CN116336870A - 一种异质金属叠层复合装甲及其制备方法 - Google Patents

一种异质金属叠层复合装甲及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异质金属叠层复合装甲及其制备方法，包括以下步骤：A、分别制备不同的异质金属基元，并沿厚度方向叠置；B、将叠置后的异质金属基元界面四周进行真空封装；C、通过叠锻和保温扩散处理实现异质金属界面的冶金结合；D、通过锻造和精轧得到特定规格的异质金属叠层复合装甲。本发明以高强度金属作为面板、以高韧性金属作为背板，两种金属中至少一种为高比强度材料，通过叠锻和保温扩散处理使异质金属界面实现强冶金结合，并结合后续锻造和精轧工艺制备具有优异抗弹性能的轻质金属复合装甲板，提高了装甲的抗多发弹打击能力和综合防护性能，解决了异质材料界面结合强度弱的问题。

Description

一种异质金属叠层复合装甲及其制备方法
技术领域
本发明涉及装甲防护技术领域，特别涉及一种异质金属叠层复合装甲及其制备方法。
背景技术
防护装甲对提升武器装备和作战人员的战场生存能力至关重要。目前常用的装甲结构主要有两种，一种是由单一材料组成的装甲结构，如装甲钢、钛合金、铝合金等；一种是由不同材料通过复合工艺制备的装甲结构，如陶瓷、有机物、纤维增强复合装甲。现代战争中复杂的战场环境不仅要求装甲具有优异的防弹性能，还要兼具轻质性以提升装备的机动性能。单一均质装甲材料中，装甲钢密度大，无法满足装甲轻量化的要求。铝合金虽然密度低，但强度也低，铝合金装甲需要增大厚度以达到同等防护力，导致装甲整体减重效果不明显。钛合金比强度高，是理想的轻质装甲材料。但钛合金种类多样，力学性能受组织影响显著。单一均质钛合金难以兼顾强度和韧性以提升装甲的综合防护性能。复合装甲由多种不同性能的材料通过一定的方式组合在一起，与单一材料制备的装甲相比具有更优异的防护性能和减重效果。然而现有复合装甲存在异质材料界面结合弱的问题，无法充分发挥不同材料的性能优势，如陶瓷复合装甲断裂韧性低，在弹体冲击载荷作用下易产生破裂和飞溅，抗多发弹打击能力弱，纤维增强复合材料强度低，弹击后背凸严重，对非贯穿性损伤的防护效果较差。因此，制备高比强度、界面强冶金结合的复合材料成为解决以上难题的关键。
中国专利CN111043909A公开了一种Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲及其制备方法，其技术方案大致为：(1)将TC4箔、Al箔预处理后，按照TC4-Al-TC4顺序叠层，然后真空热压烧结，得到Ti-AlTi叠层材料；(2)将TC4箔、Al箔按照TC4-Al-TC4顺序叠层，得到Ti-Al3Ti-Al叠层材料；(3)将处理过的Al箔放在Ti-AlTi叠层材料和Ti-Al3Ti-Al叠层材料中间，利用TC4箔材整体封装后在石墨模具中进行扩散焊连接，即得。该专利技术采用扩散焊连接的方式，可充分利用不同材料的性能优势，提高复合装甲抗侵彻性能。然而，该专利技术工艺流程繁琐，且异质材料界面的冶金程度弱，弹孔附近存在明显的分层现象，导致其在面对多发弹时综合防护效果差。
中国专利CN106180729A公开了一种制备金属封装金属间化合物基叠层复合装甲的方法，其技术方案大致为：(1)对Ti箔和Al箔进行表面处理，然后交替叠加并进行冷轧处理；(2)冷轧后使用Ti箔进行包套封装，然后抽真空；(3)抽真空后进行热压烧结即得。该专利技术将冷轧和热压烧结联合起来制备新型金属封装金属间化合物基叠层复合装甲，得到的复合装甲具有较高的抗侵彻能力。然而，该专利技术并没有很好地解决异质材料界面结合弱的问题，在子弹侵彻过程中容易发生分层现象，无法充分发挥不同材料的性能优势。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，结合轻质金属材料和复合结构材料的优势，提供一种异质金属叠层复合装甲及其制备方法，本发明以高强度金属作为面板、以高韧性金属作为背板，两种金属中至少一种为高比强度材料，通过叠锻和保温扩散处理使异质金属界面实现冶金结合，并结合后续锻造和精轧工艺制备具有优异抗弹性能的轻质金属复合装甲板，提高了装甲的抗多发弹打击能力和综合防护性能，解决了异质材料界面结合强度弱的问题。
本发明采用的技术方案如下：一种异质金属叠层复合装甲制备方法，包括以下步骤：
A、分别制备不同的异质金属基元，并沿厚度方向叠置；
B、将叠置后的异质金属基元界面四周进行真空封装，得到异质金属毛坯，以使毛坯中间的界面处于真空状态；
C、通过叠锻和保温扩散处理实现异质金属界面的冶金结合，得到异质金属锻坯；
D、通过锻造和精轧得到特定规格的异质金属叠层复合装甲。
在本发明中，所述异质金属基元之间具有不同的性能，例如一个具有高强度性能特点，一个具有高韧性特点，且分别满足复合装甲面板和背板的性能要求。进一步，异质金属基元为锻造或轧制得到的金属块体或金属厚板。
在本发明中，利用铣床加工等长等宽的异质金属面板和背板，其中高强金属面板和高韧金属背板基元的厚度比例约为2:3，总厚度大于精轧后装甲板厚度的2倍以上，并利用金刚石角磨机对待结合面进行打磨处理，最后利用丙酮等有机溶剂进行清洗。
进一步，在本发明的步骤B中，先将打磨清洗后的异质金属基元沿待结合面进行叠置，界面缝隙要求小于0.2mm，利用真空电子束焊机在真空室内对界面四周进行封焊得到异质金属毛坯，真空室内的真空度要求在0.01Pa以下，界面焊接深度在10-15mm。如果焊接深度过浅，则可能导致界面在变形过程中开裂，反之，若焊接深度过深，则界面熔化区域过多，熔化区域属于组织较差的区域，在后续精轧后会去掉，过深会导致去掉的太多，浪费材料。
进一步，在步骤C中，叠锻和保温扩散处理包括锻前加热、锻造和锻后保温扩散处理。
进一步，对封装后的异质金属毛坯进行叠锻前的加热均温处理，锻前加热温度为0.6-0.8Tm，其中，Tm为异质金属中较低熔点金属的熔点，单位为℃，加热温度选择两种金属的锻造温度中较低的温度，以避免其组织严重粗化。
进一步，对异质金属毛坯加热均温处理后，将其放置于锻压机操作平台上，沿垂直界面方向进行压缩变形。其中，当异质金属基元是金属块体时，锻造时沿异质金属基元厚度方向，采用整体镦粗变形工艺进行单道次变形(多道次变形会导致试样温降大，结合效果变差，而采用单道次变形能够很好地规避该问题)，变形量30％以上；当异质金属基元是金属厚板时，受限于压机吨位，锻造时采用拔长式逐段变形，每段累计变形量30％以上，最后得到异质金属锻坯。
进一步，锻后保温扩散处理包括：将锻造得到的异质金属锻坯回炉保温处理，保温温度与锻前加热温度相同，保温时间为6-12h，得到异质材料界面强冶金结合的异质金属叠锻坯料。
进一步，本发明还包括一种异质金属叠层复合装甲，所述异质金属复合装甲通过上述制备方法制备得到。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的异质金属叠层复合装甲通过将高比强度的高强度金属和高韧性金属复合，充分利用不同金属的力学性能优势，实现装甲轻量化和优异的综合抗弹性能；
2、所述的异质金属叠层复合装甲制备方法通过叠锻和保温扩散处理工艺实现异质金属界面的强冶金结合，克服了传统异质复合装甲界面结合弱、抗多发打击能力弱的劣势，制备的复合装甲综合防护性能得到有效提升；且金属复合装甲制备过程工艺简单，易于成形和机加工，适用于工业化生产和各种结构形式的装甲制备。
附图说明
图1是本发明制备的异质金属复合装甲结构示意图；
图2异质金属厚板复合装甲制备工艺流程图；
图3是实施例1制备的异质钛合金厚板金属复合装甲的TC4和Ti386异质钛合金界面微观组织。
图中标记：1为高强度金属面板，2为高韧性金属背板。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种异质钛合金厚板金属叠层复合装甲，其制备方法包括如下步骤：
S1、选择高比强度的钛合金作为复合装甲金属材料，满足装甲结构轻量化的要求，例如选择高强度的亚稳态β型钛合金Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr-0.2O-0.1C(Ti386，Rm＝1600MPa)和高韧性的双相钛合金Ti-6Al-4V(TC4，KIC＝66MPa·m1/2)分别作为面板和背板材料(如图1所示)，然后分别切取规格为280×360×15mm的Ti386基元和280×360×30mm的TC4基元；
S2、利用铣床加工Ti386基元和TC4基元表面，去除表面污染物层，利用金刚石角磨机分别打磨Ti386和TC4的一个待结合面280×360mm，去除表面氧化膜，露出新鲜基体金属，并利用丙酮清洗干净(如图2a所示)；
S3、将Ti386基元和TC4基元沿待结合面进行叠置，得到280×360×45mm的叠置金属坯料，利用真空电子束焊机在真空室内对叠置金属坯料的界面四周进行封焊，得到异质金属毛坯，真空室内的真空度为0.01Pa，焊接深度14mm(如图2b所示)；
S4、对异质金属毛坯进行锻前加热，加热温度为950℃，到温后的保温时间为2h(如图2c所示)；
S5、对加热均温后的异质金属毛坯进行叠锻，将坯料放置于锻压机操作平台上，沿坯料高度方向进行拔长式逐段变形，压下异质金属毛坯总高度的30％，变形后得到尺寸约为500×320×25mm的异质金属锻坯(如图2d所示)；
S6、对异质金属锻坯进行保温扩散处理，将异质金属锻坯回炉进行保温扩散，保温温度950℃，到温后的保温时间为12h(如图2e所示)；
S7、将保温扩散处理后的异质金属锻坯精轧成厚度为12mm的板材(如图2f所示)，并利用矫直机对异质金属板进行矫直(如图2g所示)，经机加工后得到异质钛合金叠层复合装甲板(如图2h所示)。
实施例1制备的异质钛合金复合装甲板的TC4和Ti386异质钛合金界面微观组织如图3所示，在图3中，TC4和Ti386异质钛合金界面上未发现有界面结合空隙，由此说明两者实现了界面冶金结合。
实施例2
一种异质钛合金厚板金属叠层复合装甲，其制备方法包括如下步骤：
S1、选择与实施例1相同的实验材料，区别在于基元规格不同，即分别切取规格为150×150×80mm的Ti386块体基元和150×150×120mm TC4块体基元。
S2、利用铣床加工Ti386基元和TC4基元表面，去除表面污染物层，利用金刚石角磨机分别打磨Ti386和TC4的一个待结合面150×150mm，去除表面氧化膜，露出新鲜基体金属，并利用丙酮清洗干净；
S3、将Ti386基元和TC4基元沿150×150mm的待结合面进行叠置，得到150×150×200mm的叠置金属坯料，利用真空电子束焊机在真空室内对叠置金属坯料的界面四周进行封焊，得到异质金属毛坯，真空室内的真空度为0.01Pa，焊接深度14mm；
S4、对异质金属毛坯进行锻前加热，加热温度为950℃，到温后保温3h；
S5、对加热均温后的异质金属毛坯进行叠锻，将坯料放置于锻压机操作平台上，沿坯料高度方向进行单道次镦粗变形，压下异质金属毛坯总高度的40％，变形后得到尺寸约为190×190×120mm异质金属锻坯；
S6、对异质金属锻坯进行保温扩散处理，将异质金属锻坯回炉进行保温扩散，保温温度950℃，到温后的保温时间为12h，并将其改锻成规格为350×200×60mm的异质金属坯；
S7、将保温后的350×200×60mm异质金属锻坯精轧成厚度为12mm的板材，并利用矫直机对异质金属板进行矫直，经机加工后得到异质钛合金叠层复合装甲板。
对比例1
对比例1与实施例1相同，其不同之处在于，在进行拔长式逐段变形时，压下异质金属毛坯总高度的20％。
对比例2
对比例2与实施例1相同，其不同之处在于，在步骤S3中，焊接深度为8mm。
对比例3
对比例3与实施例1相同，其不同之处在于，在步骤S4中，将异质金属毛坯置于热压炉中，施加6MPa压力，采用实施例1相同的升温速率至950℃，保温15h，然后随炉冷却，即得。
对比例4
对比例4与实施例2相同，其不同之处在于，在步骤S3中，使用100μmTC4箔材对叠置金属坯料进行封装并抽真空，坯料界面真空度为0.01Pa，得到真空封装体，然后再对真空封装体进行单道次镦粗变形。
对比例5
对比例5与实施例2相同，其不同之处在于，在步骤S5中，进行2道次镦粗变形，第一道次压下异质金属毛坯总高度的20％，第二道次压下异质金属毛坯总高度的20％，总共压下异质金属毛坯总高度的40％。
试验结果
对上述实施例和对比例得到的异质金属复合板分别进行关于界面冶金结合程度的拉伸实验和关于复合板抗弹性能的靶试实验，试验用枪为53式7.62mm弹道枪，发射7.62mm口径的穿甲弹，实验距离为10m，垂直侵彻。根据GJB59.18-88对靶板损伤级别进行分析，靶板损伤级别分为8级，1至4级为合格损伤，5至8级为不合格损伤，具体分级如表1所示，复合板的拉伸实验结果和靶试损伤结果如表2所示。
表1靶板损伤级别的评定标准
Figure BDA0004125821970000081
Figure BDA0004125821970000091
表2实施例和对比例试样相关性能试验结果
Figure BDA0004125821970000092
由表1可得：
(1)、在拉伸实验中，实施例1和实施例2的抗拉强度均达到920MPa，且试样均在TC4基体一侧断裂，证明界面的抗拉强度高于基体，而对比例1-5的抗拉强度明显低于实施例1和实施例2，且试样均在界面处断裂，由此说明，本发明的方法实现了异质金属界面的强冶金结合；同时，靶试实验中，在弹速为467m/s时，实施例1和实施例2的背板无凸起，靶板为1级损伤，在弹速为495m/s时，实施例1和实施例2的背板形成凸起，达到2级损伤，在弹速为524m/s时，背板出现裂纹，达到4级损伤，而在同等条件下，对比例1-5的靶试实验结果均明显不如本发明的实施例1和实施例2。而均质的TC4装甲板在弹速为467m/s时背面即形成凸起和裂纹，达到4级损伤，在弹速为495m/s时即被打穿，达到8级最大损伤。由此说明，本发明制备的异质金属复合板整体防护效果远比均质装甲板优异。
(2)、将实施例1与对比例1对比得到，当变形量不足时，得到的异质金属复合板的界面抗拉强度明显下降，靶试实验中的抗弹效果变差，由此说明，在进行锻造时，变形量不足会影响异质金属复合板的冶金结合效果，进而影响复合板整体的防护效果；
(3)、将实施例1与对比例2对比得到，当焊接深度不足时，得到的异质金属复合板的抗拉强度明显下降，靶试实验中的抗弹效果变差，由此说明，界面焊接深度会影响异质金属界面的冶金结合强度，从而影响整体防护效果；
(4)、将实施例1与对比例3对比得到，采用现有的热压烧结方式，其防护提升效果难以与本发明采用的叠锻和保温扩散处理防护提升效果相比；
(5)、将实施例2与对比例4对比得到，采用现有的真空包套封装方式，其防护提升效果明显不及本发明采用的真空封焊防护提升效果；
(6)、将实施例2与对比例5对比得到，采用多道次镦粗变形的防护提升效果不及采用单道次镦粗变形的防护提升效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种异质金属叠层复合装甲的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、分别制备不同的异质金属基元，并沿厚度方向叠置；
B、将叠置后的异质金属基元界面四周进行真空封装；
C、通过叠锻和保温扩散处理实现异质金属界面的冶金结合；
D、通过锻造和精轧得到特定规格的异质金属叠层复合装甲。
2.如权利要求1所述的异质金属叠层复合装甲的制备方法，其特征在于，在步骤A中，所述异质金属基元之间具有不同的性能，且分别满足复合装甲面板和背板的性能要求，异质金属基元为锻造或轧制得到的金属块体或金属厚板。
3.如权利要求2所述的异质金属叠层复合装甲的制备方法，其特征在于，在步骤A中，异质金属基元之间等长等宽，沿厚度方向叠置后的总厚度不小于精轧得到的异质金属复合装甲厚度的2倍。
4.如权利要求3所述的异质金属叠层复合装甲的制备方法，其特征在于，在步骤A中，异质金属基元的制备包括表面机加工、待结合面的打磨处理和有机溶剂清洗。
5.如权利要求4所述的异质金属叠层复合装甲的制备方法，其特征在于，在步骤B中，采用真空电子束焊机对叠置后的异质金属基元界面四周进行真空封焊，以实现真空封装。
6.如权利要求1-5任一所述的异质金属叠层复合装甲的制备方法，其特征在于，在步骤C中，叠锻和保温扩散处理包括锻前加热、锻造和锻后保温扩散处理。
7.如权利要求6所述的异质金属叠层复合装甲的制备方法，其特征在于，锻前加热温度为0.6-0.8Tm，其中，Tm为异质金属中较低熔点金属的熔点，单位为℃。
8.如权利要求6所述的异质金属叠层复合装甲的制备方法，其特征在于，锻造处理包括：当异质金属基元是金属块体时，锻造时沿异质金属基元厚度方向单道次变形，变形量30％以上；当异质金属基元是金属厚板时，锻造时采用拔长式逐段变形，每段累计变形量30％以上。
9.如权利要求6所述的异质金属叠层复合装甲的制备方法，其特征在于，锻后保温扩散处理包括：将锻造得到的异质金属锻坯回炉保温处理，保温温度与锻前加热温度相同，保温时间为6-12h。
10.一种异质金属叠层复合装甲，其特征在于，所述异质金属叠层复合装甲通过上述权利要求1-9任一所述的制备方法制备得到。
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