王幸運(yùn)，雷文光，岳 旭，高文柱，季紅軍，楊 錚，趙小龍

(新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司，新疆 哈密 839000)

鈦及鈦合金具有強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良特性，且密度僅為鋼材密度的60%，是一種較好的減重材料[1，2]。除航空航天領(lǐng)域外，兵器、艦船等領(lǐng)域也充分發(fā)揮鈦合金輕質(zhì)高強(qiáng)的特性設(shè)計(jì)制造相關(guān)部件[3-5]。例如，美國(guó)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都大量使用了Ti6Al4V合金，實(shí)現(xiàn)了較好的減重效果[6]；美國(guó)M1A2主戰(zhàn)坦克通過(guò)使用低成本ATI425鈦合金替代鋼制結(jié)構(gòu)件、鋼制炮塔等，亦獲得了非常好的減重效果[6]；俄羅斯在T-90A、T-95主戰(zhàn)坦克炮塔中采用模塊化鈦合金裝甲框架等，使其裝甲防護(hù)能力得到大幅度提高[7,8]。

然而，目前我國(guó)在裝甲防護(hù)領(lǐng)域尚沒(méi)有成熟應(yīng)用的鈦合金材料。為此，新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司自主研制了一種新型裝甲用低成本鈦合金XRF001。本研究對(duì)該合金進(jìn)行了不同制度的熱處理，并與ATI425、ATI425-MOD(ATI425改進(jìn)型)鈦合金的組織和性能進(jìn)行了對(duì)比，重點(diǎn)研究了XRF001鈦合金的抗彈性能，并對(duì)其抗彈機(jī)理進(jìn)行了初步探索。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司自主研制的XRF001鈦合金。與常規(guī)TC4鈦合金相比，XRF001鈦合金中去掉了昂貴的V元素，加入了Mo、Fe、O等低成本元素，合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)<10%，是一種典型的α+β鈦合金，相變溫度Tβ為995 ℃。XRF001鈦合金鑄錠經(jīng)開(kāi)坯鍛造、兩相區(qū)軋制后，得到厚度為7.5 mm的板材。經(jīng)不同制度熱處理和表面處理后，切割成7.5 mm×500 mm×600 mm的標(biāo)準(zhǔn)靶板。表1為XRF001鈦合金板材的熱處理制度。

表1 XRF001鈦合金板材的熱處理制度

由于ATI425鈦合金和ATI425-MOD鈦合金的相變點(diǎn)與XRF001鈦合金較為接近，故采用相同的熔煉、鍛造及軋制工藝分別制備ATI425和ATI425-MOD鈦合金板材。表2為ATI425和ATI425-MOD鈦合金板材的化學(xué)成分。

表2 ATI425和ATI425-MOD鈦合金板材的化學(xué)成分(w/%)

采用CMT5205電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、ZBC2302-BE擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)、NEXUS3001XLM-IMP硬度計(jì)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。采用ICX41M光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。按照GJB 59.18—1988《裝甲車輛實(shí)驗(yàn)規(guī)程 裝甲板抗槍彈性能試驗(yàn)》進(jìn)行彈道侵徹試驗(yàn)，測(cè)試靶板抗彈性能，測(cè)試條件為53式7.62 mm普通鋼芯彈垂直入射，射擊距離100 m。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖1為ATI425、ATI425-MOD及XRF001鈦合金板材經(jīng)不同熱處理后的顯微組織。由圖1可以看出，3種鈦合金熱處理后為雙態(tài)組織。XRF001鈦合金經(jīng)普通退火(HT1)后，組織由拉長(zhǎng)的初生α相和片層α相組成(圖1c)；經(jīng)雙重退火(HT2)后，由于一次退火溫度較高，初生α相明顯減少，經(jīng)二次退火后保留了部分等軸α相，其余為針狀α相(圖1d)。

圖1 ATI425、ATI425-MOD及XRF001鈦合金板材經(jīng)不同熱處理后的顯微組織Fig.1 Microstructures of titanium alloy plates after different heat treatments: (a) ATI425， conventional annealing; (b) ATI425-MOD， conventional annealing; (c) XRF001， conventional annealing; (d) XRF001， double annealing

2.2 力學(xué)性能

XRF001、ATI425及ATI425-MOD鈦合金板材不同狀態(tài)下的力學(xué)性能見(jiàn)表3。由表3可知，3種板材軋制態(tài)(R)的力學(xué)性能相當(dāng)，XRF001鈦合金板材的硬度相對(duì)略高。經(jīng)普通退火后，XRF001鈦合金的綜合性能相對(duì)更好。經(jīng)雙重退火后，XRF001鈦合金板材的抗拉強(qiáng)度較普通退火后有所升高，表面硬度較高，但塑性明顯降低，延伸率僅為12.5%；經(jīng)固溶時(shí)效處理后，XRF001鈦合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1356 MPa，并擁有較高的表面硬度，但固溶處理后板型較差，低溫時(shí)效難以校平，且塑性、沖擊性能明顯下降。考慮到工程化應(yīng)用的便捷性，推薦選擇普通退火和雙重退火工藝。

表3 3種鈦合金板材不同狀態(tài)下的力學(xué)性能

2.3 抗彈性能

在相同測(cè)試條件下，對(duì)經(jīng)普通退火后的3種鈦合金板材進(jìn)行抗彈性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，XRF001與ATI425-MOD鈦合金板材的抗彈性能明顯優(yōu)于ATI425鈦合金板材，均達(dá)到GJB 59.18—1988標(biāo)準(zhǔn)2級(jí)防護(hù)要求。

表4 3種鈦合金板材的抗彈性能對(duì)比

圖2為經(jīng)普通退火(HT1)和雙重退火(HT2)后XRF001鈦合金靶板經(jīng)射擊后正面和背面的宏觀形貌。由圖2a、2b可以看出，經(jīng)過(guò)5發(fā)子彈射擊后，普通退火態(tài)靶板正面彈坑完整，背面無(wú)裂紋，防護(hù)等級(jí)達(dá)到2級(jí)(合格損傷)，正面平均彈坑深度約為1.1 mm，背凸為0.4 mm，防護(hù)效果較好。由圖2c、2d可以看出，雙重退火態(tài)靶板正面彈坑完整，但背面存在裂紋，防護(hù)等級(jí)為4級(jí)(合格損傷)，正面平均彈坑深度小于退火態(tài)，約為0.8 mm，背凸為0.4 mm。與雙重退火相比，普通退火后XRF001鈦合金板材的抗彈性能更為優(yōu)異。

圖2 不同退火態(tài)XRF001鈦合金靶板受子彈沖擊后的宏觀照片F(xiàn)ig.2 Macrophotographs of XRF001 titanium alloy target plates under different annealing states after projectile impacted: (a，b) conventional annealing; (c，d) double annealing

為進(jìn)一步測(cè)試XRF001鈦合金的抗彈性能，將普通退火態(tài)7.5 mm厚XRF001鈦合金板材減薄至7.0 mm厚(實(shí)際測(cè)量的平均厚度約為6.88 mm)進(jìn)行靶試測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可知，XRF001鈦合金板材表面彈坑較深，5發(fā)彈坑平均深度約2.0 mm，接近測(cè)試板材厚度的30%，且背面無(wú)裂紋，背凸約為1.2 mm，達(dá)到GJB 59.18—1988標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)防護(hù)要求。

圖3 普通退火態(tài)XRF001鈦合金靶板抗彈極限測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of ballistic limit of conventional annealed XRF001 titanium alloy target plate

子彈高速侵徹靶板時(shí)，彈芯被瞬間鐓粗變成典型的“蘑菇頭”狀，著彈部位的作用面積迅速增大，侵徹阻力瞬間增加，阻止了破壞的進(jìn)一步發(fā)生。抗彈測(cè)試結(jié)果表明，材料強(qiáng)度越高、硬度越大，彈坑深度越小。這是由于材料強(qiáng)度提高增加了“蘑菇頭”

的宏觀尺寸，增加了侵徹阻力[9]。因此，雙重退火態(tài)靶板的彈坑深度較普通退火態(tài)小(圖2)。但由于材料強(qiáng)度提高的同時(shí)塑性下降，沖擊韌性變差，最終導(dǎo)致雙重退火態(tài)的抗彈性能反而不如普通退火態(tài)。由此可見(jiàn)，抗彈防護(hù)效果是材料強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性、硬度等綜合性能共同作用的結(jié)果。

從普通退火態(tài)XRF001鈦合金板材的最大彈坑深度處解剖觀察其組織形態(tài)，解剖的3個(gè)彈坑僅1個(gè)出現(xiàn)絕熱剪切帶現(xiàn)象，如圖4所示。絕熱剪切帶角度與侵徹方向呈接近45°，起始于彈坑表面，在多次穿過(guò)片層α組織后末端逐漸與靶板平行，延伸方向與拉長(zhǎng)的初生α相平行。由此可見(jiàn)，片層狀組織可以改變XRF001鈦合金的絕熱剪切帶走向及裂紋擴(kuò)展路徑，消耗更多的能量[10,11]，有利于提高抗彈性能。

圖4 XRF001鈦合金靶板著彈點(diǎn)的絕熱剪切帶形貌Fig.4 Morphology of adiabatic shear band at elastic point of XRF001 titanium alloy target plate

3 結(jié) 論

(1) ATI425-MOD和XRF001鈦合金具備較好的防7.62 mm鋼芯彈的抗彈性能，均明顯優(yōu)于ATI425鈦合金。

(2) 普通退火態(tài)XRF001鈦合金板材的強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性和硬度匹配良好，抗彈性能優(yōu)于雙重退火態(tài)。

(3) 普通退火態(tài)XRF001鈦合金組織中拉長(zhǎng)的片層狀α組織能夠改變絕熱剪切帶的延伸路徑，有助于提高合金的抗彈防護(hù)等級(jí)。