CN114559044B - 一种可设计叠层复合结构装甲板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种可设计叠层复合结构装甲板及其制备方法，本发明涉及一种可设计叠层复合结构装甲板及其制备方法。本发明是要解决传统金属装甲材料密度高、厚度大、工艺性能差、抗弹性能有限，传统以相和组织在空间均匀分布的金属基复合材料装甲塑韧性较差和损伤容限低，以及传统叠层金属复合板制备工艺复杂，层间结合强度低，侵彻易分层的问题。它由韧性材料层和硬质材料层交替排布叠层结合；通过大气环境中的热压烧结与热轧制相结合实现铝合金与颗粒增强铝基复合材料叠层复合板的多层界面一体化制备。可根据性能要求和结构效应进行结构设计，实现最优化配置。层间结合强度高，不易分层，可以更大程度地发挥叠层复合结构材料中不同组元间的协同、耦合作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种可设计叠层复合结构装甲板及其制备方法。
背景技术
颗粒增强金属基复合材料由于其高强度、高模量、低密度等特点，在装甲材料和结构材料领域被广泛应用，但传统的金属基复合材料多以相与组织在空间的均匀分布为特征，没有充分考虑到材料的复合构型效应，因此不能最大程度地发挥不同组分之间的协同、耦合和多功能响应机制。复合构型对于金属基复合材料强韧化起到重要作用，“非均匀”叠层复合构型更有利于发挥复合结构设计的自由度和复合材料中不同组元间的协同耦合效应，从而发掘金属基复合材料的性能潜力。
叠层复合结构通常以含一定体积分数增强体的硬质层和纯金属或合金韧性层交替叠加而成，通常采用锻压、轧制、焊接等复合方法。然而，传统的复合方式实现的层间结合程度具有一定的局限性，界面结合强度低，服役过程中往往出现界面分层和脱粘现象。因此，为提高层间结合强度，有必要提出一种连续成形和加工的多层界面一体化制备方法，替代非连续、多工序的传统制备工艺。
发明内容
本发明是要解决传统金属装甲材料密度高、厚度大、工艺性能差、抗弹性能有限，传统以相和组织在空间均匀分布的金属基复合材料装甲塑韧性较差和损伤容限低，以及传统叠层金属复合板制备工艺复杂，层间结合强度低，侵彻易分层的问题。而提供一种可设计叠层复合结构装甲板及其制备方法。
一种可设计叠层复合结构装甲板沿厚度方向由韧性材料层和硬质材料层交替排布叠层结合；所述韧性材料层为铝合金，硬质材料层为陶瓷颗粒增强的铝基复合材料。
上述一种可设计叠层复合结构装甲板的制备方法具体按以下步骤进行：
一、利用星球式球磨机或V型混料机将陶瓷粉体和铝合金粉体Ⅱ混合均匀，获得硬质层陶瓷颗粒增强铝基复合材料的混合粉体；
二、根据实际需要设计叠层构型，将铝合金粉体Ⅰ和混合粉体交替铺陈于钢模具中，并通过碰撞台震实，在钢模具的底部形成相应叠层构型的待冷压粉体坯料；
三、将待冷压粉体坯料在压力为10～300MPa的条件下冷压成粉坯，然后连同模具放入加热炉中，在温度为550～650℃的条件下保温2～5h，得到热压预制体；
四、将热压预制体从加热炉中取出，在大气环境下以50～700MPa的压力进行热压并保压5～20min，然后空冷至室温后脱模，获得叠层复合结构装甲板热压态坯料；
五、将叠层复合结构装甲板热压态坯料放入电阻炉中，将电阻炉内温度升温到400～550℃，在温度为400～550℃的条件下进行预热并保温1～4h，得到预热后的热压态坯料；
六、对预热后的热压态坯料在压下率为50～70％的条件下进行连续热轧制，然后在温度为330～430℃的电炉中退火，获得多层界面的新型可设计叠层复合结构装甲板。
本发明的有益效果：
本发明通过大气环境中的热压烧结与热轧制相结合实现铝合金与颗粒增强铝基复合材料叠层复合板的多层界面一体化制备，工艺简单，成本低；该一体化制备工艺获得的叠层复合板致密度高，层间结合强度高，综合性能好，有利于发挥不同组分之间的协同耦合和多功能响应机制。
本发明的独特之处在于该新型铝合金-铝基复合材料叠层复合装甲板的结构设计。该叠层复合板设计巧妙，可以针对性能指标，实现最优化配置，发挥不同材料的性能优点，并且制备工艺新颖，层间结合效果好，利于推广和应用。
附图说明
图1为实施例的工艺流程示意图；
图2为实施例中可设计叠层复合结构装甲板的一体化热压烧结过程示意图；
图3为实施例中可设计叠层复合结构装甲板的热轧制过程示意图；
图4为实施例中可设计叠层复合结构装甲板截取部分的实物图；
图中1表示一体化热压烧结过程，2表示热轧制过程，3表示可设计叠层复合结构装甲板，4表示热压压头，5表示钢模具，6表示韧性材料层，7表示硬质材料层，8表示预热后的热压态坯料，9表示轧辊。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种可设计叠层复合结构装甲板沿厚度方向由韧性材料层和硬质材料层交替排布叠层结合；所述韧性材料层为铝合金，硬质材料层为陶瓷颗粒增强的铝基复合材料。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述韧性材料层和硬质材料层的层数、厚度根据性能要求和结构效应进行选择。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述叠层的构型为复层结构、三明治结构或梯度结构。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述韧性材料层为铝合金粉体Ⅰ；硬质材料层为陶瓷粉体与铝合金粉体Ⅱ的混合粉体，其中陶瓷粉体的体积分数为1～45％。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述铝合金粉体Ⅰ和铝合金粉体Ⅱ均为2xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金或7xxx系铝合金，粉体粒径为5～20μm；所述陶瓷粉体为B4C粉体、SiC粉体或Al2O3粉体，粉体粒径为0.5～50μm。其它与具体实施方式一至四之一相同。
所述陶瓷粉体为B4C粉体、SiC粉体或Al2O3粉体，粉体粒径为10～17.5μm。
具体实施方式六：本实施方式一种可设计叠层复合结构装甲板的制备方法具体按以下步骤进行：
一、利用星球式球磨机或V型混料机将陶瓷粉体和铝合金粉体Ⅱ混合均匀，获得硬质层陶瓷颗粒增强铝基复合材料的混合粉体；
二、根据实际需要设计叠层构型，将铝合金粉体Ⅰ和混合粉体交替铺陈于钢模具中，并通过碰撞台震实，在钢模具的底部形成相应叠层构型的待冷压粉体坯料；
三、将待冷压粉体坯料在压力为10～300MPa的条件下冷压成粉坯，然后连同模具放入加热炉中，在温度为550～650℃的条件下保温2～5h，得到热压预制体；
四、将热压预制体从加热炉中取出，在大气环境下以50～700MPa的压力进行热压并保压5～20min，然后空冷至室温后脱模，获得叠层复合结构装甲板热压态坯料；
五、将叠层复合结构装甲板热压态坯料放入电阻炉中，将电阻炉内温度升温到400～550℃，在温度为400～550℃的条件下进行预热并保温1～4h，得到预热后的热压态坯料；
六、对预热后的热压态坯料在压下率为50～70％的条件下进行连续热轧制，然后在温度为330～430℃的电炉中退火，获得多层界面的新型可设计叠层复合结构装甲板。
本实施方式步骤六中当可设计叠层复合结构装甲板轧后发生翘曲时，要进行热矫直与退火。
本实施方式解决了传统单一的金属装甲材料密度高，厚度大，工艺性能较差和抗弹性能有限，以及传统以相和组织在空间均匀分布的金属基复合材料装甲塑韧性较差和损伤容限低的问题。还解决了传统叠层金属复合板制备工艺复杂，层间结合强度低，侵彻易分层等问题，通过一体化制备提升了多层界面结合强度，可以更大程度地发挥叠层复合结构材料中不同组元间的协同、耦合作用，有效分散反射应力波。该可设计叠层复合结构装甲板可设计性强，可根据性能指标进行结构设计，实现最优化配置。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤一中利用V型混料机将陶瓷粉体和铝合金粉体Ⅱ混合均匀，设定转速为150～350rad/min，混料时间为2～8h。其它与具体实施方式六相同。
步骤二中所述钢模具的直径为φ30～φ550mm。
步骤五中将电阻炉内温度升温到450～520℃，在温度为450～520℃的条件下进行预热并保温1～2h。
步骤六中在温度为380～420℃的电炉中退火。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：步骤六中所述连续热轧制为快速连续轧制，轧制速度为0.5～3m/s，轧制道次为2～20，整个轧制过程温度下降30～40℃。其它与具体实施方式六或七相同。
步骤六中所述连续热轧制为快速连续轧制，轧辊直径为250～450mm，轧制速度为0.5～3m/s，轧制道次为4～20，整个轧制过程温度下降30～40℃。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：步骤六中中在进行连续热轧制前采用液态纯铝浇覆在热压态坯料上然后冷却凝固，包套厚度为2～10mm。其它与具体实施方式六至八之一相同。
本实施方式能防止出现边裂与表面裂纹。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是：步骤六中中在进行连续热轧制时在轧辊上涂刷润滑剂。其它与具体实施方式六至九之一相同。
通过以下试验验证本发明的效果：
实施例一：一种可设计叠层复合结构装甲板的制备方法具体按以下步骤进行：
一、利用V型混料机将B4C粉体和6061铝合金粉体分别从V型混料机的两侧填入，设定转速20rad/min和混料时间4～6h，获得硬质层陶瓷颗粒增强铝基复合材料的混合粉体；
二、根据实际需要设计三明治叠层构型，将6061铝合金粉体和混合粉体交替铺陈于直径为φ30～φ550mm的钢模具中，并通过碰撞台震实，在钢模具的底部形成三明治叠层构型的待冷压粉体坯料；
三、将待冷压粉体坯料在压力为100MPa的条件下冷压成粉坯，然后连同模具放入加热炉中，在温度为620℃的条件下保温2～5h，得到热压预制体；
四、将热压预制体从加热炉中取出，在大气环境下以300MPa的压力进行热压并保压5～10min，然后空冷至室温后脱模，获得叠层复合结构装甲板热压态坯料；
五、将叠层复合结构装甲板热压态坯料放入电阻炉中，将电阻炉内温度升温到500℃，在温度为500℃的条件下进行预热并保温1～2h，得到预热后的热压态坯料；
六、对预热后的热压态坯料在压下率为50～70％的条件下进行连续热轧制，轧制道次为4～8次，轧速为1.0m/s，然后在温度为420℃的电炉中退火，获得多层界面的新型可设计叠层复合结构装甲板。
对实施例一所得可设计叠层复合结构装甲板进行性能表征，包括单层材料试样的三点弯曲测试，拉伸测试，叠层材料试样的三点弯曲测试与界面结合拉伸测试；叠层试样的取样，均是以层间界面为界线上下等分不同材料，且叠层试样弯曲测试采用复合材料层在内，铝合金层在外的测试形式，测试结果如表1所示。
表1
从表1可以看出，
(1)叠层复合结构的弯曲强度635MPa介于组份材料B4C/6061Al复合材料和6061Al的弯曲强度(550MPa与665MPa)之间，弯曲位移4.3mm高于组分材料(2.2mm和3.7mm)，表选出优异的综合性能。
(2)叠层复合结构的层间结合强度最高可达到450MPa，远高于组分材料B4C/6061Al复合材料和6061Al的抗拉强度395MPa与365MPa，表选出优异的层间界面结合强度。
本实施例通过大气环境中的热压烧结与热轧制相结合实现铝合金与颗粒增强铝基复合材料叠层构型复合板的一体化制备，工艺简单，成本低；该一体化制备工艺获得的叠层复合板层间结合效果好，有利于发挥不同组分之间的协同、耦合和多功能响应机制，致密度高，综合性能好。本发明的独特之处在于该新型铝合金-铝基复合材料叠层构型复合板的结构设计。该叠层复合板设计巧妙，可以针对性能指标，实现最优化配置，发挥不同材料的性能优点，并且制备工艺新颖，层间结合效果好，利于推广和应用。
Claims (5)
1.一种可设计叠层复合结构装甲板的制备方法，其特征在于可设计叠层复合结构装甲板的制备方法具体按以下步骤进行：
一、利用星球式球磨机或V型混料机将陶瓷粉体和铝合金粉体Ⅱ混合均匀，获得硬质层陶瓷颗粒增强铝基复合材料的混合粉体；
二、根据实际需要设计叠层构型，将铝合金粉体Ⅰ和混合粉体交替铺陈于钢模具中，并通过碰撞台震实，在钢模具的底部形成相应叠层构型的待冷压粉体坯料；
三、将待冷压粉体坯料在压力为10~300MPa的条件下冷压成粉坯，然后连同模具放入加热炉中，在温度为550~650℃的条件下保温2~5h，得到热压预制体；
四、将热压预制体从加热炉中取出，在大气环境下以50~700MPa的压力进行热压并保压5~20min，然后空冷至室温后脱模，获得叠层复合结构装甲板热压态坯料；
五、将叠层复合结构装甲板热压态坯料放入电阻炉中，将电阻炉内温度升温到400~550℃，在温度为400~550℃的条件下进行预热并保温1~4h，得到预热后的热压态坯料；
六、对预热后的热压态坯料在压下率为50~70%的条件下进行连续热轧制，然后在温度为330~430℃的电炉中退火，获得多层界面的新型可设计叠层复合结构装甲板；可设计叠层复合结构装甲板沿厚度方向由韧性材料层和硬质材料层交替排布叠层结合；所述韧性材料层和硬质材料层的层数、厚度根据性能要求和结构效应进行选择；叠层的构型为复层结构、三明治结构或梯度结构；所述韧性材料层为铝合金粉体Ⅰ；硬质材料层为陶瓷粉体与铝合金粉体Ⅱ的混合粉体，其中陶瓷粉体的体积分数为1~45%；所述铝合金粉体Ⅰ和铝合金粉体Ⅱ均为2xxx系铝合金、5xxx系铝合金、6xxx系铝合金或7xxx系铝合金，粉体粒径为5~20μm；所述陶瓷粉体为B4C粉体、SiC粉体或Al2O3粉体，粉体粒径为0.5~50μm。
2.根据权利要求1所述的一种可设计叠层复合结构装甲板的制备方法，其特征在于步骤一中利用V型混料机将陶瓷粉体和铝合金粉体Ⅱ混合均匀，设定转速为150~350rad/min，混料时间为2~8h。
3.根据权利要求1所述的一种可设计叠层复合结构装甲板的制备方法，其特征在于步骤六中所述连续热轧制为快速连续轧制，轧辊直径为250~450mm，轧制速度为0.5~3m/s，轧制道次为2~20，整个轧制过程温度下降30~40℃。
4.根据权利要求1所述的一种可设计叠层复合结构装甲板的制备方法，其特征在于步骤六中在进行连续热轧制前采用液态纯铝浇覆在热压态坯料上然后冷却凝固，包套厚度为2~10mm。
5.根据权利要求1所述的一种可设计叠层复合结构装甲板的制备方法，其特征在于步骤六中在进行连续热轧制时在轧辊上涂刷润滑剂。
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