آلیاژهای تیتانیوم در تانک ها و خودروهای زرهی

خودروهای زرهی تانک به دلیل تغییر حالت‌های رزمی در سال‌های اخیر نیازمند تحرک بالا، استقرار سریع در محیط‌های خاص و بقای بالا هستند. بنابراین، توسعه آلیاژهای تیتانیوم با استحکام خاص بالا و همچنین تکنیک‌های ساخت کم‌هزینه برای امکان استفاده از آلیاژهای تیتانیوم با کارایی بالا در خودروهای زرهی تانک ضروری است.
ویلیام آ. گوچ و همکاران. در بررسی آنها به M2A2 Bradley شکل بسیار پیچیده ای از دریچه کاپیتان داده است، از طریق استفاده از دریچه آهنگری تیتانیوم وزن سبک تر از دریچه فولادی است و مقاومت در برابر عملکرد الاستیسیته با دریچه فولادی قبلی قابل مقایسه است.
در 2005-2006، ARL و British Aerospace Advanced Materials درج‌های بالستیک منحنی تیتانیوم کامپوزیت خالص تحت فشار داغ تحقیق کردند. صفحات از آلیاژهای تیتانیوم درجه 3 و 4 تحت MIL-DTL- 46077G ساخته شده‌اند. ARL همچنین زره پوش تیتانیوم را برای نفربر زرهی M113A3 مورد بررسی قرار داد که محافظت بالستیک را نسبت به زره پوش فولادی سنگین‌تر فراهم می‌کند.
یک ورقه ورقه متالورژیکی با سختی دوگانه تیتانیوم مشابه فولاد با سختی دوگانه از خواص مکانیکی و مکانیسم‌های واکنش بالستیک پانل‌های تیتانیوم نرم و سخت برای مقاومت در برابر ضربه پرتابه استفاده می‌کند. پانل های سخت تر برای مقاومت در برابر پرتابه ها و صفحات پشتی نرم تر برای به حداقل رساندن پوسته پوسته شدن در سطح عقب استفاده می شوند. یک آلیاژ پانل Ti-3Si-Fe-0.5N به صورت رول به یک صفحه پشتی Ti-7Al-2.5Mo جوش داده شد تا یک صفحه کامپوزیت تشکیل شود، که سپس عملیات حرارتی شده مشخص شد که صفحات با سختی Rc 60 یا بیشتر برای حفاظت بالستیک و حداکثر مقاومت در برابر پوسته شدن در نسبت ضخامت 70/30 بهینه هستند. آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش ایالات متحده (ARL) چهار فرآیند پیوند مانند نورد، اتصال انتشار، پرس ایزواستاتیک داغ، یا جوشکاری انفجاری را مطالعه کرد و دریافت که مقاومت الاستیک را می‌توان تا 10-25% افزایش داد. مقاومت الاستیک ورقه‌های Ti{15}}Al- 4V/CP Ti با فشار ایزواستاتیک داغ حدود 10 درصد نسبت به یک Ti{18}}AL{19}}V همسانگرد بهبود یافته است. بشقاب
UK Aerospace Advanced Materials، تحت قرارداد با ARL، فرآیندی را برای تهیه بلوک‌های FGM با استفاده از مخلوط‌های پودر تیتانیوم و تیتانیوم/دیبورید تیتانیوم (TiB2) در قالب فشرده گرم و نزدیک به شبکه برای تشکیل دی‌بورید تیتانیوم (TiB2) توسعه داده است. سطح سخت / بستر فلزی تیتانیوم، با یک لایه میانی از ساختار گرادیان. یکی دیگر از پیشرفته تر، کامپوزیت های سرامیکی ایزواستاتیک داغ مبتنی بر تیتانیوم است. آزمایش‌های ضربه‌ای بالستیک نشان داده‌اند که هسته‌های پرتابه سوراخ‌کننده زره آلیاژ تنگستن توسط مکانیزم شکستی به نام توقف سطحی آسیب دیده‌اند.
ARL توسعه تیتانیوم P900 را با استفاده از دو تکنیک ریخته‌گری مختلف برای نشان دادن امکان‌سنجی تولید ریخته‌گری‌های تیتانیوم خالص سبک وزن و انعطاف‌پذیری چنین ریخته‌گری‌ها در برابر گلوله‌های سوراخ‌کننده انرژی جنبشی تامین کرد. هدف توسعه صفحه تیتانیوم P900 بود که الزامات عملکرد کلی مشخصات نظامی فولاد را برآورده کند، اما وزن پلت فرم نظامی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. این صفحه تیتانیوم ریخته‌گری شده با سوراخ‌هایی با فاصله مشخص و شکل خاصی تراشیده شده بود.
توسعه و استفاده از آلیاژهای غیر Ti-6Al- 4V همچنین مزایای قابل توجهی را به دلیل کاهش استفاده از عناصر آلیاژی با هزینه بالاتر و درمان با پرتو الکترونی یا پرتو پلاسما ارزان‌تر ارائه می‌کند. .ARL معتقد است که این جهت فناوری استفاده از تیتانیوم را در کاربردهای تجهیزات زمینی در آینده افزایش می دهد، چه به عنوان یک ماده ساختاری مستقل و چه در ارتباط با مواد دیگر. ARL تعدادی از کاربردهای بالقوه را برای آلیاژهای تیتانیوم درجه 4 ARL تحقیق کرده است. تعدادی از کاربردهای بالقوه برای آلیاژهای تیتانیوم درجه 4، از جمله TIMET 62S و ATI 425-MIL را بررسی کرده است. آلیاژ دوم دارای خواص بالستیک مشابه با آلیاژ استاندارد درجه 2 Ti{-6Al-4V است، اما از آهن (Fe) به جای مقداری وانادیوم (V) به عنوان تثبیت کننده بتا استفاده می کند. این آلیاژ همچنین می تواند سرد و گرم کار شود، قابلیتی که نشان داده است در برنامه های مختلف توسعه یک مزیت بزرگ است. مطالعات نشان داده است که آلیاژ تیتانیوم MIL-DTL- 46077G Grade 4 ATI 425-MIL ظرفیت خمشی بالایی دارد.
تانک M1A2 Abrams وزن اجزای شاسی را با تلاشی هماهنگ به بیش از 1500 پوند کاهش داده است.دریچه کاپیتان M2A2 Bradley Fighting Vehicle از تیتانیوم ساخته شده است و محافظ بالایی از تیتانیوم ساخته شده است. در جعبه های زره ​​واکنش جانبی به جای صفحات فولادی از صفحات تیتانیوم استفاده می شود و در نتیجه وزن زره واکنش کاهش می یابد.
تیتانیوم در حال حاضر در دو نسخه از خانواده وسایل نقلیه Stryker استفاده می‌شود. غلاف اسلحه‌های Stryker Mobile Protected Gun System از تیتانیوم ساخته شده‌اند و مجموعه حفاظتی توپچی تیتانیوم در مدل‌های Stryker RV و FSV. ساختار خودروی چرخ‌دار تیتانیوم BAEPegasus بخش اولیه بدنه خودروهای جنگی آینده که برای آزمایش زره های ترکیبی استفاده می شود. قسمت پایین بدنه و قسمت جلو از مشخصات نظامی MIL-DTL- 46077G Grade 3 تیتانیوم ارزان قیمت ساخته شده است، و کل خودرو با بدنه بالایی کامپوزیت و اسپیس فریم ساخته شده است. این خودرو تحت آزمایش های بالستیک گسترده و بارگذاری ضربه ای قرار گرفته است.

تحقیقات ارتش ایالات متحده تیتانیوم مذاب تک درجه را برای استفاده در خودروهای رزمی زمینی ارتش ارزیابی کرد. خواص مکانیکی کششی و چقرمگی شکست مشابه ورق کیفیت هوافضای T{1}Al- 4 معمولی بود. تیتانیوم ذوب کوره سرد بستر پرتو الکترونی (EBCHM) دارای مقاومت کشسانی مشابه MIL-T-9046 است. همچنین تعدادی از برنامه های ارتش وجود دارد که از استفاده از ذوب تیتانیوم تک مرحله ای و کم هزینه سود می برند. ارتش ایالات متحده با موفقیت استفاده از آلیاژهای تیتانیوم ارزان قیمت را در خودروی کپی Pegasus تأیید کرده است. همانطور که مشاهده می شود، مقادیر V50 همه بالاتر از استاندارد MIL-DTL- 46077F هستند.
کاهش وزن یک معیار مهم برای انتخاب مواد زره است. مواد جدید مختلفی در حال بررسی برای زره ​​سبک وزن هستند و آلیاژهای تیتانیوم به دلیل استحکام ویژه بالا، مقاومت در برابر خوردگی و خواص بالستیک خوب، کاندیدای بالقوه هستند. G.Sukumar et al. اثر عملیات حرارتی بر خواص مکانیکی و خواص ضد الاستیسیته آلیاژ تیتانیوم Ti- 4Al-2.3V-1.9Fe را بررسی کرد. نشان داده شد که محلول صفحات تیتانیوم تیمار شده و پیر شده (930 درجه و 900 درجه) در ناحیه + استحکام و شکل‌پذیری خوبی از خود نشان می‌دهد. صفحات .9Fe تحت تیمار + محلول و پیری (900 درجه STA) نسبت به صفحات Ti{16}}Al-2.3V-1.9Fe رول آنیل شده برتر بودند. در مقایسه با صفحات Ti{22}}Al- 4V، 900 درجه STA Ti- 4Al-2.3V-1.9Fe. صفحات دارای خواص بالستیک بهتری برای پرتابه های کروی 7.62 میلی متری هستند.
پینگ سونگ و همکاران رفتار ذاتی Ti{{{0}}Al-3V-2Cr-2Fe تحت تأثیر سرعت بالا توسط آزمایش، مدل و اعتبارسنجی را بررسی کرد. عملکرد بالستیک یک هدف Ti-5322 به ضخامت ۷ میلی‌متر با استفاده از آزمایش‌های ضربه بالستیک بررسی شد و دقت مدل سازنده با آزمایش‌های بالستیک تأیید شد. نتایج تجربی نشان می‌دهد که مدل ذاتی JC به خوبی می‌تواند سرعت نفوذ نهایی هدف Ti-5322 و کاهش سرعت قطعه را در طول فرآیند نفوذ پیش‌بینی کند. سرعت های محدود کننده بالستیک یک توپ آلیاژی تنگستن با قطر 10 میلی متر در یک هدف با ضخامت 7 میلی متر Ti{{{10}} در 0 درجه و 30 درجه 416.0 متر بر ثانیه و 484.8 است. به ترتیب متر بر ثانیه. تحت شرایط تغییر شکل یکسان، استحکام تسلیم آلیاژ تیتانیوم جدید ارزان‌قیمت Ti{18} به طور قابل‌توجهی بیشتر از آلیاژ تیتانیوم Ti6Al4V است. در شرایط شبه استاتیکی (0.01 ثانیه-1)، استحکام تسلیم فشاری آلیاژ تیتانیوم Ti-5322 1255 مگاپاسکال است که 20 درصد بیشتر از Ti6Al4V است. در شرایط دینامیکی (600-2 000 s-1)، قدرت تسلیم آلیاژ تیتانیوم Ti-5322 1 430-1 470 مگاپاسکال است که 28 درصد بیشتر از Ti6Al4V است.
احسن الحق و همکاران. مواد مختلف جذب کننده انرژی بالا را بررسی کرد. ساندویچ پانل های لانه زنبوری به دلیل چگالی کمتر و ظرفیت جذب انرژی بیشتر توسعه یافته اند. در میان همه آلیاژهای سبک، زره تیتانیوم به دلیل مقاومت الاستیک خود متمایز است، اما به دلیل هزینه بالای آن، استفاده در تسلیحات زمینی هنوز دشوار است. با این حال، ورقه های آلیاژ تیتانیوم + آلومینیوم یک دستاورد بزرگ در زره های چند لایه بوده است. Broeckhoven و A.du Plessis زره بدن انسان Ti-6Al- 4V را مدلسازی کردند تا پتانسیل آن را برای کاربردهای حفاظتی ارزیابی کنند. به طور خاص، آن‌ها بیان کردند که نمونه‌های حفاظت از ضربه بیونیک را می‌توان با تکنیک‌های ساخت افزودنی ساخت و نشان داد که پوسته‌های نقطه‌ای می‌توانند جذب انرژی بالایی را در طول تسلیم نشان دهند.
فرآیندهای متالورژی پودر را می توان برای ساخت اجزای ساختاری پیچیده تر و همچنین برای ایجاد مواد زره عملکردی گرادیان استفاده کرد. زره‌های ساختاری با گرادیان‌های عملکردی متفاوت را می‌توان برای محافظت در برابر پرتابه‌های زره‌زن برای اشیاء تهدید و مراحل مختلف نفوذ طراحی کرد.
ADAMProductsInc تهیه آلیاژهای تیتانیوم نظامی را با یک فرآیند متالورژی پودر حالت جامد کم هزینه بررسی کرده است. صفحه زره P/MT-6Al{3}}V با استفاده از فناوری تولید پودر تیتانیوم نوآورانه کم هزینه، روش متالورژی پودر مخلوط با کاهش هزینه، پرس ایزواستاتیک سرد، تف جوشی، نورد، اکستروژن و عملیات حرارتی (پخت 1 350 درجه فارنهایت به مدت 4 ساعت). خواص کششی صفحه زره در دمای اتاق در جدول 3 نشان داده شده است. محتوای نیتروژن، اکسیژن و هیدروژن 0 بود.008، 0.158 و 0.005، به ترتیب 4.

این شرکت همچنین از این تکنیک برای توسعه دریچه کاپیتان P/MTi{{{0}}Al{{1}V استفاده کرد، با این تفاوت که نورد با آهنگری جایگزین شد و عملیات حرارتی در 1،3 آنیل شد. 00 درجه فارنهایت به مدت 2 ساعت. محتوای نیتروژن، اکسیژن و هیدروژن 0.021، 0.179 و 0 بود.{10}}. خواص کششی مواد دریچه در دمای اتاق (ضخامت 1.375 اینچ) از نظر استحکام کششی، استحکام تسلیم، ازدیاد طول و انقباض سطحی 143.8 تا 149.3 ksi، 132.1 تا 136.3 ksi، 14.0% تا 15.5% و 15.5% بوده است.
پاولو ای. مارکوفسکی و همکاران. رفتار مکانیکی ساختارهای لایه مانند پایه تیتانیوم تهیه شده توسط متالورژی پودر ترکیبی را بررسی کرد. ساختارهای لایه‌مانند پایه تیتانیوم شامل لایه‌های Ti-6Al- 4V، (%) (Ti-64) کامپوزیت‌های زمینه فلزی آلیاژی تقویت‌شده با 5% و 10% (حجمی) بود. ذرات TiB یا TiC مقایسه‌هایی با داده‌های گزارش‌شده قبلی برای آلیاژهای Ti-64 ساخته شده با تکنیک‌های ریخته‌گری و آهنگری انجام شد. وجود ذرات تقویت‌کننده TiB و TiC در آلیاژ منجر به کاهش قابل‌توجهی در استحکام و شکل‌پذیری کامپوزیت‌های زمینه فلزی در مقایسه با آلیاژ Ti{9}} شد که به طور یکنواخت متخلخل شده است، زیرا این ذرات مکان‌های اضافی برای ایجاد ترک و منافذ ایجاد می‌کنند. و شکنندگی مواد را ترویج کرد. با این حال، زمانی که لایه‌های کامپوزیت زمینه فلزی در یک ساختار دولایه با لایه آلیاژ Ti{10}} استفاده شد، آزمایش‌های خمشی سه نقطه‌ای افزایش قابل‌توجهی در تنش‌های خمشی در مقایسه با آلیاژ Ti{12}} و همگن نشان داد. ساختار کامپوزیت ماتریس فلزی همگن توانایی ساختار دولایه برای جذب انرژی ضربه بالاتر در مقایسه با یک لایه همگن منفرد نشان می‌دهد که ساختار چند لایه بهتر الزامات کاربردهای بالستیک را برآورده می‌کند.
استنلی آبکوویتز و همکاران اشاره کرد که علاقه مداوم صنعت و ارتش به متالورژی پودر تیتانیوم، به دلیل عملکرد بهبود یافته ای که می توان با تولید اجزای نزدیک به شبکه در اندازه های مختلف از چند گرم تا صدها کیلوگرم به دست آورد، توسعه یک انجمن آمریکایی برای آزمایش و مواد (ASTM) برای ارائه یک استاندارد جهانی برای محصولات تیتانیوم متالورژی پودر به منظور تسهیل کاربرد آنها. Dynamet ASTM B988-13، مشخصات استاندارد برای اجزای ساختاری متالورژی پودر تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم را تهیه کرد. استاندارد جدید شامل محصولات متالورژی پودر برای تیتانیوم خالص بدون آلیاژ (درجات 1، 2، 3 و 4)، Ti-6Al- 4V (درجه 5)، Ti{10}}Al{11 }}.5V (درجه 9)، Ti{14}}Al- 4V LI (ترخیص کم) و Ti{16}}Al-6V{18}}Sn. این استاندارد طیف گسترده ای از کاربردهای صنعتی، تجاری و نظامی را برای تیتانیوم متالورژیکی پودر تسهیل می کند.
فرصت‌های تجاری برای تیتانیوم متالورژیکی پودری مقرون‌به‌صرفه در حال گسترش است که بر اساس توانایی تولید پودر متالورژیکی با کیفیت بالا Ti-6Al- 4محصولات نزدیک به توری شکل با خواص کششی قابل مقایسه با تیتانیوم معمولی-6 Al{5}}V.RTI International شرکت Dynamet Technologies را خریداری کرده است که استفاده از فناوری پودر ترکیبی را در هواپیماهای تجاری، پزشکی، صنعتی و قطعات آلیاژ تیتانیوم نظامی تسریع خواهد کرد. برنامه های کاربردی.
مواد مبتنی بر تیتانیوم استحکام و سختی بالای لایه سطحی را با شکل‌پذیری کافی فلز پایه ترکیب می‌کنند تا در کاربردهای مختلف، به ویژه به عنوان اجزای زرهی در تجهیزات نظامی، بسیار امیدوارکننده باشند. ترکیبی از استحکام، سختی و چقرمگی بالا را می توان با ایجاد ساختارهای چند لایه با خواص مختلف به دست آورد.О.М. ایواشیشین و همکاران ویژگی‌های ریزساختاری، خواص مکانیکی و حفاظت بالستیک مواد لایه‌ای مبتنی بر تیتانیوم را مورد مطالعه قرار داد. برای ساخت چنین ساختارهای لایه ای از دو روش مختلف استفاده شد. روش اول یک روش متالورژیکی متداول (فرج شمش) و به دنبال آن عملیات حرارتی سطحی سریع آلیاژهای Ti{-6Al-4V و T110 بود که برای ایجاد ساختارهای سلسله مراتبی با خواص مکانیکی متفاوت در جهت استفاده شد. از ضخامت مواد روش دوم روش متالورژی پودر عنصری برای ساخت ساختارهای ترکیبی از لایه‌های آلیاژ Ti-6Al- 4V و لایه‌های مرکب مبتنی بر آن است که با ذرات TiC یا TiB تقویت شده‌اند. دو و سه لایه از صفحات آزمایشی مبتنی بر آلیاژ Ti-6Al- 4V (VT6) بر اساس روش پودر عنصری مخلوط بهینه شده قبلی ساخته شدند، جایی که لایه سطحی یک کامپوزیت تقویت شده با ذرات TiC بود. . آزمایش‌های بالستیک با استفاده از گلوله‌های یکسان، مزایای غیرقابل انکار یک ماده لایه‌ای با همان ضخامت را نشان داد.

در سال های اخیر، فناوری پرینت سه بعدی به سرعت در حال توسعه است و امکان چاپ ساختارهایی وجود دارد که با استفاده از فرآیندهای سنتی قابل تحقق نیستند. حفاظت در برابر بمب‌های زره‌زن و امواج انفجاری با سرعت بالا با ساختارهای لانه زنبوری و نقطه‌ای از مواد مختلف قابل دستیابی است که توسط محققان در زمینه حفاظت از زره‌ها ارزشمند بوده و پروژه‌هایی انجام شده است. رامین رحمانی و همکاران. یک ماده کامپوزیتی سبک وزن Ti6Al4V-Alsi10Mg تهیه شده با ترکیب روش‌های ذوب لیزری انتخابی و تخلیه پلاسما را بررسی کردند. ساختار مشبک لانه زنبوری (ساختار مشبک یا شیبدار یکنواخت) برای مقاومت در برابر ضربه و نفوذ گلوله نافذ زره استفاده شد. نتایج نشان دهنده اهمیت کسر حجمی ماتریس نقطه Ti6Al4V برای مقاومت در برابر ضربه است. سازه‌هایی با اندازه سلول‌های کوچک‌تر و قطر پایه‌های ظریف‌تر، عملکردی مشابه سازه‌هایی با اندازه سلول‌های بزرگ‌تر و پایه‌های درشت‌تر دارند. نتایج اجزای محدود نشان می‌دهد که ساختار ماتریس نقطه‌ای یکنواخت با کسر حجمی بالاتر در جلوگیری از نفوذ پرتابه مؤثرتر است، در حالی که ماتریس نقطه گرادیان مقاومت ماده را در برابر پیچش/تغییر شکل افزایش می‌دهد و در نتیجه تحمل آسیب مواد را افزایش می‌دهد.