Титановые сплавы как броневые материалы для средств индивидуальной бронезащиты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Титановые сплавы как броневые материалы для средств индивидуальной бронезащиты

К.т.н. Э.Н. Петрова, В.П. Яньков

В России разработана целая гамма титановых сплавов. ОАО "НИИ стали" на протяжении многих лет была проведена сравнительная оценка существующих титановых сплавов с , +, структурой с целью выбора оптимального сплава для противопульной брони. Было оценено влияние легирования и режимов термической обработки на противопульную стойкость и живучесть титановых сплавов [1].

Была проведена оценка различных режимов термической обработки: режимов отжига, упрочняющей термической обработки: закалка + старение.

Одной из интересных особенностей является то обстоятельство, что титановые сплавы с заданной твёрдостью, за счёт легирования, имеют уровень противопульной стойкости выше и склонность к тыльным отколам меньше, чем термически обработанные на такую же твёрдость.

Полученные результаты показали, что повышение противопульной стойкости достигается в основном за счёт легирования. В качестве противопульной брони наиболее целесообразно использовать титановые сплавы с + структурой после отжига, при котором уровень механических свойств определяется свойствами и фаз, степенью гетерогенности и типом структуры, а -сплава после закалки обработанного на твёрдый раствор.

Применение закалки и упрочняющей термической обработки ведёт к снижению противопульной стойкости титановых сплавов и повышенной склонности к срезу пробки, что связано с максимальным упрочнением + титановых сплавов и резким снижением пластических свойств [2].

Оценка динамической твёрдости Hg высокопрочных титановых сплавов, коррелирующаяся с противопульной стойкостью, показала, что Hg титановых сплавов превосходит уровень стали 77 - Hg/ 90 и 65 соответственно, что позволяет рассчитывать на максимальный выигрыш по весу по сравнению со сталью.

Однако изучение особенностей деформации и разрушения титановых сплавов при динамическом нагружении показало, что титановые сплавы более склонны к высокой локализации пластической деформации, при этом происходят структурные изменения: двойникование, наличие белых полос, возможность фазовых превращений рис. 1.

Рисунок 1. Влияние легированности -стабилизаторами на противопульную стойкость и живучесть титановых сплавов:

I - сплавы с низкой противопульной стойкостью (в65 кг/мм²);

II - сплавы со средним уровнем противопульной стойкости (в90 кг/мм²);

III - сплавы с низкой противопульной стойкостью (в110 кг/мм²);

локализация деформации образование трещин

полосы адиабатического сдвига

Особенности микроструктуры титанового сплава при внедрении индентора (V_уд ~750 м/с)

Срез пробки на титановом сплаве (1/3 от толщины преграды)

Бесструктурная область в зоне удара сплава ВТ6

Рисунок 2.

На рис. 2 показано, что при внедрении пули только на 1/3 толщины титанового проката происходит «срез пробки», что не позволяет реализовать высокую динамическую твёрдость титановой брони.

Повышенная склонность к срезу пробки связана с локализацией деформации, заключающейся в облегчении процессов сдвига по плоскостям лёгкого скольжения и двойникования, что определяется кристаллографическим механизмом деформации титановых сплавов.

Широкая оценка противопульной стойкости титановых сплавов различными средствами показала перспективность применения титановых сплавов для брони как для машин лёгкой весовой категории, так и для средств индивидуальной бронезащиты (СИБ), так как позволяет снизить вес изделий на 15…20% в сравнении со стальным исполнением.

Таблица 1

Сравнительные характеристики защитных структур бронежилетов с применением титановых сплавов

Рисунок 3. Распределение твердости по глубине поверхностно-упрочненного слоя пластин сплава ВТ23 после различных режимов старения:

- 540°С, 30 мин.

- 570°С, 30 мин.

- 600°С, 30 мин.

Применение титана для средств индивидуальной защиты имеет длительную историю (табл. 1). Еще в 1971 г. ОАО «НИИ стали» был разработан в интересах МВД бронежилет, ЖЗТ71М, защищающий от пистолетных и ружейных пуль из упрочненного титанового сплава ОТ4-О по специальной технологии. В 1980 г. был разработан противоосколочный бронежилет 6Б2. Требования защиты от автоматов (АКМ, АК-74 с дистанции 0…25 м) при минимальной массе потребовало повышения механических свойств титанового сплава. Наилучшей стойкостью обладает сплав ВТ23. Однако повышение его прочности свыше 1000 МПа, приводит к хрупкому разрушению, что понижает сопротивляемость преграды ударному воздействию. Требовалось создать гетерогенную титановую броню с лицевым высокотвёрдым слоем и вязким тыльным, что позволит избежать хрупких разрушений.

В ОАО «НИИ Стали» совместно с ФТИ АН Беларуси разработан новый способ высокочастотной поверхностной закалки тонкостенных титановых элементов (толщ. 6,0…7,0 мм) на глубину 1,5…3 мм. На рис. 3 показано распределение твердости по глубине поверхностно-упрочненного слоя. Разработаны режимы нагрева при формообразовании объема и поверхностно упрочненных элементов, позволившие повысить твердость лицевого слоя до 47…48 ед. HRC, тыла 32…36 ед. при удовлетворительной живучести. Указанные разработки позволили создать модификации бронежилетов 6БЗТ, 6БЗТ-01, 6Б5 обеспечивающих защиту 3 класса ГОСТ РФ в толщине 6,5±0,2 мм.

Таблица 2

Бронешлемы 2-го класса защиты (ГОСТ Р 50744-95)

Разработки гетерогенного титана применены при создании бронежилета 6Б12 в приемлемой массе, обеспечивающей защиту по 5, 5а классам ГОСТ РФ.

Наряду с разработкой БЖ с титановыми элементами ОАО «НИИ стали» по ТТЗ силовых структур разработало серию комбинированных бронешлемов: титан + тканево-полимерный подпор с различными массовыми и защитными характеристиками (табл. 2), для изготовления которых в ОАО «НИИ стали» совместно с НИАТ создана уникальная технология холодной вытяжки пластичным металлом. Задача снижения массы бронешлемов является чрезвычайно актуальной.

В настоящее время для изготовления титановых шлемов методом вытяжки пластичным металлом применяются титановые сплавы с прочностью не более 65 кг/мм². Чтобы получить большую противопульную стойкость, необходимо повысить твердость титанового сплава с одной стороны и пластичность с другой.

Замена титанового сплава с _В ~ 65 кг/мм² на высокопрочный сплав с _В > 100 кг/мм² с высокой пластичностью не менее 30% позволяет увеличить общую энергоемкость комбинированной преграды и обеспечить значительный деформированный объем.

ОАО «НИИ стали» впервые разработал технологию получения шлема из высокопрочного титанового сплава, при этом экономия по массе составляет 300 г (рис. 4). Дальнейшими путями совершенствования комбинированных шлемов является оптимизация структуры лицевого и тыльного слоев, режимов, термопластической деформации, комбинаций различных тканей, с целью снижения массы _итамов, обеспечивающих II класс защиты по российскому ГОСТу до 2,0 кг.

Рисунок 4. Шлем из титанового сплава

Перспективы применения титановых сплавов связаны с комбинацией _итановой брони в сочетании с алюминием для машин ЛКМ, что позволит повысить защиту при небольшим увеличении веса.

С целью дальнейшего повышения баллистических свойств титана могут быть использованы алюминиды титана, обладающие высоким модулем упругости и малой плотностью.

Проведенные как за рубежом, так и в России работы по созданию экономно-легированных титановых сплавов оказывают, что броневые свойства таких сплавов не хуже стандартного сплава Тi-6Аl-4, однако на 20% дешевле листа аэрокосмического качества. Это делает применение титана более широким как для защиты от бронебойных пуль, так и снарядов БПС с удлиненным и вольфрамовым сердечниками, так как титан на 60% эффективней по сравнению с равновесомой катаной гомогенной стальной броней. бронежилет титановый сплав закалка

В последнее время по данным исследовательских центров США активизированы научные исследования в области поверхностного упрочнения изделий из алюминиевых и титановых сплавов с целью создания в поверхностном слое, т. Н. нанокристаллических структур, с высокими характеристиками прочности. Нанометрический слой толщиной 0,7…1 мм получен методом ротационного трения.

В России ведутся работы по созданию градиентных материалов с применением аморфных сплавов на основе титана, наноструктурных материалов. Новые материалы на основе нанотехнологий могут принципиально изменить классическую технику бронирования.

Литература

1. Петрова Э.Н., Чухин Б.Д., Яньков В.П. «Особенности взаимодействия средств поражения с броней СИБ». ВОТ, серия 16, выпуск 3-4, 2003 г.

2. Каннель Г.И., Петрова Э.Н. «Прочность титана ВТ6 в условиях ударно-волнового нагружения». Материалы II Всесоюзного совещания по детонации, 1981 г.

Размещено на Allbest.ru