1、鈦合金的發展
隨著當前武器裝備快速全域機動部署作戰要求,對兵器材料輕量化提出了很高要求。主戰坦克重量已經達到70噸之多,步兵戰車、火炮的重量也不能適應新形勢下的要求。
因此輕質合金如鈦合金、鋁合金和鎂合金及其復合材料等受到世界各國材料界和軍方的關注,先后制定了用于武器裝備輕質材料的發展規劃和計劃。美國國防部2004年制定了低
成本鈦材料及其相關制造工藝的集成計劃。
鈦合金由于其高比強、高比模、耐腐蝕、無磁等優異性能,特別適合武器裝備輕量化和提升性能作為首選的材料。
經過低成本鈦合金及其先進低成本制造技術的發展,鈦合金材料、零部件、分系統及其整個武器裝備系統成本大大降低,武器裝備全壽期效能較過去大幅提高。在兵器裝備如坦克、火炮等方面獲得應用。世界部分國家制定了鈦合金標準和軍用標準,規范了低成本鈦合金的制備、零部件生產和在地面武器裝備上的應用。
軍用陸基武器裝備的快速部署和快速反應以及特殊區域的快速運輸,對裝備的輕量化提出了更高的要求,武器裝備必須減重,同時保持和提高生存力。因此鈦合金將成為滿足這些要求的首選材料,并將在陸基武器裝備上的應用越來越廣。最成功的應用包括M1A2主戰坦克、M2布雷德利戰車和輕型155mm火炮M777。
ATI公司是鈦合金研發和制造的領先單位。生產的鈦合金包括:ATI425P-MILArmor-gradeTitanium、ATI6-4-MILTMArmor-gradeTitanium、ATIGrade7、ATI3-2.5TM(Grade9)、ATIGrade11、ATIGrade12、ATIGrade16、ATIGrade17、ATIGrade18、ATI6-4ELI(Grade23)。這些鈦合金廣泛用
于包括陸??仗靽牢淦餮b備。
ATI64MIL鈦合金是兩相α+β鈦合金,鋁(Al)作為α穩定劑,釩(V)作為β穩定劑。這種高強度合金可用于深低
溫至800°F(427℃)的環境。ATI64MIL合金供貨狀態包括退火、固溶處理和時效態??捎糜冢貉b甲、壓縮機葉片、圓盤和噴氣發動機環;機身和太空艙部件;壓力容器;火箭發動機外殼;直升機旋翼轂、緊固件;要求高強度重量比的關鍵鍛件;醫療和外科設備等。
ATI425合金是一種高強度、高延性鈦合金,有多種產品形式,包括冷軋卷材或板材。最初由ATI公司開發用于抗彈裝甲,最近已被用于航空航天和工業應用。ATI425合金是一種αβ鈦合金,使用鋁作為α穩定劑,鐵和釩作為β穩定劑。較低的鋁和釩含量以及放寬的氧含量和鐵含量使ATI425合金具有延展性和抗拉強度的獨特組合。ATI425與ATI64MIL相比,降低了鋁和釩含量以及氧含量,從而在提高材料性能的同時降低了材料成本。ATI425板材具有良好的抗彈性能,詳見表1。
2、鈦合金在坦克裝甲車輛和火炮上的應用
2.1 坦克裝甲車輛
1)鈦合金材料技術研究
坦克裝甲車輛由于近年來的作戰模式改變,要求其高機動性、特殊環境下的快速部署以及高生存力。因此必須研發新型高比強鈦合金以及低成本制造技術,從而使高性能鈦合金在坦克裝甲車輛上獲得應用。
WilliamA.Gooch等在綜述中給出M2A2布雷拉德利形狀非常復雜的車長艙蓋,通過使用鈦鍛件艙蓋比鋼艙蓋重量更輕,抗彈性能與以ARL還研究了M113A3裝甲人員輸送車用鈦披掛裝甲,其防彈性能優于較重的鋼披掛裝甲。
一種類似于雙硬度鋼的雙硬度鈦冶金結合層壓板利用軟硬鈦板的力學性能和彈道響應機制來抵御彈丸沖擊。較硬的面板用來抗彈,較軟的背板用于減少后表面的剝落。將Ti3SiFe0.5N面板合金滾焊到Ti7Al2.5Mo背板上形成復合板,然后進行熱處理。研究發現,當厚度比為70/30時,硬度為RC60或更大的面板對于防彈和最大抗剝落性是最佳的。美國陸軍研究實驗室(ARL)研究了四種結合工藝如軋制、擴散連接、熱等靜壓或爆炸焊接等,發現抗彈性能可以提高1025%。熱等靜壓Ti-6Al-4V/CPTi層壓板的抗彈性能比單一的Ti-6Al-4V等重板的抗彈性能提高約10%。
英國宇航先進材料公司根據與ARL的合同,開發了一種利用鈦和鈦/二硼化鈦(TiB2)粉末混合物在熱壓大型近凈形制備FGM塊的工藝,形成二硼化鈦(TiB2)硬質表面/ARL資助開發了P900鈦,使用兩種不同的鑄造技術來證明生產輕型純鈦鑄件的可行性,以及這種鑄件對動能穿甲彈的抗彈性能。其目的是研制一種P900鈦板,滿足鋼軍用規范一般性能要求,但可大大減輕軍用平臺的重量。這種鑄造鈦板被鑿了一定間距和一定形狀的孔。
非Ti-6Al-4V合金的開發和應用也提供了很大的優勢,因為減少了使用較高成本的合金元素和較低成本的電子束或等離子體束處理。ARL認為這一技術方向未來會增加鈦在地面裝備應用,無論是作為獨立結構材料還是與其他材料結合使用。ARL已經研究了許多4級鈦合金的潛在應用;包括TIMET62S和ATI425MIL。后一種合金顯示出與標準2級Ti-6Al-4V合金相似的彈道性能,但使用鐵(Fe)代替一些釩(V)作為β穩定劑。該合金還可以冷加工和熱加工,這種能力在各種開發應用中顯示出較大優勢。研究表明,MILDTL46077G4級ATI425MIL鈦合金具有大的彎曲能力。M1A2艾布拉姆斯坦克通過協同努力減輕了底盤組件的重量,超過1500磅。M2A2布雷德利戰車車長艙蓋采用鈦合金鍛造,頂部防護采用了鈦合金。側面的反應裝甲盒使用鈦板替代鋼板,從而減輕了反應裝甲的重量。
目前鈦的應用還包括在Stryker系列車輛的兩個版本。
Stryker移動防護炮系統炮艙由鈦制成,斯特賴克RV和FSV型車上的鈦炮手保護套件。BAEPegasus鈦輪式原型車輛結構是早期的未來戰斗車輛車體部分,用于測試復合裝甲。下車體和前部部分由軍用規范MILDTL46077G3級低成本鈦制成,并與復合材料和空間框架復合材料上車體制成整個車體。該車輛經過了廣泛的彈道測試和沖擊載荷。
美國陸軍研究評估了用于陸軍地面戰車的單級熔煉鈦。拉伸力學性能和斷裂韌性類似于傳統的T6Al4V航空質量板材。電子束冷床爐熔煉(EBCHM)鈦的抗彈性能類似于MILT9046。還有大量陸軍項目受益于使用一次熔煉低成本鈦。美國陸軍已成功驗證了低成本鈦合金在仿型車Pegasus上的應用。EBCHMTi-6Al-4V板的抗彈性能試驗數據見表2。從表中可以看出,V50值均高于標準MILDTL46077F。
減重是選擇裝甲材料的重要標準。各種新型材料正被研究用于輕型裝甲,鈦合金因其高比強、耐腐蝕性和良好的彈道性能而成為潛在的候選材料。G.Sukumar等[8]研究了熱處理對Ti4Al2.3V1.9Fe鈦合金力學性能和抗彈性能的影響。研究表明,在α+β區固溶處理并時效(930℃和900℃)的鈦板顯示出良好的強度和延性。Ti4Al2.3V1.9Fe板在α+β固溶處理和時效(900℃STA)條件下的沖擊性能優于軋制退火的Ti4Al2.3V1.9Fe板。與軋制退火和α+β固溶處理以及時效處理的Ti-6Al-4V板相比,900℃STA鈦4Al2.3V1.9Fe板對7.62mm球形彈丸具有更好的彈道性能。
PingSong等[9]通過實驗、模型和驗證研究了高速沖擊下Ti5Al3V2Cr2Fe的本構行為。利用彈道沖擊試驗研究了7mm厚Ti5322靶的彈道性能,并通過彈道試驗驗證了本構模型的準確性。實驗結果表明,JC本構模型可以很好地預測Ti5322靶的極限侵徹速度和破片在侵徹過程中的速度衰減。直徑為10mm的鎢合金球在0°和30°時對7mm厚的Ti5322靶的彈道極限速度分別為416.0m/s和484.8m/s。
在相同變形條件下,新型低成本Ti5322鈦合金的屈服強度明顯高于鈦Ti6Al4V合金。在準靜態條件下(0.01s-1),Ti5322鈦合金的壓縮屈服強度為1255MPa,比Ti6Al4V的屈服強度高20%。在動態條件下(600~2000s1),Ti5322鈦合金的屈服強度為1430~1470MPa,比Ti6Al4V的屈服強度高28%。
AhsanUlHaq等綜述了不同高吸能材料。蜂窩夾芯板由于其較低的密度和較高的能量吸收能力而被廣泛開發。
在所有輕合金中,鈦裝甲抗彈性能突出,但由于其成本高仍然難以實現在地面武器裝備的應用。然而,鈦+鋁合金層壓板已成為層壓裝甲的一大成果。C.Broeckhoven和A.duPlessis建立了Ti-6Al-4V人體裝甲模型,以評估其防護應用的潛力。特別是,他們傳達了仿生沖擊防護樣品可以通過增材制造技術來制造,并且揭示了點陣殼可在屈服過程中表現出高能量吸收能力。
粉末冶金工藝可用來制造結構比較復雜的部件以及制造梯度功能裝甲材料。針對不同的威脅對象以及侵徹階段,設計出不同性能梯度的結構裝甲,完成對穿甲彈藥的防護。
美國ADAMProductsInc公司研究了通過低成本固態粉末冶金工藝制備了軍用鈦合金。采用低成本創新性鈦粉生產技術、降低成本的混粉冶金方法、冷等靜壓、燒結、軋制、擠壓和熱處理(退火1350!,4h)等工藝制備的P/MT6Al4V裝甲板。該裝甲板的室溫拉伸性能參數見表3。氮、氧、氫含量分別為0.008、0.158和0.0054。
該公司還用這種技術研制了P/MTi-6Al-4V車長艙蓋,只是其中的軋制換成了鍛造,熱處理退火1300!,2h。氮、氧、氫含量分別為0.021、0.179和0.0018。艙蓋材料的室溫拉伸性能(厚度1.375″)的抗拉強度、屈服強度、伸長率和面縮率分別為143.8~149.3ksi、132.1~136.3ksi、14.0%~15.5%和34.1%37.7%。
PavloE.Markovsky等研究了混合元素粉末冶金制備的鈦基層狀結構的力學行為。鈦基層狀結構由Ti-6Al-4V層、用5%和10%(體積)的TiB或TiC顆粒增強的(%)(Ti64)合金金屬基復合材料組成。與先前報道的用鑄造和鍛造技術制造的Ti64合金的數據進行了比較。與均勻燒結的Ti64合金相比,合金中TiB和TiC增強顆粒的存在導致金屬基復合材料的強度和延展性顯著下降,因為這些顆粒為裂紋和氣孔成核提供了額外的位置,并促進了材料的脆化。然而,當金屬基復合材料層用于具有Ti64合金層的雙層結構時,三點彎曲試驗表明,與均勻的Ti64合金和均勻的金屬基復合材料結構相比,彎曲應力顯著增加。與單層均勻結構相比,雙層結構能夠吸收更高的沖擊能量,表明層狀結構能夠更好地滿足防彈應用的要求。
StanleyAbkowitz等指出,由于粉末冶金鈦可實現性能的改善,可生產不同尺寸從幾克到數百公斤的近凈形部件,從而不斷引起工業和軍事部門的興趣,這就需要開發美國材料試驗學會(ASTM)規范,為粉末冶金鈦產品提供通用標準,以促進粉末冶金鈦產品的應用。Dynamet編制了ASTMB98813《粉末冶金鈦和鈦合金結構部件標準規范》。
新標準包括非合金化純鈦(1、2、3和4級)、Ti-6Al-4V(5級)、Ti3Al2.5V(9級)、Ti-6Al-4VLI(低間隙)和Ti6Al6V
2Sn的粉末冶金產品。該標準將促進粉末冶金鈦廣泛的工業、商業和軍事應用。
基于生產高質量粉末冶金Ti-6Al-4V近凈形產品的能力,價格合理的粉末冶金鈦的商業機會正在擴大,該產品具有與傳統Ti-6Al-4V相當的拉伸性能。RTI國際公司已收購Dynamet技術公司,這將加速混合元素粉末技術在商用飛機、醫療、工業和軍用鈦合金部件中的應用。
鈦基材料結合了表面層的高強度和硬度以及基體金屬的足夠延展性,在各種應用中非常有前途,特別是作為軍工裝備中的裝甲部件。高強度、高硬度和韌性的組合可以通過
創建具有不同性能的多層結構來實現。О.М.Ivasishin等研究了層狀鈦基材料的微觀結構特征、力學性能和防彈防護性能。使用兩種不同的方法來制造這種層狀結構。
第一種是常規的冶金(鑄錠鍛造)方法,隨后是Ti-6Al-4V和T110合金的表面快速熱處理,用于制造在材料厚度方向具有不同力學性能的分級結構。第二種是元素粉末冶金法,用于制造Ti-6Al-4V鈦合金層和基于它的復合材料層的組合結構,并用TiC或TiB顆粒增強?;谝郧矮@得的優化混合元素粉末方法制造兩層和三層Ti-6Al-4V(VT6)合金基實驗板,其中表面層是用TiC顆粒增強的復合材料。使用相同子彈的彈道測試確立了相同厚度的層狀材料具有不可否認的優勢。
近年來,3D打印技術發展迅速,通過3D可以打印出用傳統工藝無法實現的結構。通過不同材料的蜂窩、點陣等結構可以實現對高速穿甲彈和爆轟波的防護,從而受到裝甲防
護領域科研人員的重視并已開展項目研究。RaminRahmani等研究了一種結合選區激光熔化和放電等離子燒結技術制備的輕質Ti6Al4VAlSi10Mg復合材料。采用蜂窩狀網格結構(均勻網格或梯度網格結構)來抵抗沖擊和穿甲彈侵徹。
結果證明了Ti6Al4V點陣的體積分數對于抗沖擊性的重要性。具有較小單元尺寸和較細支柱直徑的結構與具有較大單元尺寸和較粗支柱的結構具有相同的性能。有限元結果表明,具有較高體積分數的均勻點陣結構可以更有效地防止彈丸穿透,而梯度點陣增強了材料抵抗扭轉/變形從而提高材料的損傷容限。
2)鈦合金部件焊接技術
美國海軍接合中心NJC開展了用于減輕戰車重量和提高性能的鈦合金研究,研究的項目有裝甲和結構應用。
作為裝甲,鈦合金可以均質形式,也可以與其他金屬材料或非金屬材料復合的方式使用。EWI制備出鈦合金復雜結構焊接件。目的是研究一系列用于制造優質鈦結構件的不同焊接工藝。采用混合制造工藝制造了1/4和1/2英寸厚的鈦結構件。制造該結構件的目的是證明用于下一代陸地車輛的新型不同接合工藝的成熟度。與ARDEC的仿型制造小組一起,EWI完成了用于ARDECSTOONMT的鈦合金后車長蓋的制造。ARDECSTOONMT計劃是陸軍未來戰斗系統的先進技術演示驗證。車長艙蓋用平板和曲面板通過HLAW和GMAW焊接工藝制造。針對目前的鋼結構設計,用鈦合金制造該結構件的主要目的是減輕重量和改進性能。
EWI正在使用便攜式CMM系統進行焊件變形的精確測量,以確保像后車長蓋這樣部件的制造精度。
機器人脈沖GMAW混合激光焊和攪拌摩擦焊工藝被用于制造該結構件,該工藝滿足焊接質量和尺寸精度要求。鈦合金正在成為除航空、航天和醫療以外工業應用很具吸引力
的材料。美國海軍和陸軍已經開展鈦合金及其新型焊接工藝研究,以滿足相應武器平臺的性能挑戰要求和成本可承受性。
2.2 火炮
火炮是陸軍對敵方實施遠程精確打擊壓制的主要裝備,它在作戰過程中發具有重要的作用。在未來戰爭中,火炮仍將是陸軍的主戰裝備。隨著先進材料如鈦合金、鋁合金及其
零部件制造技術的迅速發展,未來的火炮在精度、射程、威力和機動性方面都將有顯著的提高。美國超輕型火炮M777就是使用鈦合金、鋁合金并提高該火炮性能的典型案例。
超輕型野戰火炮(UFH)M771997年由美國陸軍和海軍陸戰隊提出,旨在替代M198155mm牽引火炮。M777首次大量采用輕合金,通過革新的設計,采用先進的制造工藝,使重量從M198的16000磅降至目前小于9000磅,大約是現役M198重量的一半,因而使其易于高速運輸、牽引。
1)大量采用鈦合金
與M198相比,M777大量采用鈦合金、鈦鑄件和鋁合金,實現減重3175kg(7000磅)實現減重44%。鈦合金由RTI國際金屬公司提供。M777重3745kg,可由直升機、運輸機和艦船運輸。該牽引炮可由大于2.5t的4◇4車輛牽引。M777榴彈炮采用新的設計進行升級換代。在M777基礎上配備了數字火控系統后命名為M777A1,通過軟件升級以及可以使用神劍彈藥后被命名為M777A2。
M777超輕型火炮的低成本和輕量化得益于大量采用鈦合金和鋁合金及其零部件的制造技術。單靠鈦合金的低成本是不能實現這些目標的。
2)采用先進制造技術
①NCEMT制造出世界最大的流動成形鈦合金搖架管和反后坐力管流動成形(FlowForming)屬于冷成型工藝,可制出尺寸非常精確的空心圓筒。流動成形鈦合金部件可以達到近凈形,減少了合金部件的制造廢料。該工藝精度高,可被廣泛應用于航天和軍工領域。NCEMT研究的搖架管生產工藝,與目前的擠壓和機加工藝相比,降低成本,減少廢料。NCEMT通過利用新型工藝“流動成形”生產搖架管。麻省Billerica市的動力機械廠(DMW)一直在研究搖架管的流動成形工藝?,F已生產出最大的流動成形鈦合金管,直徑5.6英寸,長度72英寸(約1.8m)]。
通過流動成形,厚尺寸的Ti-6Al-4V合金管被繞旋轉心軸和旋轉軋輥擠壓變形,最終獲得理想的尺寸。由于原材料在擠壓過程中幾乎100%的保持。在2004年,NCEMT向聯合項目管理局提供了45英尺的搖架管件。該工藝在LW155火炮技術演示驗證上獲得了應用。流動成形工藝應用和降低成本的成功案例是M777輕型155mm火炮鈦合金搖架和反后坐管。流動成形搖架管成本比原始生產工藝節約68%。
②精密鑄造———減少部件數量
許多軍用武器的多部件數量導致了高的制造成本。由許多獨立部件組成的復雜零件還會使制造周期增長。美國軍方一直在致力于降低成本,同時提供更大的效益。美國國防部(DOD)采取革新的工藝實現了這些目標。精密鑄造是減少部件數量最有效的工藝方法之一。
精密鑄造工藝具有以下優點:降低制造成本;減少制造周期;提高可靠性;減輕重量。精密鑄造可應用于許多軍用領域,如軍械、飛機機身、彈丸和推進裝置等。與傳統工藝對
比,通過使用鈦合金和精密鑄造工藝。M777輕型火炮部件數量大為減少。美國海軍金屬加工中心采用精密鑄造工藝使M777輕型155mm火炮駐鋤的部件數量,從120減至2,詳見表4。
美國國家先進金屬加工中心(NCEMT)開展了研究新型制造工藝和革新成型技術,以減少部件數量和降低材料廢料和制造成本。與輕型火炮聯合管理局(JPMO)、BAE和鈦合金工廠一起,研究用于M777輕型155mm火炮(LW155)的單件精密鑄造駐鋤(spade)。過去是采用機加和焊接來制造駐鋤。另一個具有挑戰性的部件是轉向架(saddle),原來采用將100多個零件加工焊接在一起而成。NCEMT和JPMO、BAE以及鈦合金工廠共同研制出單片精密鑄造轉向機[22]。
另外采用鍛造工藝制造,與采用軋制板機加工藝相比減少廢料50%。已經成功用低成本單熔體等離子弧熔化(SMPAM)Ti-6Al-4V坯料鍛造出低成本鐘形外殼。該鐘形外殼鍛件抗拉強度為965MPa~1,034MPa;屈服強度為910~972MPa;伸長率14.9%~5.9%;斷面收縮率36.2%~40.9%。所有SMPAM鍛件的拉伸性能都滿足AMS4928和ASTMB381標準的要求[23]。
③愛迪生焊接研究所(EWI)研究用于制造M777輕型火炮的焊接工藝美國陸軍正在研究輕質材料,如鋁合金、鈦合金和復合材料在先進結構件上的應用,以降低武器裝備平臺的重量。
另外用這些材料制造混合結構部件,需要大量的接合工藝,其中包括攪拌摩擦焊、混合激光電弧焊(HLAW)、脈沖氣體金屬弧焊(GMAW)等。M777穩定器梁臂是用Ti-6Al-4V合金板和鑄件通過氣體鎢電弧焊(GTW)工藝焊接而成。EWI工作的主要目標是整合高效材料接合技術,以制備復雜的Ti-6Al-4V結構件。80~85%的GTA焊接被GMAWP或激光樁焊所取代。EWI還支持ARDEC的聯合項目管理局(JPMO)和BAE系統公司開展項目研究。目的是在M777火炮武器系統演示驗證中采用先進的鈦合金焊接技術。
④低成本鈦合金單級熔煉工藝
鈦合金(Ti-6Al-4V)是輕型155mm火炮的關鍵材料。NCEMT成功進行了31英寸PAM鈦合金錠的試生產。該技術已轉讓給工業部門,并通過主要承包商、BAE系統公司和
LW155聯合項目管理局(JPMO)首次用于LW155火炮。單級熔體PAW使LW155火炮所用Ti-6Al-4V錠的采購成本降低最大27%。該低成本技術還將受益于其他使用鈦合金部
件的DOD武器系統,如美國海軍陸戰隊遠程戰斗車輛(EFV)。NCEMT單級熔體PAM工藝使鈦錠達到高表面質量,即使是最大直徑31英寸的鈦錠表面質量也很優秀,從而
減少或不需鍛造前的表面處理。
3、軍用鈦合金標準與規范
在研究地面裝備用鈦合金的過程中,世界許多國為規范和推動鈦合金的應用,相繼制定了不同鈦合金的標準和行業規范,如MILDTL46077G、ATI64MIL、ATI425等。
3.1 美國鈦合金標準
美國鈦及鈦合金標準有4類:美國試驗與材料協會標準(ASTM)約20項,基本為1995—2005年編制;美國機械工程師協會標準(ASME)1項、美國宇航材料技術標準(AMS)約25項,基本為2001—2003年編制;和美國軍用標準(MIL)約9項。其中軍用標準包括MILT90472005《鈦及鈦合金棒材和鍛坯》,MILF831422000《鈦及鈦合金鍛件(優質級)》,MILT46077《鈦合金可焊的裝甲厚板》,MILT90472005《鈦及鈦合金棒材和鍛坯》,MILT81200(MILH81200B)《鈦及鈦合金熱處理》。
美國陸軍編制MILDTL46077G,目的是為了促進鈦工業開發非航空航天級抗彈鈦合金。它規定了4級:1級為Ti6Al4VELI;2級為Ti-6Al-4V標準5級;3級為允許更高水平的氧含量;4級取消了鋁和釩的要求。4級鈦仍然屬于合金的α+β范圍,并滿足軍用規范規定的其他力學性能和彈道要求。4級鈦合金將拓寬鈦合金的彈道應用潛力。軍用鈦合金MILDTL46077G規范關于鈦合金級別和氧含量的規定見表5。
3.2 國內鈦合金標準
我國從Ti-6Al-4V合金標準頒布后,先后又修訂和頒布了約30項鈦合金國家標準、17項國家軍用標準,主要為航空航天材料和部件規范。2010年12月1日頒布《鈦及鈦合金
鍛件(GB/T25137—2010)》等同ASTMB381—2006a。
2019年,最新頒布了12項鈦標準。具體如下:GJB2220A—2018《航空發動機用鈦合金餅、環坯規范》;GJB9584—2018《鈦鈮合金絲材規范》;GJB9583—2018《航天液體火箭發動機用低溫鈦合金管材規范》;GJB9581—2018《鈦及鈦合金焊絲規范》;GJB9579—2018《艦船用鈦及鈦合金無縫管材規范》;GJB9577—2018《增材制造用鈦及鈦合金粉末規范》;GJB9575—2018《航天用高溫鈦合金棒材規范》;GJB9574—2018《艦船用鈦及鈦合金鑄件規范》;GJB9571—2018《艦船用鈦及鈦合金棒材規范》;GJB9567—2018《葉片用TA11和TC6鈦合金棒材規范》;GJB944A—2018《艦船用鈦及鈦合金板材規范》;GJB943A—2018《艦船用鈦合金鍛件規范》。以上標準實施日期均為2019年3月1日。
從以上頒布的標準看出,兵器系統還未制定兵器裝備用鈦及鈦合金的軍用技術規范,目前只采用國家標準。
3.3 國內外鈦合金標準對比分析
從中國和美國關于鈦及鈦合金標準頒布情況看,我國鈦及鈦合金的標準化工作與國外先進水平存在一定差距。兵器系統在鈦合金標準化工作方面與國內航空、航天和艦船等系統存在較大差距,與國外鈦合金研制與應用以及標準化差距更大。這與兵器裝備的特點和鈦合金應用水平有很大關系,目前兵器裝備應用的鈦合金只有1種———TC6(GB/T
3620.1—1994《鈦及鈦合金牌號和化學成分》和GB/T2965—1996《GB/T2965—1996鈦及鈦合金棒材》)。全鈦輕型噴火器已批量生產,正式裝備部隊,所用材料為工業純鈦、T3Al2.5V和Ti451合金。我國在20世紀70年代開展了鈦制空降迫擊炮研制。100mm迫擊炮的地板采用TA7合金整體沖
壓而成,鈦底板比鋼底板輕10kg。隨后,又研制了82mm全鈦空降迫擊炮,與鋼制82mm迫擊炮相比,減重16.6kg。鈦合金在兵器上應用極少。
4、結束語
針對未來地面武器裝備的快速發展,有些甚至是顛覆人們認知的發展,地面平臺將向著全域機動、高打擊能力、高生存能力、智能化、網絡化的方向發展。輕質材料如鈦合金及
其復合材料以及先進制造技術將快速發展和應用。因此必須制定好鈦合金在地面武器平臺應用的發展戰略規劃,使鈦合金在兵器裝備上獲得較大范圍的應用,提高我國武器裝備
的性能。
4.1 軍用鈦合金發展建議
美國、俄羅斯、烏克蘭等國家在低成本鈦合金和先進制造技術的研發已經取得重大突破并在坦克裝甲車輛和火炮上獲得應用。鈦合金低成本技術,特別是美國已進行了系統研究,因而使鈦合金在超輕型火炮上獲得應用,M777是最典型的示例。總體看來,國外鈦合金的應用與其他材料相比較仍然有差距,在坦克裝甲車輛上的應用還不是很廣,大型結
構件還沒有應用鈦合金。這就說明鈦合金的性能、工藝和成本問題仍然是制約其應用的障礙,所以世界各國仍然在投入人力和物力開展鈦合金及其低成本技術的研究。美國于
2019年開展了M777ER(增程)火炮研制。增程火炮將采用更長(55倍口徑)的炮管、新的搖架。
建議國家和有關部委組織全國鈦合金的產學研力量,在已有的基礎上,繼續開展鈦合金材料技術、鈦合金零部件的先進制造技術如海綿鈦、鈦合金熔煉、軋制鍛造、焊接、精密
鑄造、粉末冶金、3D打印、熱處理等低成本技術的系統研究,使鈦合金及其部件整個制造鏈的各個環節都低成本,真正實現鈦合金的低成本。關于鈦合金低成本,作者認為還要從武器裝備全壽期來考慮鈦合金的應用成本。我們不單單要看材料和部件的成本,而且還要研究使用鈦合金后為武器裝備帶來的性能提高,如機動性的提高、防護力的提高、特征信號降低、燃油消耗降低、后勤維護減少、武器裝備打擊精度提高、特殊環境下的運輸能力等等。這些優勢使裝備在戰略和戰術上所獲得的效益遠遠超過使用鈦合金帶來的成本增加。因此任何一種新材料應用不能只看其材料和部件本身的成本!
4.2 軍用鈦合金標準發展建議
加強兵器系統鈦合金、部件測試標準化工作,統籌兼顧,做好規劃,建立起鈦合金材料標準化研究隊伍和研究體系,不斷開展新型鈦合金材料以及零部件制造技術標準研究,從
而建立起兵器裝備鈦合金材料標準體系,縮小差距,趕超國內外先進水平。
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