鈦合金在兩棲裝甲車輛車體上的應(yīng)用性能研究

周中鋒，蔡 虹，汪 宇，張粉萍，劉兆懿

(江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411100)

在新形勢(shì)下，依據(jù)新時(shí)期軍事戰(zhàn)略方針，在各兵種聯(lián)合登陸作戰(zhàn)中，兩棲裝甲突擊部隊(duì)是近海突擊、岸頭搶灘和登陸的核心力量，具有其他兵種或武器裝備不可替代的作用[1]，為此，裝甲車輛必須具有輕量化特征和高機(jī)動(dòng)、高生存能力[2]，對(duì)整車減重的要求更高，大量應(yīng)用高性能輕質(zhì)新材料是必然選擇[3]。因此在進(jìn)行車體設(shè)計(jì)時(shí)，一方面需要增加車體的強(qiáng)度，以支撐武器、防護(hù)等其他系統(tǒng)在高機(jī)動(dòng)環(huán)境下的可靠工作；另一方面，車體需要大幅度減重，為更先進(jìn)的武器、防護(hù)等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)留出更多的重量空間。在這種大背景下，占整車重量約1/3的車體的減重和防護(hù)性能增強(qiáng)的要求十分迫切，傳統(tǒng)的裝甲鋁已不能滿足，尋找新型兼具高比強(qiáng)度和比抗彈性能的替代材料迫在眉睫。

鈦合金(TC4)的比強(qiáng)度為199 N·m/kg，合金結(jié)構(gòu)鋼(38CrSi)的比強(qiáng)度為124 N·m/kg，裝甲鋁合金的比強(qiáng)度為146 N·m/kg，鈦合金的比強(qiáng)度最高，在制造相同強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)與零件時(shí)，鈦合金比合金結(jié)構(gòu)鋼及鋁合金均要輕，同時(shí)鈦合金具備優(yōu)異的防腐性能。

綜合分析，鈦合金因其較低的密度、較高的比強(qiáng)度和優(yōu)異的抗疲勞性能等，成為了裝甲車輛車體輕量化設(shè)計(jì)的理想材料。因此，本文以鈦合金工程化樣車車體為研究對(duì)象，通過加工性能、加工效率兩方面開展鈦合金工藝性分析，并通過數(shù)值分析、靶試試驗(yàn)、研制及試驗(yàn)，分別從抗彈性能、結(jié)構(gòu)性能、耐腐蝕性能等方面，綜合分析鈦合金材料的工程化應(yīng)用性能。

1 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用概況

1.1 國(guó)外應(yīng)用概況

國(guó)外坦克裝甲車輛上已大量應(yīng)用鈦合金，并有逐漸增加的趨勢(shì)。例如，美國(guó)鈦合金已應(yīng)用在M1“艾布拉姆斯”主戰(zhàn)坦克、M2“布萊德雷”戰(zhàn)車上的鈦合金炮塔、履帶等，俄羅斯T-80主戰(zhàn)坦克上的發(fā)動(dòng)機(jī)外殼門、炮塔回轉(zhuǎn)支架等，法國(guó)陸軍新型步兵戰(zhàn)車(VBCI)無人炮塔掛裝鈦合金附加裝甲，英國(guó)研制的改進(jìn)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。通過鈦合金在坦克裝甲車輛上的應(yīng)用，為坦克裝甲車輛輕量化提供有效途徑[4-8]?！鞍祭匪埂敝鲬?zhàn)坦克鈦合金部件減重效果如圖1所示。

1.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用概況

國(guó)內(nèi)坦克裝甲車輛領(lǐng)域鈦合金的應(yīng)用研究起步較晚，發(fā)展也落后于世界各主要軍事大國(guó)，長(zhǎng)期以來居高不下的價(jià)格成本及制造技術(shù)瓶頸是制約鈦合金裝甲車輛應(yīng)用的主要因素。目前，國(guó)內(nèi)已在坦克裝甲車輛上成熟應(yīng)用的主要為復(fù)合裝甲與小型結(jié)構(gòu)件。

2 應(yīng)用研究的必要性

裝甲車輛車體是防御敵人各種武器攻擊的“盾”，盡量保護(hù)乘員和設(shè)備不受傷害，是裝甲車輛綜合防護(hù)系統(tǒng)中“不被擊穿”層級(jí)中基體裝甲防護(hù)，同時(shí)需兼顧高剛強(qiáng)度(承載需求)、大容積(浮力儲(chǔ)備需求)、質(zhì)量輕(輕量化需求)等特點(diǎn)?，F(xiàn)役裝甲車輛車體主體材料為裝甲鋁合金，是我國(guó)20世紀(jì)70年代末研制、80年代初定型的鋁-鋅-鎂系均質(zhì)裝甲鋁合金材料，除解決了兩棲裝備研制中對(duì)重量的嚴(yán)格約束問題外，使得車輛剛強(qiáng)度、防護(hù)性能、重量得到較好的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。隨著裝甲車輛服役長(zhǎng)久和實(shí)戰(zhàn)化的演練要求，裝甲鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料，因材料各向異性顯著、耐腐蝕性低、疲勞性能不佳等7系高強(qiáng)鋁合金材料的特性而導(dǎo)致車體可靠性問題日益突出。同時(shí)，經(jīng)過多年鋁-鋅-鎂系均質(zhì)裝甲鋁合金抗彈性能研究，其防護(hù)潛能基本挖掘殆盡，未來裝甲車輛車體從鋁合金材料方面提升防護(hù)性能空間不大，難以滿足裝備輕量化整體提升研制需求。

綜合上述分析，鋁合金裝甲材料難以滿足與日俱增的防護(hù)性能與輕量化之間的矛盾，世界各國(guó)越來越把研究的目光轉(zhuǎn)向鈦合金裝甲材料，而大型復(fù)雜裝甲車體結(jié)構(gòu)件應(yīng)用鈦合金材料目前尚屬空白，鈦合金在裝甲車輛車體的應(yīng)用存在價(jià)格昂貴限制、加工技術(shù)瓶頸、標(biāo)準(zhǔn)體系不健全、應(yīng)用效果不清晰等一系列急需解決的問題[9]。為擴(kuò)大鈦合金在裝甲車輛上的應(yīng)用范圍及效果，先期開展鈦合金車體應(yīng)用研究是十分必要的。

3 應(yīng)用研究的內(nèi)容

根據(jù)裝甲車輛車體研制流程，開展鈦合金車體技術(shù)研究，突破鈦合金車體制造關(guān)鍵技術(shù)，通過鈦合金工程化樣車車體試制及試驗(yàn)，從工藝性能、應(yīng)用性能方面評(píng)估鈦合金材料在裝甲車輛的工程化應(yīng)用可行性，支撐未來裝甲車輛輕量化車體的研制。

3.1 工藝性分析

3.1.1 加工特性

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、低溫韌性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)裝甲材料，但是鈦合金因加工工藝復(fù)雜[10-11]，是限制其廣泛應(yīng)用的重要因素，鈦合金加工主要有如下特點(diǎn)。

1)化學(xué)活性高。在高溫下易與氧、氮或其他含氧氣體發(fā)生劇烈反應(yīng)。在空氣中加熱時(shí)，零件表面形成氧化皮，當(dāng)溫度高于900 ℃時(shí)，氧化皮開始起鱗，易向金屬深處擴(kuò)展，使其硬度升高，塑性降低。

2)導(dǎo)熱性差。鈦合金的熱導(dǎo)率只有鋁合金的1/15、鋼的1/5。導(dǎo)熱性差，在零件端面層會(huì)產(chǎn)生較大溫度差，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，容易變形和形成裂紋。同時(shí)，變形熱效應(yīng)易使最強(qiáng)烈的變形區(qū)金屬過熱，使組織和性能劣化[12]。

3)冷變形能力有限。鈦合金很難進(jìn)行冷加工，是因其變形抗力高、變形時(shí)加工硬化、具有開裂和斷裂傾向的緣故。

4)壓力加工時(shí)，具有易黏結(jié)變形工模具的傾向。這種傾向會(huì)使加工零件表面質(zhì)量惡化，因此對(duì)變形工模具和壓力加工時(shí)的工藝潤(rùn)滑提出了更苛刻的要求。

5)屈強(qiáng)比高，彈性模量低。這一特性使零件在冷狀態(tài)下矯直時(shí)，彈性回彈大，同時(shí)在機(jī)械加工時(shí)零件易撓曲變形，刀具易顫抖。

基于上述鈦合金的加工特性，以裝甲車輛典型結(jié)構(gòu)件車體及零部件的形式，從加工性能、加工效率兩方面開展鈦合金工藝性分析，評(píng)判鈦合金是否適用于裝甲車體加工制造及其效率。

3.1.2 加工性能

車體典型零部件制造常用的工藝為下料、鈑金、機(jī)械加工、焊接等，通過工藝試驗(yàn)及鈦合金車體研制，鈦合金加工性能如下。

1)下料。

鈦合金車體典型零部件制造常用的下料工藝有剪切、激光切割、水切割、等離子切割、鋸切等切割下料方法(見圖2)。通過鈦合金板材、鈦合金型材、鈦合金棒材的下料工藝試驗(yàn)及試制，鈦合金板材最佳下料工藝為水刀切割工藝，鈦合金型材、鈦合金棒材下料工藝為鋸切，常規(guī)下料工藝能滿足鈦合金車體制造。

2)鈑金。

鈦合金車體為復(fù)雜大型構(gòu)件，鈑金成形零件主要為L(zhǎng)型、U型筋以及異形安裝支座零件。針對(duì)鈦合金車體典型零部件制造鈑金成形工藝，進(jìn)行了TA2、TA4、TC4鈦合金板材的冷彎、熱壓工藝研究。通過工藝試驗(yàn)及典型件試制可知，TA2、TA4鈦合金板材的冷彎成形工藝性較好，TC4鈦合金板材需采用熱壓成形方式進(jìn)行彎形，成形精度及性能能夠滿足裝甲車輛鈦合金的制造需求。冷/熱鈑金成形零件如圖3所示。

3)焊接。

鈦合金車體制造焊接工藝，以鈦合金手工TIG焊接、MIG焊接工藝為基礎(chǔ)，摸索了鈦合金車體焊接的坡口形式、焊接電流、焊接電壓、氣體保護(hù)方法、氣體流量及層間溫度和裝配間隙等工藝要素，通過工藝試驗(yàn)及研制可知，裝甲車輛鈦合金車體采用TIG+MIG焊接相結(jié)合的方式(見圖4)能夠滿足鈦合金車體的焊縫強(qiáng)度、質(zhì)量等要求。

4)機(jī)械加工。

車體制造機(jī)械加工工藝通常為車削、銑削、鏜削、鉆孔、攻絲加工及鈦合金車體關(guān)鍵重要尺寸組合加工，通過試驗(yàn)分析[13-14]摸索出的鈦合金機(jī)械加工的加工設(shè)備、刀具選擇、加工方法、加工參數(shù)和刀具壽命等參數(shù)，滿足裝甲車輛鈦合金車體的制造精度等需求。典型結(jié)構(gòu)件鈦合金炮塔座圈座加工如圖5所示。

3.1.3 加工效率

鈦合金車體試制，理論上全流程鈦合金車體效率約為鋁合金車體生產(chǎn)效率的0.4倍，科研階段的加工效率較低，基本能滿足裝甲車輛鈦合金車體(見圖6)制造周期要求。

3.2 應(yīng)用性能分析

鈦合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能，是裝甲車輛車體理想的輕量化裝甲材料，但是缺乏實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)資料、試驗(yàn)驗(yàn)證，項(xiàng)目組通過數(shù)值分析、靶試試驗(yàn)、研制及試驗(yàn)，分別從抗彈性能、結(jié)構(gòu)性能、耐腐蝕性能方面，分析鈦合金材料作為車體主體材料帶來的性能提升，評(píng)判鈦合金車體的工程化應(yīng)用性能效益。

3.2.1 抗彈性能分析

鈦合金車體在同等外形條件下，通過數(shù)值計(jì)算及靶試試驗(yàn)，典型抗彈部位總質(zhì)量比鋁合金車體輕315 kg(見表1)，相同質(zhì)量下防護(hù)效能比鋁合金裝甲提高15%。以12 mm的TC4裝甲鈦合金為例，在同等防護(hù)條件下，相當(dāng)于30 mm厚的裝甲鋁合金，減重效率35%，試驗(yàn)效果如圖7所示。

表1 典型抗彈部位甲板質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

3.2.2 結(jié)構(gòu)性能分析

鈦合金車體選用的基體裝甲材料為TC4裝甲鈦合金，是基于國(guó)標(biāo)TC4材料成分基礎(chǔ)上，通過添加返回料、冷床爐單次熔煉及扁錠短流程軋制等低成本化制造技術(shù)獲得了低成本高性能鈦合金材料，其材料體系還為Ti-Al-V系。通過對(duì)比典型金屬結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能(見表2)可知，鈦合金及其焊縫比強(qiáng)度均高于鋼合金、鋁合金材料，是裝甲車輛車體較為理想的輕量化結(jié)構(gòu)材料。

表2 典型金屬結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能對(duì)比

通過對(duì)鈦合金車體進(jìn)行有限元仿真分析(見圖8)、白車體模態(tài)測(cè)試(見圖9)、裝甲車輛典型工況振動(dòng)及應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果表明，鈦合金車體滿足在裝甲車輛典型工況的承載需求，同時(shí)驗(yàn)證平臺(tái)振動(dòng)特性較現(xiàn)役裝甲車輛有較大提高，在整個(gè)速度段行駛時(shí)未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重振動(dòng)情況。因此，鈦合金車體結(jié)構(gòu)在滿足裝甲車輛使用要求的前提下，較現(xiàn)役裝甲車輛有提升，較鋁合金車體減重率為6.8%，典型結(jié)構(gòu)件車體輕量化效果明顯。

3.2.3 耐腐蝕性能分析

針對(duì)鈦合金材料的自有特性和表面界面情況，鈦合金車體采用新的陶瓷涂料防腐涂裝體系，驗(yàn)證樣車配套零部件涂裝體系在現(xiàn)役裝甲車輛涂裝體系增強(qiáng)，常拆卸的標(biāo)準(zhǔn)件采用鍍Cd-Ti合金，其余的防腐表面處理工藝與現(xiàn)役裝甲車輛的措施相同。考慮到鈦合金與異構(gòu)金屬間電偶腐蝕問題，采用鈦合金的絕緣隔離、鋁合金硫酸陽極氧化及絕緣隔離等防腐技術(shù)，通過耐腐蝕對(duì)比試驗(yàn)(見表3和圖10)可知，中性鹽霧試驗(yàn)時(shí)間不低于2 000 h(鋁合金車體為1 000 h)。

表3 人工海水中耐腐蝕對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 綜合評(píng)估

鈦合金材料在裝甲車輛上應(yīng)用(見表4)，通過鈦合金車體的研制和試驗(yàn)驗(yàn)證，依據(jù)《裝備預(yù)研技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)方法》，認(rèn)為鈦合金車體技術(shù)成熟度符合“成熟度評(píng)價(jià)方法”中“等級(jí)六”的相關(guān)規(guī)定，工藝性能、應(yīng)用性能方面均能滿足工程化應(yīng)用要求，且輕量化和耐腐蝕效果好。

表4 典型結(jié)構(gòu)件鈦合金車體工程化應(yīng)用匯總

5 結(jié)語

通過在裝甲車輛車體全面應(yīng)用鈦合金，研制一臺(tái)鈦合金車體，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最后進(jìn)行了工程化應(yīng)用綜合分析，結(jié)論如下。

1)工藝性。鈦合金材料在裝甲車輛典型結(jié)構(gòu)件鈦合金車體上工藝性能具有可行性，并初步形成了鈦合金車體加工制造工藝規(guī)范，具備進(jìn)一步推廣應(yīng)用研制的價(jià)值。鈦合金車體較鋁合金車體加工效率有劣勢(shì)，主要由鈦合金材料特性、工藝水平和現(xiàn)有條件決定，通過工藝深入研究、設(shè)備與硬件設(shè)施建設(shè)，未來有望進(jìn)一步提升。

2)應(yīng)用性。鈦合金材料作為典型結(jié)構(gòu)車體主體材料，相比鋁合金材料在抗彈性能、承載性能、耐腐蝕性能、減重等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，符合未來裝甲車輛的輕量化研制趨勢(shì)需要。

綜上所述，鈦合金材料在裝甲車輛車體應(yīng)用可行，可為未來裝甲車輛車體輕量化提供一種解決方案。