军用低成本军用钛合金的开发

  传统的军用钛合金虽然性能优良,但因为价格高而不能广泛应用于国防领域。
    近年,美国研制成功一些军用低成本钛合金新材料。它们的机械性能和抗弹能力等指标
等于或超过传统军用Ti-6Al-4V钛合金的相应值,但其成本却较低。
    这些钛合金新材料引起了美国陆军,甚至国防部的极大关注,这对促进和扩大钛合金在
国防领域中的应用具有重要的意义。在未来的战车和火炮系统中,美国陆军将用低成本钛合
金取代轧制均质钢和铝合金,用以制造装甲和零部件,以增强装甲和减轻重量,其应用范围
将逐步扩大。低成本钛合金在海军和空军中,也将有限大的应用潜力。
军用钛合金的发展
50年代末,美国陆军在军用技术规格MIL-A-46077中规范了军用Ti-6 Al-4V钛合金装甲。但研究发现,钛合金中的碳、氢、氮和氧间隙原子含量过高会增加 合金的脆性。因此,该军用规格规定,钛合金装甲在厂内退火状态下需保持特别低的间隙原 子含量,以使其具有延性而能经受弹药攻击。 经过40年的技术发展,人们现今可较容易地把钛合金中的碳、氢和氮间隙原子含量控 制到低限度内。可是,由于在矿石和大气中大量存在氧,人们至今仍很难把钛合金中的氧原 子含量控制到低限度内。研究又证明,利用现代技术,使钛合金中的碳、氢和氮间隙原子保 持低含量,而适当增加氧间隙原子的含量,不仅可保持或超过传统军用Ti-6Al-4V 钛合金的抗弹性能,而且能够大大降低制造成本。这一技术进步,促进了低成本钛合金的研 究、应用与发展。 美国陆军、矿物局以及政府有关工业部门实施开发低成本钛合金的研究计划,已取得明 显成效。例如,美国Timet公司用铁代替较昂贵的钒,配制出一种新型的钛合金Tim etal62S(Ti-6Al-1.7Fe—0.1Si),其屈服强度为1040兆帕,抗拉强度 为990兆帕,延伸率为15%。这些机械性能值等于或超过传统军用钛合金的相应值,而其 成本则比传统军用钛合金的低25%。美国RMI钛公司放宽钛合金中的氧原子含量,制成 一种富氧、低成本钛合金,适用于制造25.4~76.2毫米厚度的装甲板。该合金的化 学成分是5.50~6.75%Al,3.5~4.5%V,0.2~0.3%O,<0.50%Fe,其它杂质< 0.50%。这种钛合金与传统的钛合金装甲相比,抗弹性能相等或较高,屈报强度和抗拉强度 则有所提高。 鉴于上述低成本钛合金新材料的发展,美国陆军实验室起草了MIL-A-46077 的修订本,并原定在1997年内发表。在这个修订的军用技术规格新版本中,除了保留传 统军用等级的Ti-6Al-4VELI(非常低的间隙原子含量)之外,增加了放宽间隙 原子含量的两个等级Ti-6Al-4V以及一个等级具有其它成分的钛合金。
在战车和火炮系统中的应用研究
美国陆军的未业车辆计划要求发展重量减轻30%的战斗车辆。低成本钛合金具有较高 的强度/重量比、优良的抗弹性能、良好的耐腐蚀性能和令人满意的加工性能,是替代装甲 钢和铝合金的首选材料。用它们制造装甲和零部件,价格适宜,综合性能最好,可达到车辆 减重目标。下表列出装甲钢、铝合金装甲和钛合金装甲的一些对比性能值。此外,据资料介 绍,低成本钛合金的效费比甚至高于聚合物基复合材料的效费比。因此,在美国的坦克、步 兵战车、两栖突击车和火炮系统中,低成本钛合金的应用研究有逐步增多的发展趋势。 材料 性能 轧制均质钢装甲 (MIL-A-12560) 5083铝合金 (MIL-A-46026) Ti-6Al-4V (MIL-A-46077) 抗拉强度(兆帕) 1170 350 970 密度(克/厘米) 7.86 2.70 4.50 比强度(Mpa-厘米3) 150 130 220 质量防护系数 1 1.0~2.0 1.5 M2“布雷德利”步兵战车的车长舱口是美国陆军首次应用低成本钛合金的部件。该舱口原 来用锻造铝合金制成。现在,它已用锻造Ti-6Al-4V钛合金制造。该钛合金的成分 遵照MIL-T-9046J的要求,把最大间隙氧原子含量从原来的0.14放宽到 0.20。该舱口改用钛合金材料后,减轻重量35%,并大大增加了防弹能力。 加强M2“布雷德利”步兵战车装甲的一个措施是,在选择部位采用锻造钛合金附加装 甲板以防大口径弹药。扩展型M113装甲人员运输车也采用钛合金附加装甲提高装甲的防 弹能力。 针对M1“艾布拉姆斯”主战坦克,美国陆军研究了许多可应用钛合金的部件,例如设 计了钛合金坦克炮塔,比钢炮塔减轻重量4吨。美国陆军坦克、机动车辆司令部进行了用钛 合金取代轧制均质钢,制造坦克其它部件的技术项目。在该项目的第一个阶段中,生产和鉴 定了两组部件。每组包括下列7个部件:炮塔排气板、核、生物和化学武器对抗系统护盖、 射手主瞄准具罩、发动机顶盖、炮塔枢轴架、车长舱口和车长热成像观察仪罩。上述钛合金 部件可使M1主战坦克减轻420公斤。 在该项目的第二个阶段中,选择了炮塔排气板和射手主瞄准具交付生产。通用动力地面 系统公司已承包制造这两种部件。在M1A2主战坦克改进计划中,将采用这两种部件。该 改进计划始于1996年10月,在随后5年中将改进580辆M1A2主战坦克。在实施 该改进计划的过程中,还有可能采用其它的钛合金部件,例如铸造钛合金炮塔座圈。 美国海军陆战队正在寻求减轻先进两栖突击车重量的各种方案。一种方案是采用轻型装 甲。另一方案是用钛合金代钢制造负重轮平衡时,平衡臂、负重轮齿轮箱等部件。 在火炮系统中,两种英国的155毫米轻型牵引榴弹炮大量使用了钛合金。美国联合防 务有限公司发展的装甲火炮系统,采用了钛合金附加装甲。在未来的“十字军战士”155 毫米自行榴弹炮中,有许多部件可使用钛合金。
其它应用研究
低成本钛合金在美国海军和空军中也有巨大的应用潜力。因海水腐蚀,美国海军每年大 约需要更换97千米舰船上热交换器用的铜镍合金管。用钛合金制造该管,可延长使用寿 命,大量节省维修和维护费用。美国空军也对低成本钛合金具有极大兴趣。采用冷炉熔炼工 艺,可降低航空航天级钛合金的成本。 *http://www.ordnance.cetin.net.cn/dongtai/bqdt.htm