用高强度的TB5钛合金板材或TB8钛合金板材通过冷拉成型得到的钛合金防弹头盔的壁厚为1.6mm～3.0mm，远远小于现有技术中钛合金头盔的4mm壁厚，不仅减轻了防弹头盔的重量，方便了佩戴使用，而且大幅减少了TB5钛合金板材或TB8钛合金板材的使用量，降低了材料成本。
3、本发明的高强度的TB5钛合金板材或TB8钛合金板材经固溶处理出炉后放置在石棉垫上空冷，由于石棉垫和空气传热速率存在差异，TB5钛合金板材或TB8钛合金板材与石棉垫接触面(即垫冷面)的冷却速度稍慢于TB5钛合金板材或TB8钛合金板材与空气接触面(即空冷面)的冷却速度，从而使TB5钛合金板材或TB8钛合金板材不同部位形成强塑性的梯度变化，分别得到塑性高的垫冷面作为盔内面，强度高的空冷面作为盔外面，满足了防弹头盔外层强度高以抵挡子弹冲击、内层塑性高变形大以吸收子弹能量的要求，提高了防弹头盔的防护效果。
4、本发明的冷拉成型过程中分别将空冷时与石棉垫接触的TB5钛合金板材或TB8钛合金板材表面涂覆植物油作为盔内面，将空冷时与空气接触的TB5钛合金板材或TB8钛合金板材表面涂覆石墨乳作为盔外面，通过涂覆植物油和石墨乳进行润滑，减少了模具与TB5钛合金板材或TB8钛合金板材的摩擦，有利于TB5钛合金板材或TB8钛合金板材的拉伸变形，特别是采用润滑性能更强的石墨乳减少了盔外面在模具作用下受力变形导致的开裂，提高了防弹头盔壳坯的表面质量；另外，在后续的时效处理过程中一部分石墨乳与氧气反应从而得到去除，一部分石墨乳与盔外面处的钛反应生成硬质的TiC陶瓷层，进一步增加了盔外面的硬度，提高了防弹头盔的防护效果。
5、本发明制备的钛合金防弹头盔防弹性能优越，满足了GA293-2012《警用防弹头盔及面罩》或GJB5115-2004《军用防弹头盔安全技术性能要求》中的防弹性能要求。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的防弹头盔壳坯的照片。
图2是本发明实施例1制备的防弹头盔的防弹性能检测照片。
具体实施方式
实施例1
本实施例的冷成型钛合金防弹头盔的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将厚度为2.2mm的TB8钛合金板材的表面上涂覆HX-031防氧化涂料，然后进行固溶处理，出炉后放置在石棉垫上空冷；所述固溶处理的温度为TB8钛合金相变点以上30℃，保温时间为8min；所述TB8钛合金板材在制备过程的热轧变形工序中未进行碱酸洗处理，所述TB8钛合金板材的平均晶粒尺寸为22μm；
步骤二、将步骤一中经空冷后的TB8钛合金板材裁剪为直径为440mm的圆板，然后将空冷时与石棉垫接触的TB8钛合金板材表面涂覆菜籽油作为盔内面，将空冷时与空气接触的TB8钛合金板材表面涂覆石墨乳作为盔外面，进行两道次冷拉成型，得到防弹头盔壳坯；所述石墨乳涂覆前采用机油稀释，所述石墨乳与机油的体积比为1:1.5；
步骤三、将步骤二中得到的防弹头盔壳坯裁边，然后进行时效处理，经空冷后得到壁厚为2.2mm的防弹头盔；所述时效处理的温度为540℃，时间为8h。
图1是本实施例制备的防弹头盔壳坯的照片，从图1可以看出，本实施例的防弹头盔壳坯表面光滑整洁，无开裂和裂纹，说明本实施例采用的TB8钛合金板材经固溶处理后冷拉成型，降低TB8钛合金板材的强度，提高了TB8钛合金板材的冷拉性能，可以制备得到表面质量较好的防弹头盔壳坯。
将本实施例制备得到的防弹头盔进行喷漆、安装悬挂和内衬后按照GA293-2012《警用防弹头盔及面罩》中的二级防护等级要求的条件进行防弹性能检测，结果如图2所示。
图2是本实施例制备的防弹头盔的防弹性能检测照片，从图2可以看出本实施例制备的防弹头盔能够抵挡子弹的冲击，防弹头盔没有发生破裂，说明本实施例制备的防弹头盔能够满足GA293-2012《警用防弹头盔及面罩》中的二级防护等级要求。
实施例2
本实施例的冷成型钛合金防弹头盔的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将厚度为3.0mm的TB5钛合金板材的表面上涂覆HX-031防氧化涂料，然后进行固溶处理，出炉后放置在石棉垫上空冷；所述固溶处理的温度为TB5钛合金相变点以上10℃，保温时间为5min；所述TB5钛合金板材在制备过程的热轧变形工序中未进行碱酸洗处理，所述TB5钛合金板材的平均晶粒尺寸为25μm；
步骤二、将步骤一中经空冷后的TB5钛合金板材裁剪为直径为400mm的圆板，然后将空冷时与石棉垫接触的TB5钛合金板材表面涂覆菜籽油作为盔内面，将空冷时与空气接触的TB5钛合金板材表面涂覆石墨乳作为盔外面，进行两道次冷拉成型，得到防弹头盔壳坯；所述石墨乳涂覆前采用机油稀释，所述石墨乳与机油的体积比为1:1.7；
步骤三、将步骤二中得到的防弹头盔壳坯裁边，然后进行时效处理，经空冷后得到壁厚为3.0mm的防弹头盔；所述时效处理的温度为550℃，时间为6h。
将本实施例制备得到的防弹头盔进行喷漆、安装悬挂和内衬后按照GA293-2012《警用防弹头盔及面罩》中的二级防护等级要求的条件进行防弹性能检测，结果显示本实施例制备的防弹头盔能够满足GA293-2012《警用防弹头盔及面罩》中的二级防护等级要求。
实施例3
本实施例的冷成型钛合金防弹头盔的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将厚度为2.5mm的TB8钛合金板材的表面上涂覆HX-031防氧化涂料，然后进行固溶处理，出炉后放置在石棉垫上空冷；所述固溶处理的温度为TB8钛合金相变点以上40℃，保温时间为10min；所述TB8钛合金板材在制备过程的热轧变形工序中未进行碱酸洗处理，所述TB8钛合金板材的平均晶粒尺寸为24μm；
步骤二、将步骤一中经空冷后的TB8钛合金板材裁剪为直径为500mm的圆板，然后将空冷时与石棉垫接触的TB8钛合金板材表面涂覆菜籽油作为盔内面，将空冷时与空气接触的TB8钛合金板材表面涂覆石墨乳作为盔外面，进行两道次冷拉成型，得到防弹头盔壳坯；所述石墨乳涂覆前采用机油稀释，所述石墨乳与机油的体积比为1:2；
步骤三、将步骤二中得到的防弹头盔壳坯裁边，然后进行时效处理，经空冷后得到壁厚为2.5mm的防弹头盔；所述时效处理的温度为560℃，时间为10h。
将本实施例制备得到的防弹头盔进行喷漆、安装悬挂和内衬后按照GJB5115-2004《军用防弹头盔安全技术性能要求》中的防护等级要求的条件进行防弹性能检测，结果显示本实施例制备的防弹头盔能够满足GJB5115-2004《军用防弹头盔安全技术性能要求》中的防护等级要求。
实施例4
本实施例的冷成型钛合金防弹头盔的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将厚度为1.6mm的TB5钛合金板材的表面上涂覆HX-031防氧化涂料，然后进行固溶处理，出炉后放置在石棉垫上空冷；所述固溶处理的温度为TB5钛合金相变点以上20℃，保温时间为10min；所述TB5钛合金板材在制备过程的热轧变形工序中未进行碱酸洗处理，所述TB5钛合金板材的平均晶粒尺寸为23μm；
步骤二、将步骤一中经空冷后的TB5钛合金板材裁剪为直径为420mm的圆板，然后将空冷时与石棉垫接触的TB8钛合金板材表面涂覆菜籽油作为盔内面，将空冷时与空气接触的TB8钛合金板材表面涂覆石墨乳作为盔外面，进行两道次冷拉成型，得到防弹头盔壳坯；所述石墨乳涂覆前采用机油稀释，所述石墨乳与机油的体积比为1:2；
步骤三、将步骤二中得到的防弹头盔壳坯裁边，然后进行时效处理，经空冷后得到壁厚为1.6mm的防弹头盔；所述时效处理的温度为550℃，时间为8h。
将本实施例制备得到的防弹头盔进行喷漆、安装悬挂和内衬后按照GA293-2012《警用防弹头盔及面罩》中的一级防护等级要求的条件进行防弹性能检测，结果显示本实施例制备的防弹头盔能够满足GA293-2012《警用防弹头盔及面罩》中的一级防护等级要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将高强度β钛合金板材的表面上涂覆防氧化涂料，然后在β钛合金相变点以上的温度条件下进行固溶处理，出炉后放置在石棉垫上空冷；所述高强度β钛合金板材为TB5钛合金板材或TB8钛合金板材；
步骤二、将步骤一中经空冷后的高强度β钛合金板材裁剪为圆板，然后将空冷时与石棉垫接触的高强度β钛合金板材表面涂覆植物油作为盔内面，将空冷时与空气接触的高强度β钛合金板材表面涂覆石墨乳作为盔外面，进行两道次冷拉成型，得到防弹头盔壳坯；
步骤三、将步骤二中得到的防弹头盔壳坯裁边，然后进行时效处理，经空冷后得到防弹头盔。
2.根据权利要求1所述的一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，步骤一中所述高强度β钛合金板材在制备过程的热轧变形工序中未进行碱酸洗处理，所述高强度β钛合金板材的平均晶粒尺寸不超过25μm。
3.根据权利要求1所述的一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，步骤一中所述固溶处理的温度为相变点以上10℃～40℃，保温时间为5min～10min。
4.根据权利要求1所述的一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，步骤二中所述圆板的直径为400mm～500mm。
5.根据权利要求1所述的一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，步骤二中所述植物油为菜籽油。
6.根据权利要求1所述的一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，步骤二中所述石墨乳涂覆前采用机油稀释，所述石墨乳与机油的体积比为1:(1.5～2)。
7.根据权利要求1所述的一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，步骤三中所述时效处理的温度为540℃～560℃，时间为6h～10h。
8.根据权利要求1所述的一种冷成型钛合金防弹头盔的制备方法，其特征在于，步骤一中所述高强度β钛合金板材和步骤三中所述防弹头盔的厚度均为1.6mm～3.0mm。
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