新一代地面作战平台装甲钛合金技术探析③
成本问题是关键
正如前文所述,要实现新一代坦克装甲车辆高防护力轻量化的设计目标,扩大装甲钛合金材料的应用被认为是重要的技术途径之一。更有观点认为,装甲钛合金是新一代坦克装甲车辆唯一可选材料。然而和钢相比,装甲钛合金高昂的成本是其广泛应用的最大阻碍,目前限制装甲钛合金在新一代坦克装甲车辆上更大规模工程化应用的最大问题就是成本。近年来,世界主要钛合金生产国包括美国、日本、俄罗斯、中国等,这些国家都开展了低成本钛合金及其制备技术的研究。采用传统工艺制备装甲钛合金板材,其成本构成中原材料约占45%,铸锭熔炼约占20%,轧制成形约占27%,其他费用约占8%。因此降低原料成本、缩短铸锭熔炼与轧制成形等加工流程是降低装甲钛合金制造成本的有效途径。使用廉价原材料(合金元素)的合金设计技术路径主要是通过添加廉价的Fe元素以及放宽间隙元素O含量等途径来降低成本,同时获得良好的力学性能与抗弹性能。比如,美国Timet公司采用Fe元素代替V元素研发出低成本装甲钛合金Timetal 62s(Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si),其抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为1040兆帕、990兆帕和15%,并且成本比Ti-6Al-4V合金低约25%。该公司还研发出低成本装甲钛合金Timetal LCB(Ti-1.5Al-6.8Mo-4.5Fe),其冷加工和热加工性能优异,力学性能与抗弹性能优于Ti-6Al-4V合金,并且成本比Ti-6Al-4V合金低约22%。美国RMI公司采用适当放宽间隙元素O含量的方法制造出38.1毫米厚的低成本装甲钛合金Ti-6Al-4V-0.3O板材,其抗拉强度、屈服强度和抗弹极限速度分别为1014兆帕、931兆帕和1046米/秒,而相同厚度的Ti-6Al-4V合金分别为972兆帕、883兆帕和1001米/秒;美国ATI公司采用Fe元素代替V元素以及放宽间隙元素O含量的技术,研制出低成本装甲钛合金ATI 425(Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O),其力学性能与抗弹性能满足军用标准MIL-T-46077G的要求,成本比Ti-6Al-4V合金低约20%。除此之外,澳大利亚DSTO公司研发了低成本装甲钛合金Ti-8Al-1Mo-1V,其密度低于Ti-6Al-4V合金,力学性能和焊接工艺性能均占优;俄罗斯研发了低成本装甲钛合金VST3553+0.6Zr,其抗弹性能与Ti-6Al-4V合金相当。日本公司对低成本钛合金研发也开展了大量的工作,Ti-Fe-O-N系列钛合金是典型低成本钛合金之一,该类合金采用O元素和N元素代替Ti-6Al-4V合金的Al元素,Fe元素代替Ti-6Al-4V合金的V元素,该合金可加工性良好,性能优异,成本明显低于Ti-6Al-4V合金。在降低合金制造成本和减少损耗方面,日本发展了超塑性钛合金Ti4.5Al-3V-2Mo-2Fe,即SP-700钛合金。该合金可以在低于800摄氏度温度下采用超塑成形和扩散连接技术,超塑性成形温度显著低于Ti-6Al-4V合金,从而降低了生产成本。

改善加工特性的加工设计是降低装甲钛合金在新一代坦克装甲车辆上更大规模工程化应用成本的另一个有效途径。这实际上是指装甲钛合金的低成本合金化工艺技术。比如,美国陆军在2004年的制造技术计划中提出发展地面战车用低成本高强度钛合金材料技术的6年计划,应用对象是未来战斗系统(FCS)车身和炮塔、“斯特赖克”战车炮塔等装甲件以及海军陆战队新一代轻型装甲战车用结构件等。该计划的主要内容是开发低成本的熔炼、铸造、锻造和焊接工艺技术,使钛合金材料成本减少35%以上,主要制造成本减少50%。虽然作为计划主体的FCS最终流产,但美国陆军仍在返回料添加、冷床炉单次熔炼与扁锭直接轧制等装甲钛合金低成本制造技术方面取得了显著进展,并实现了工程化应用。返回料添加是指,在钛合金的生产过程中,由于其加工难度较大、成品率较低,会产生大量的残料。其中,板材成品率为40%~70%,棒材成品率为50%~85%,管材成品率仅为20%~40%。钛合金残料主要包括切削残料、块状残料、长条状边角料、铸锭帽口、圆饼残料等,其成本约为海绵钛的1/3。由于海绵钛成本在钛合金板材成本中约占40%,因此将钛合金残料回收处理后,在熔炼过程中作为返回料替代海绵钛进行大量添加,可以大幅降低钛合金原料成本。传统钛合金熔炼过程中普遍采用2~3次的熔炼,从而保证铸锭质量以及合金成分的均匀性。美国首先开发了以电子束冷床炉(EBCHM)熔炼技术为代表的单次冷床炉熔炼技术。该技术能够有效去除高密度夹杂、减少低密度夹杂、提高成分均匀性,因此可以在熔炼过程中大量添加返回料。同时,在钛合金板材制造过程中,可以通过结晶器设计制备出扁锭直接用于后续轧制成形。大体来讲,冷床炉精炼的主要优点有三:一是比较好地消除高密度和低密度夹杂,获得细晶和组织均匀的锭坯;二是可100%地利用残料作原料;三是对某些用途可一次熔炼成锭,生产扁锭、空心锭等,以减少板材与管材生产时的后续加工量。美国采用电子束冷床炉单次熔炼技术,制备出了12.7~76.2毫米的Ti-6Al-4V钛合金板材,并于2014年修订了电子束冷床炉单次熔炼技术制备的板材标准AMS6945A《Titanium Alloy,Single Melt, Sheet,Strip, and Plate 6Al-4V Annealed》。美国陆军研究评估了用于陆军地面战车的电子束冷床炉单次熔炼装甲钛合金Ti-6Al-4V板材,其拉伸力学性能和断裂韧性不低于传统工艺制备的装甲板,且抗弹性能满足美军标MIL-DTL-46077F要求。另外,在钛合金板材的制造过程中,采用电子束冷床熔炼制备的扁锭可直接进行轧制,省去了传统工艺圆锭开坯、多火次锻造等大量工序,大幅缩短了制造流程,降低了能耗与加工成本,并且制备的板材质量和性能稳定,提高了成品率。与“海绵钛+真空自耗炉2~3次熔炼+多火次锻造开坯+多道次轧制工艺”的传统钛合金板材制造技术相比,“返回料添加+冷床炉单次熔炼+扁锭短流程直接轧制工艺”的低成本制造技术,通过大量添加返回料可使原材料成本降低约40%,采用单次电子束冷床炉熔炼技术与扁锭直轧制短流程技术可以使材料损失降低约20%,人工和电力消耗降低约20%,综合成本可以降低30%以上。还需要指出的是,发展精密铸造技术,海绵钛要在真空中电弧重熔,一般要经2次熔炼甚至3次熔炼才能得到纯度和显微组织适宜的钛或合金。因此,通过(熔模)精密铸造等近净成形工艺来取代熔炼铸锭(一般占钛材总成本的15%)的工序成为降低成本的另一条有效途径。连铸连轧技术可以降低能耗、提高生产效率和产品成材率、改善产品均匀性,已成功用于钢材和铝材的生产。2014年,日本金属材料研究所进行了钛合金的连铸连轧工艺的基础实验。研究表明,钛具有优良的热塑性和低的热强度(1 200 K以上),高温加工性能比钢好,只要在相变温度点以上不发生弯曲变形,就可用传统的连铸连轧设备进行加工。这一研究成果进一步降低了装甲钛合金构件制造的工艺成本。

技术前景展望

业内主流观点认为,下一代主战坦克,将战斗全重控制在50吨以内的轻量化控制是关键。然而,要令50吨以内的主战坦克,在防护力和战场生存力方面仍要达到70吨级主战坦克相一致的水平,仅仅依靠软防护手段和“战利品”这样的主动防护手段来进行防护增强是不够的。在很大程度上,基本装甲材料性能的进步是达到这一目标的重要保证。钛合金材料作为典型结构车体主体材料,相比铝合金材料在抗弹性能、承载性能、耐腐蚀性能、减重等方面具有显著优势,符合未来装甲车辆的轻量化研制趋势需要。目前,主要军事工业国家已经开始尝试用低成本装甲钛合金材料试制地面作战平台车体。比如,BAE系统公司和GE公司各自推出了其以低成本钛合金材料为基体装甲和关重结构件的原型车。即BAE系统公司的油电混动轮式电动装甲原型车“Pegasus”,其车首和车体框架使用低成本钛合金焊接而成。GE公司的高机动性多用途轮式装甲车原型车车体全部由低成本ATI425钛合金焊接而成。但总体看来,国外钛合金的应用与其他材料相比较仍然有差距,在坦克装甲车辆上的应用还不是很广,大型结构件还没有应用钛合金。这就说明钛合金的性能、工艺和成本问题仍然是制约其应用的障碍,所以世界各国仍然在投入人力和物力开展钛合金及其低成本技术的研究。前文说过,当前美国装甲钛合金军用标准MIL-D-46077G中,将装甲钛合金材料划分为4个级别,从材料特性及发展应用情况来看,级别1主要用于航空结构主承力件,断裂韧性很高,可达90兆帕/平方米以上,但是抗弹性能较低,美军1994年以前试图推广用于装甲结构件;级别2主要用于航空结构次承力件,断裂韧性较高,可达50兆帕/平方米以上,但是抗弹性能不足,美军1998年以前曾用于装甲结构件;级别3主要用于装甲结构件,抗拉强度较高,达950兆帕以上,并且抗弹性能良好,美军1998年后开始应用于装甲装备;级别4是在级别3的基础上研发,主要用于装甲结构件,抗拉强度更高,达1 050兆帕以上,并且抗弹性能优异。整体上,从美国装甲钛合金发展的趋势来看,级别3与级别4为优选的装甲钛合金材料,其中,级别4中的高氧容限低成本装甲钛合金ATI 425可实现大量添加返回料、电子束冷床炉单次熔炼与扁锭直接轧制技术进行制造,其成本较低、综合性能良好、技术成熟度较高、工程化应用较广。

结语

钛作为重要的稀有金属材料之一,被广泛应用于冶金、石油化工、医疗器械等各个领域。钛金属和钛合金因密度小、比强度高、抗腐蚀性强,成为航空航天和兵器领域不可或缺、举足轻重的材料。与传统装甲钢相比,装甲钛合金是装甲装备改造升级和新一代装甲装备研制过程中实现轻量化与强防护的优选材料。当前,在各主要军事工业国家,装甲钛合金低成本合金化技术和低成本制造技术方面取得了显著进展,从而实现了在多种主战坦克、步兵战车等不同型号装甲装备上的工程化应用。如在M1A2主战坦克上用钛合金取代了七大钢部件:回转炮塔板、核战、生物化学武器对抗系统护板、炮手主瞄准具罩、发动机顶盖、炮塔枢轴架、指挥舱盖、车长热像观察仪罩。用钢制的这些构件的总质量1591千克,改为钛合金之后,总质量下降到1116千克,减轻了近30%。M2步兵战车的指挥舱盖和顶部攻击装甲原是用铝合金锻造的,后改用100~127毫米Ti-6Al-4V合金板制造,攻击装甲则用80毫米厚的钛合金板制造,它们的质量比钢件的轻35%。但是,装甲钛合金的较高成本仍限制了其在装甲装备中的大规模工程化应用。目前日本、美国、中国、俄罗斯等国家都在大力发展钛及钛合金在装甲防护的更大规模工程化应用研究,力争研发出成本接近于装甲铝合金材料,能够用于坦克装甲车辆大部分结构件制造的装甲钛合金材料,从而为下一代装甲地面作战平台的研发铺平道路。

第六弹 zr像蝴蝶一样张扬个性的美
网络上总说遇事不着急先发疯 也说勇敢的人先享受世界 还说大胆点 你的生活没那么多观众 但现实生活中可能没多少人能做到 我觉得她是一个[哇] 她是一个直性子的人 也很义气 初中的时候 我和一些男生吵架 我还没反应过来 她已经冲上去替我“报仇”了[偷笑][开学季]我们都很爱出去玩 更爱一起出去吐槽 没错就是1分钟骂800个人那种 [哈哈]她也是多变的 很敢尝试一些新的东西 我觉得勇气真的很珍贵 酷酷的小女孩 一直酷下去吧[酷][赢牛奶]

#风景[超话]#
天台拍照跟日落更配哦!
其实是在隧道上面的比较偏僻的人行道,原本要去的隧道下班高峰期太多车流不太就在附近的的地方随便拍了。(其实有日落随便一个天台拍照应该都是这个效果)
地点:嘉禾望岗b口出站后定位松园路
相机:卡西欧zr65(p1-3)
佳能(p4-5)我朋友的
#风景##佳能ccd#


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