鄭 超，朱秀榮，王 軍，辛海鷹，邵志文

(中國兵器科學研究院寧波分院, 浙江 寧波 315103)

坦克裝甲車輛的基體裝甲材料應具有良好的抗彈性能、工藝性能和環(huán)境適應性能等。常見的金屬基體裝甲材料有裝甲鋼、裝甲鋁合金、裝甲鎂合金和裝甲鈦合金4種，其中裝甲鈦合金的綜合性能最優(yōu),能夠同時滿足抗彈性能、工藝性能和環(huán)境適應性能三方面的要求[1]。坦克裝甲車輛是最重要的陸基武器裝備之一，在各國作戰(zhàn)部隊中的裝備量較大，因此裝甲鈦合金的工程應用技術(shù)研究，特別是高性能低成本裝甲鈦合金頗受重視，是近30年來的研究熱點。

本文主要論述三方面的內(nèi)容：裝甲鈦合金的應用技術(shù)、抗彈性能考核評價及板材驗收規(guī)范化、裝甲鈦合金應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，以期為推動我國裝甲鈦合金的工程化應用提供參考。

1 裝甲鈦合金的應用研究

1.1 抗彈性能及抗毀傷機理研究

與傳統(tǒng)的裝甲鋼、裝甲鋁合金等金屬裝甲材料相比，裝甲鈦合金不但具有較強的抗各種類型彈丸侵徹的能力，還具有抗彈丸多次打擊的能力。

20世紀90年代，美國陸軍實驗室(ARL)[2-5]先后開展了不同口徑破片模擬彈(FSP)、普通穿甲彈(AP)、穿甲燃燒彈(API)、次口徑穿甲彈(APDS)、脫殼穩(wěn)翼穿甲彈(APDSFS)和聚能裝藥破甲彈(HEAT)等對不同厚度Ti6Al4V合金板材的終點彈道侵徹實驗，得到了其極限擊穿速度。其中，長桿形穿甲彈侵徹鈦合金靶板的實驗表明，Ti6Al4V合金靶板的抗彈性能比均質(zhì)裝甲鋼提高60%～80%。Ti6Al4V合金板材在典型穿甲彈丸侵徹條件下的損傷行為如圖1所示[6]。表1為美國陸軍實驗室、德克薩斯大學埃爾帕索分校(UTEP)、韓國浦項科技大學(Pohang UST)、印度國防部冶金研究院(DMRL)、以色列拉斐爾公司(Israel’s Rafael)等研究機構(gòu)研制的裝甲鈦合金的抗彈性能。

圖1 不同穿甲彈丸侵徹條件下鈦合金靶板的宏觀損傷形貌(彈丸均自上而下侵入靶板)

表1 國外不同機構(gòu)研制的裝甲鈦合金的抗彈性能

美國國防科技信息中心(DTIC)在2003年發(fā)布的報告中指出，鈦合金材料在裝甲防護領域的應用中常見的損傷破壞模式為絕熱剪切沖塞破壞和崩落破壞，如圖2所示[7]。為了更好的認識鈦合金靶板的宏微觀損傷破壞特征，揭示其抗彈機理，研究人員對鈦合金材料的宏微觀損傷行為和抗彈機理開展了大量的研究，目前主要集中在鈦合金靶板的絕熱剪切沖塞破壞行為的研究和其背部崩落破壞行為的研究兩方面。

圖2 在彈丸侵徹下鈦合金材料常見的損傷模式

在美國陸軍實驗室的支持下，德克薩斯大學埃爾帕索分校的Martinez等人[6，7]使用圓柱形4340鋼制侵徹體在633～1 027 m/s的速度范圍內(nèi)對厚度為25 mm的Ti6Al4V合金靶板進行了絕熱剪切沖塞實驗。研究表明，在彈丸侵徹靶板的過程中，靶板內(nèi)平行和垂直于彈丸侵徹方向上會形成絕熱剪切帶，剪切帶內(nèi)伴有微孔洞和微裂紋的成核長大；絕熱剪切帶和微裂紋的數(shù)量都隨著彈速的增加而增加。Murr等人[7]進一步的研究表明：隨著彈速的增加，靶板內(nèi)絕熱剪切帶的寬度從10 μm增大到了21 μm，絕熱剪切帶內(nèi)微裂紋長度所占絕熱剪切帶總長度的比例由8%增加到了87%。結(jié)合這些研究，Murr等人[7]指出：Ti6Al4V合金靶板以沖塞為特征的損傷破壞行為是由絕熱剪切局域化行為及其誘發(fā)的微裂紋貫通連接所主導的近似圓柱形的流變機制決定的。Wells等人[8]通過使用高能X射線(XCT)技術(shù)，原位觀察了金屬裝甲材料和陶瓷裝甲材料在穿甲彈侵徹條件下的響應行為。其中對于Ti6Al4V合金靶板(損傷形貌如圖3所示)損傷模式和耗能機制的研究也證實了前述學者的觀點。

圖3 高能X射線原位觀測得到的Ti6Al4V合金損傷形貌

近些年，我國在鈦及鈦合金材料的抗彈行為研究方面也取得了一些進展。北京理工大學沖擊環(huán)境材料技術(shù)重點實驗室Cheng等人[9-11]研究表明，在12.7 mm穿甲燃燒彈丸的垂直侵徹條件下，微觀組織結(jié)構(gòu)不同的Ti6Al4V合金靶板，表現(xiàn)出不同的失效模式；在底推105 mm長桿形脫殼穩(wěn)翼穿甲模擬彈丸的垂直侵徹下，Ti6Al4V合金靶板和彈丸相互作用并發(fā)生嚴重的互侵蝕效應。

鈦及鈦合金材料在彈丸侵徹條件下，往往通過絕熱剪切局域化變形行為協(xié)調(diào)彈丸的擠鑿作用，并通過絕熱剪切帶及其帶內(nèi)裂紋的擴展連接導致靶板被擊穿。在長桿形脫殼穩(wěn)翼穿甲彈丸侵徹條件下，由于鈦合金靶板和彈丸之間較強的互侵蝕作用，靶板彈坑邊緣大量的絕熱剪切帶萌生擴展并進而在帶內(nèi)微裂紋的擴展連接過程下發(fā)生破碎，因此使得彈丸侵入鈦合金靶板后能量被大量消耗。但在普通穿甲彈丸和穿甲燃燒彈丸等對鈦合金靶板的靶試試驗中，沒有發(fā)生這種互侵蝕作用。

1.2 附加裝甲結(jié)構(gòu)單元研究

附加裝甲用鈦合金材料抗彈行為的研究，主要涉及雙硬裝甲鈦合金材料、鈦基復合材料和鈦基復合裝甲結(jié)構(gòu)單元的抗彈行為研究。

在進行雙硬裝甲鈦合金材料的研究中，沿用了雙硬裝甲鋼的概念，通常選用高硬面板材料與中硬背板材料的復合方式，使其可以充分發(fā)揮面板高硬度對彈丸的破壞作用和背板高韌性對崩落破壞的減弱作用。Perkins等人[12]最早開展了雙硬裝甲鈦合金材料的研究，通過對面密度為25～50 kg/m2的雙硬裝甲鈦合金材料抗彈行為的研究，發(fā)現(xiàn)當面板(硬度54～59 HRC)和背板(硬度39～43 HRC)的層厚比為3∶7時，雙層鈦基復合裝甲結(jié)構(gòu)單元具有最優(yōu)的抗侵徹性能和抗崩落性能。

鈦基復合材料和鈦基復合裝甲結(jié)構(gòu)單元通常采用粉末冶金法制備。Gu等人[13]較早開展了由粉末冶金方法制備的Ti6Al4V合金及其復合材料動態(tài)力學行為和抗彈行為的研究。研究表明，通過粉末冶金方法制備的Ti6Al4V合金經(jīng)進一步的熱等靜壓后，其抗彈性能和美國軍標中裝甲鈦合金Class 2的材料相近。Nesterenko等人[14]開展的基于Ti6Al4V合金板材的復合裝甲結(jié)構(gòu)研究表明，鈦基復合裝甲結(jié)構(gòu)單元在長桿形模擬穿甲彈丸的侵徹過程中發(fā)生嚴重的自侵蝕，并伴有彈丸侵徹路徑的偏轉(zhuǎn)。彈靶作用過程中長桿形彈丸這種響應特征使得鈦基復合裝甲結(jié)構(gòu)單元表現(xiàn)出優(yōu)異的抗彈性能。圖4為這種鈦基復合裝甲結(jié)構(gòu)單元的基本結(jié)構(gòu)和長桿形彈丸侵入靶板后損傷特征示意圖[14]。

圖4 鈦基復合裝甲結(jié)構(gòu)單元的基本結(jié)構(gòu)和其損傷特征示意圖

在功能梯度鈦基復合材料的研究方面，Pettersson等人[15]研制出TiB2增強的功能梯度鈦基復合材料TiB2/Ti6Al4V，該復合材料迎彈面的陶瓷含量通常高達90%以上，使得其抵抗穿甲彈丸侵入靶板的能力增強。這是由于靶板界面產(chǎn)生駐留現(xiàn)象所致，如圖5所示。

圖5 TiB2/Ti6Al4V鈦基復合材料靶板的界面駐留現(xiàn)象

復合裝甲結(jié)構(gòu)單元的具體研究內(nèi)容歷來是世界各軍事強國裝甲防護技術(shù)的核心，保密級別很高。在鈦基復合裝甲結(jié)構(gòu)單元的研究方面，能夠看到的有關(guān)報道表明，以鈦合金材料為基體封裝而成的陶瓷/金屬復合裝甲結(jié)構(gòu)單元，在長桿形脫殼穩(wěn)翼穿甲彈丸侵徹靶板時具有較高的抗侵入作用。

1.3 裝甲鈦合金的應用基礎研究

裝甲鈦合金的應用基礎研究主要涉及裝甲鈦合金材料的基礎研究、抗彈性能的預測方法研究、彈靶作用過程的數(shù)值模擬研究和低成本鈦合金材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計等人[16-20]。

隨著我國低成本鈦合金材料研究工作的開展，北京有色金屬研究院、寶鈦集團有限公司、西北有色金屬研究院和北京航空材料研究院等相繼研制成功了多種低成本鈦合金，其中有代表性的合金為TC4(Ti6Al4V)、Ti5322(Ti5Al3V1Cr1Fe)、Ti12LC(Ti4.5Al1.5Fe6.8Mo)、Ti83S(Ti8Al1Cr1Fe1Mo(O))等。表2為這些低成本鈦合金的力學性能。

表2 我國研制的低成本鈦合金力學性能

早期對于裝甲材料抗彈性能和靜動態(tài)力學性能間關(guān)系的研究認為，材料的硬度越高抗彈性能越好。后來，Dikshit等人[21]研究發(fā)現(xiàn)，靶板材料硬度提高到一定水平時其抗彈性能也較高；當靶板硬度超過一定數(shù)值時，靶板便會由于絕熱剪切帶的形成發(fā)生剪切沖塞破壞；若靶板硬度進一步提高至接近侵徹彈丸的硬度時，其抗彈性能會由于彈丸的變形甚至破碎而得到再一次的提高。Demir等人[22]研究了7075、5083鋁合金和AISI 4140鋼的抗彈性能，結(jié)果表明，裝甲材料硬度的持續(xù)提高會導致其在彈丸侵徹條件下發(fā)生脆性斷裂。Burkins等人[23]使用5.56 mm 破片模擬彈及7.62 mm穿甲燃燒彈侵徹純鈦、Ti6Al4V合金以及Ti10V2Fe3Al合金薄靶板，發(fā)現(xiàn)具有較低強度的純鈦、具有中等強度的Ti6Al4V合金以及具有較高強度的Ti10V2Fe3Al合金薄靶板的極限擊穿速度V50并沒有表現(xiàn)出較大的差異性。研究者認為，化學成分和力學性能差異并不能全面解釋這幾種鈦合金材料在抗彈性能方面表現(xiàn)出的特征。

北京理工大學鄭超[24]、北京有色金屬研究總院王艷玲[25]等人也先后開展了鈦合金材料動態(tài)力學性能和抗彈性能之間關(guān)系的研究。研究表明，鈦合金材料在動態(tài)承載條件下的絕熱剪切局域化變形行為與其抗彈性能密切相關(guān)，并可以通過絕熱剪切敏感性和絕熱剪切帶的萌生擴展行為預估其抗彈性能。

鈦合金的抗彈性能優(yōu)化主要包括兩方面：一是優(yōu)化合金元素，改進熱加工工藝、熱處理制度等；二是設計以鈦合金為基體的復合防護結(jié)構(gòu)。這些方面的研究同鈦合金失效模式和耗能機制的研究一樣，目前也主要是針對Ti6Al4V合金展開的。Lee等人[26-30]通過調(diào)整熱處理制度獲得了一系列具有特定微觀組織特征的Ti6Al4V合金，并對這些Ti6Al4V合金開展了靜態(tài)及動態(tài)扭轉(zhuǎn)實驗；系統(tǒng)總結(jié)了微觀組織對Ti6Al4V合金靜態(tài)、動態(tài)扭轉(zhuǎn)性能的影響規(guī)律，并從微觀組織結(jié)構(gòu)的層面分析了動態(tài)變形行為，尤其是絕熱剪切局域化變形行為；通過使用12.7 mm穿甲燃燒彈侵徹等軸組織和雙態(tài)組織的Ti6Al4V合金靶板，進一步研究了微觀組織對Ti6Al4V合金抗彈性能的影響規(guī)律，同時以相對于均質(zhì)裝甲鋼的質(zhì)量防護系數(shù)Em為基準，評估了Ti6Al4V合金的抗彈性能。等軸組織和雙態(tài)組織Ti6Al4V合金靶板的質(zhì)量防護系數(shù)分別約為1.23和1.44，抗彈性能均優(yōu)于均質(zhì)裝甲鋼，而且雙態(tài)組織的Ti6Al4V合金靶板較等軸組織的Ti6Al4V合金靶板擁有更好的抗彈性能。對于有α2(Ti3Al)顆粒增強的雙態(tài)組織Ti6Al4V合金，其抗彈性能并沒有因添加α2(Ti3Al)顆粒而顯著提高。

2 抗彈性能考核評價及板材驗收規(guī)范

抗彈性能考核評價、指標體系建立和板材驗收規(guī)范化是檢驗和評定裝甲鈦合金材料的重要依據(jù)，也是其工程化應用的重要基礎。

2.1 考核評價體系及其數(shù)據(jù)庫的建立

國外主要采用極限擊穿速度(V50)、安全角(θbl)、安全距離(Sbl)和防護系數(shù)(質(zhì)量防護系數(shù)Em、空間防護系數(shù)Es、綜合防護系數(shù)E)等參數(shù)考核評價裝甲防護材料的抗彈性能，并形成了系列標準。各種方法根據(jù)面向的彈丸種類、靶板厚度等的不同各具優(yōu)勢。

極限擊穿速度(V50)是指在一定射擊距離(通常為100 m)下裝甲防護材料被擊穿時穿甲彈丸的最小速度，定量反映裝甲防護材料在被穿甲彈丸沖擊時能夠吸收的最大能量。極限擊穿速度(V50)考核評價方法是美軍金屬裝甲材料抗彈性能考核評價的通用方法，依據(jù)的標準為MIL-STD-662F[31]。美軍采用該方法評定了全厚度尺寸裝甲鈦合金的抗彈性能，并形成了相應數(shù)據(jù)庫。俄羅斯沿用蘇聯(lián)抗彈性能考核評價方法，通常采用安全角和安全距離來評價裝甲防護材料的抗彈性能。我國在金屬裝甲防護材料抗彈性能的評定方面借鑒了蘇聯(lián)的考核評價方法，目前已經(jīng)形成的抗彈性能考核評價標準有GJB 59.17—1988《裝甲車輛試驗規(guī)程裝甲板抗炮彈性能試驗》、GJB 59.18—1988《裝甲車輛試驗規(guī)程裝甲板抗槍彈性能試驗》和GJB 5119—2002《裝甲材料防護系數(shù)測定方法》等[32-34]。

2.2 裝甲鈦合金的軍用標準

20世紀50年代末，美國形成了全球首個可焊接裝甲鈦合金材料的軍用標準MIL-A-46077[35]。

海灣戰(zhàn)爭后，美國陸軍材料實驗室深入研究了Ti6Al4V合金中主元素、間隙元素以及板材的熱處理工藝等對其抗彈性能的影響。1998年，美國頒布了可焊接裝甲鈦合金板材軍用標準MIL-A-46077F，該標準中除包括早期版本ELI級別的Ti6Al4V合金之外，增加了3個成分級別鈦合金，放寬了Fe、O元素含量的上限；將板材厚度規(guī)格擴大至100 mm；標準中增加了對板材縱向力學性能的要求，力學性能指標中不考慮厚度規(guī)格效應；規(guī)定Ti6Al4V合金板材的屈服強度不小于758 MPa，抗拉強度不小于827 MPa，伸長率指標不小于6%；規(guī)定了各厚度規(guī)格的板材抗彈性能(V50)指標。

2006年，通過對軍用標準MIL-D-46077F的修訂，形成了新的裝甲鈦合金標準MIL-D-46077G。該標準中將裝甲鈦合金材料劃分為4個級別，即以航空級低間隙鈦合金材料為代表的1級(Class 1)、以商用鈦合金材料為代表的2級(Class 2)、以高含氧量的低成本鈦合金材料為代表的3級(Class 3)和以新型低成本鈦合金材料為代表的4級(Class 4)，見表3。

表3 MIL-D-46077G標準中的鈦合金分類

3 應用現(xiàn)狀

目前，美軍在陸基裝甲裝備中鈦合金材料的應用較為成熟。美軍先后在改造的M1“艾布拉姆斯”主戰(zhàn)坦克、M2“布雷德利”步兵戰(zhàn)車以及“斯特賴克”輪式裝甲車等裝甲車輛上實現(xiàn)了鈦合金的規(guī)模應用，取得了明顯的減重和防護效果[36，37]。

針對主戰(zhàn)坦克，美軍先后對M1A2主戰(zhàn)坦克展開了2個階段的升級改造。第1個階段完成于20世紀90年代，通過使用鈦合金替代頂部防護蓋板、發(fā)動機蓋板、瞄具和定位系統(tǒng)防護罩等鋼制結(jié)構(gòu)件，獲得420 kg的減重效果。第2階段完成于21世紀初期，通過使用Ti6Al4V合金焊接而成的炮塔替代鋼制炮塔，獲得良好減重效果。圖6是裝甲鈦合金在M1A2主戰(zhàn)坦克上的應用情況[36]。

針對裝甲車輛，美軍采用Ti6Al4V合金制造了M2“布雷德利”步兵戰(zhàn)車指揮艙蓋(圖7a)，獲得了良好的減重效果；還采用Ti6Al4V合金制造了“斯特賴克”輪式裝甲車的防護鍛環(huán)(圖7b)[37]。

圖7 Ti6Al4V合金制造的M2“布雷德利”步兵戰(zhàn)車指揮艙蓋和“斯特賴克”輪式裝甲車防護鍛環(huán)

此外，BAE System公司和GE公司各自推出了其以低成本鈦合金材料為基體裝甲和關(guān)重結(jié)構(gòu)件的原型車。圖8a為BAE System公司的油電混動輪式電動裝甲原型車“Pegasus”，其車首和成車體框架使用低成本鈦合金焊接而成；圖8b為GE公司的高機動性多用途輪式裝甲車(High mobility multipurpose wheeled vehicle)原型車車體，該車體由低成本ATI 425鈦合金焊接而成[37]。

圖8 美國軍工集團研制的原型車車體

俄羅斯在裝甲鈦合金的應用方面也取得顯著成果，T-90A主戰(zhàn)坦克炮塔采用鈦合金框架及“碗型”無底金屬結(jié)構(gòu)，使得炮塔正面防護能力提高到1 300 mm RHA；T-95主戰(zhàn)坦克炮塔正面采用新型高強韌的全鈦合金模塊化裝甲結(jié)構(gòu)單元，使得防護能力提高到1 500 mm RHA。

法國陸軍新型步兵戰(zhàn)車(VBCI)無人炮塔掛裝鈦合金附加裝甲，防護性能大幅提高，能夠防御包括155 mm炮彈碎片和中小口徑炮彈。英國研制的改進型“武士”步兵戰(zhàn)車的鋁合金雙人炮塔掛裝一層鈦合金間隔裝甲，防護性能也得到明顯改善，能防御30 mm尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈。

4 結(jié) 語

國外裝甲鈦合金的應用研究工作取得全面進展，并在裝備改造升級和新一代裝備研制上獲得了工程化應用。相比于國外，國內(nèi)裝甲鈦合金的應用研究才剛剛開始。通過對國內(nèi)外裝甲鈦合金應用研究現(xiàn)狀的分析、討論，提出了未來我國裝甲鈦合金研究的發(fā)展趨勢。

(1)在積累的鈦合金抗彈性能數(shù)據(jù)和掌握的結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)基礎之上，形成我國裝甲鈦合金軍用標準、裝甲鈦合金板材制備及其結(jié)構(gòu)件制造工藝規(guī)范，建立裝甲鈦合金的抗彈性能考核評價方法體系及其工程應用基礎數(shù)據(jù)庫，為工程應用奠定基礎。

(2)系統(tǒng)研究裝甲鈦合金的抗毀傷機理和典型抗彈效應，特別是面向桿式穿甲彈丸的典型抗彈效應及其抗毀傷機理、面向破片模擬彈丸的超高速撞擊效應及其抗毀傷機理和防多發(fā)彈防爆轟雙重功能的抗毀傷機理等，為工程應用提供更為豐富的理論支撐。

(3)深入開展裝甲鈦合金基礎科學研究工作，特別是抗彈性能指標體系及其內(nèi)在聯(lián)系研究、彈靶作用過程多維度多尺度的原位三維觀測和分析技術(shù)、動態(tài)力學性能評價理論和抗彈性能實驗室預估方法等，為工程應用提供堅實的科學依據(jù)。

(4)加強對低成本鈦合金和高性能鈦合金材料相關(guān)研究計劃的支持，重點突破高性能低成本和良好工藝性鈦及鈦合金板材的研發(fā)和高效批量穩(wěn)定化制備，充分挖掘傳統(tǒng)合金組織結(jié)構(gòu)的低成本制備工藝途徑并深入研究高性能低成本鈦合金的組織結(jié)構(gòu)控制方法，促進裝甲鈦合金在裝甲防護領域的工程化應用。