CN111043909B - 一种Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属装甲防护技术领域，为提高钛铝金属间化合物叠层复合装甲的抗侵彻性能，提供一种Ti‑Al金属间化合物微叠层复合装甲及其制备方法。由Ti‑AlTi和Ti‑Al3Ti‑Al叠层复合材料组成的Ti‑Al金属间化合物微叠层复合装甲，其中：Ti‑AlTi叠层复合材料作为装甲前板，Ti‑Al3Ti‑Al叠层复合材料作为装甲后板，装甲前板与装甲后板用扩散焊的方式连接；装甲前板与装甲后板的厚度比为3:1‑4:1。综合Ti‑AlTi叠层复合材料高硬度、高刚度以及良好的迎弹面抗破片侵彻能力和Ti‑Al3Ti‑Al叠层复合材料高韧性，高吸能性的优点，对破片冲击有着优异的缓冲抑制能力，具有优良的抗侵彻性能。
Description
技术领域
本发明属于装甲防护技术领域，具体为一种Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲及其制备方法。
背景技术
随着科技快速发展，人员和装备在战场上面临的威胁越来越大，对装甲防护材料的性能要求越来越高，目前装甲材料正朝着高硬度、高强度、高韧性、低密度的方向发展。Ti-Al3Ti叠层复合材料综合了韧性金属Ti和脆性金属间化合物Al3Ti优点，具有低密度、高模量、高断裂韧性的优异性能，在装甲防护领域拥有巨大应用前景。值得注意的是：由于Al3Ti与Ti热膨胀系数的较大差异，Ti-Al3Ti叠层复合材料从制备温度冷却到室温过程中，不可避免会产生较大热残余应力。残余应力又会导致Ti-Al3Ti叠层复合材料内部产生大量的隧道裂纹进而恶化其力学性能。此外，由于柯肯达尔效应影响，Ti-Al3Ti叠层复合材料制备过程易于产生孔洞、剥层裂纹等缺陷。采用吸热半固态反应制备Ti-Al3Ti-Al复合材料可完全避免Ti-Al3Ti叠层复合材料中隧道裂纹、剥层裂纹、孔洞等缺陷。另外采用高温固液反应制备Ti-AlTi叠层复合材料，反应后期施加较大压力可避免裂纹、空洞等缺陷出现。
进行Ti-Al3Ti-Al叠层复合装甲的弹道侵彻实验中，发现当弹体初始速度接近或高于Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料弹道极限时，靶板背面的破坏形式为花瓣式开裂，说明靶板在抵御弹丸侵彻的过程中吸收了巨大能量，如图1所示。但靶板正面弹坑直径与弹丸直径相同且有塑性变形发生，说明Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料硬度低于弹丸硬度。
进行Ti-AlTi叠层复合装甲的弹道侵彻实验中，当弹体初始速度接近或高于Ti-AlTi叠层复合材料弹道极限时，靶板背面出现陶瓷锥，如图2所示。为脆性失效模式，说明Ti-AlTi叠层复合材料硬度较高，迎弹面抗破片侵彻能力较好，对破片冲击动能起到较大的缓冲抑制作用。
Ti-Al3Ti-Al叠层复合装甲硬度、刚度较低，迎弹面抗破片侵彻能力差，但靶板背面的花瓣式开裂表明其具有高吸能的特征。而Ti-AlTi叠层复合装甲硬度、刚度较高，迎弹面抗破片侵彻能力较好，对破片冲击动能起到较大的缓冲抑制作用。
发明内容
本发明为了提高钛铝金属间化合物叠层复合装甲的抗侵彻性能，提供了一种Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲及其制备方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲，所述Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲为由Ti-AlTi和Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料组成的Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲，其中：Ti-AlTi叠层复合材料作为装甲前板，Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料作为装甲后板，装甲前板与装甲后板用扩散焊的方式连接；装甲前板与装甲后板的厚度比为3:1-4:1。
制备所述的一种Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲的方法，先用真空热压烧结法制备Ti-AlTi与Ti-Al3Ti-Al两种叠层复合材料，然后将Ti-AlTi和Ti-Al3Ti-Al两种叠层复合材料用扩散焊的方式焊接在一起，即为Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲。
所述Ti-AlTi叠层复合材料的具体制备方法为：
（1）酸碱清洗TC4、Al箔：将TC4箔、Al箔裁剪成大小相同的尺寸；将所裁TC4箔放入HF与水按体积比为1:20配制的酸溶液中处理，将所裁Al箔放入5 %浓度的NaOH溶液中处理，二者反应时间均为2 min，以除去其表面氧化物；将反应后的两种箔材用清水冲洗；再用酒精对两种箔材超声波清洗5min，最后将两种材料烘干备用；
（2）叠层包套：将准备好的TC4箔、Al箔按照TC4-Al-TC4的顺序叠层，叠层厚度为7-10 mm，且最外层为TC4层，将叠层好的试样用20μm厚的TC4箔材封装获得封装体；
（3）真空热压烧结：将所得封装体置于石墨模具中，按照如下工艺真空热压烧结获得所述Ti-AlTi叠层复合材料；
A、对所得封装体施加3-5 MPa压力，以20℃/min速率升高烧结温度到580-610℃，而后保温150-200 min，保温期间压力为3-5MPa；
B、卸载所加载的压力，以20℃/min的速率升高烧结温度到1100-1300 ℃，保温100-150 min，保温前期不施加压力，后30 min施加2-3 Mpa压力；
C、以10 ℃/min的速率降低烧结温度至580-610℃，保温120-150 min，降温及保温期间压力为2-3 MPa；
D、随炉冷却，冷却期间压力为2-3 MPa，退模，即可制备出所述Ti-AlTi叠层复合材料。
所述Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料的具体制备方法为：
（1）酸碱清洗TC4、Al箔：将TC4箔、Al箔裁剪成大小相同的尺寸；将所裁TC4箔放入HF与水按体积比为1:20配制的酸溶液中处理、将所裁Al箔放入5%浓度的NaOH溶液中处理，二者反应时间均为2 min，以除去其表面氧化物；将反应后的两种箔材用清水冲洗；再用酒精对两种箔材超声波清洗5 min，最后将两种材料烘干备用；
（2）叠层包套：将准备好的TC4箔、Al箔按照TC4-Al-TC4的顺序叠层，叠层厚度5-7mm，且保证最外层为TC4层，将叠层好的试样用20μm厚的TC4箔材封装即得封装体；
（3）真空热压烧结：将所得封装体置于石墨模具中，按照如下工艺真空热压烧结获得所述Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料：
a、对所得封装体施加3-5MPa压力，以20℃/min速率升高烧结温度到600-610℃，保温60-100min，保温期间压力为3-5 MPa；
b、以5℃/min的速率升高烧结温度到640℃，保温300-400 min，保温期间压力为2-3 Mpa；
c、以5℃/min的速率降低烧结温度至570℃，保温120-180min，降温及保温期间压力为2-3 MPa；
d、随炉冷却，冷却期间压力为2-3 MPa，退模，即可制备出所述Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料。
所述Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲的具体制备方法为：
（1）将制备好的Ti-AlTi和Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料表层用砂纸打磨，直至露出新鲜的TC4表面，备用；
（2）将铝箔裁剪成大小相同的尺寸，将所裁Al箔放入5%浓度的NaOH溶液中处理，反应时间为2 min，以除去其表面氧化物；将反应后的Al箔用清水冲洗；再用酒精对Al箔超声波清洗5 min，最后将Al箔烘干备用；
（3）将处理过的Al箔放在制备好的Ti-AlTi与Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料中间，用20μm厚的TC4箔材对整体进行封装；
（4）将上述封装体置于石墨模具中，按照如下工艺在真空热压烧结炉中进行扩散焊连接：
所述Al箔厚度为0.1-0.2 mm；Al箔与TC4箔的厚度比为1:3-2:3。所述TC4箔、Al箔和0.2 mm厚的铝箔裁剪成100×100mm。
本发明采用了一种新的结构方式，由前后板两部分组成，其中前板为硬度高的Ti-AlTi叠层复合材料，后板为韧性高Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料，前后板之间采用扩散焊的方法连接。其优点在于充分利用不同材料的性能优势，大幅提高复合装甲抗侵彻性能。由低密度高硬度的Ti-AlTi叠层复合材料作为复合装甲的前板，其迎弹面抗破片侵彻能力较好，对破片冲击动能起到较大的缓冲抑制作用；由低密度高韧性的Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料作为复合装甲的后板，充分吸收破片的冲击动能，提高复合装甲的抗侵彻能力。另外各层材料间均为冶金结合，界面结合强度高，当受到弹丸冲击时能保证复合装甲结构的完整性。
本发明复合装甲前板为Ti-AlTi叠层复合材料，后板为Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料，当受到弹丸冲击时复合装甲前板可有效分散弹丸的冲击力，抵御弹丸的侵彻，后板有效吸收弹丸侵彻过程中前板传递过来的冲击力，保持复合装甲结构的完整性，有效提高了叠层复合装甲的抗侵彻性能。
附图说明
图1为Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料靶板弹道侵彻，靶板背面失效示意图；
图2为Ti-AlTi叠层复合材料靶板弹道侵彻，靶板背面失效示意图。
具体实施方式
为了进一步阐明本发明的技术方案和技术效果，下面结合具体实施例对本发明做进一步介绍。
实施例1：一种Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲，所述Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲为由Ti-AlTi和Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料组成的Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲，其中：Ti-AlTi叠层复合材料作为装甲前板，Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料作为装甲后板，装甲前板与装甲后板用扩散焊的方式连接；装甲前板与装甲后板的厚度比为3:1。
Ti-AlTi叠层复合材料的具体制备方法为：
（1）酸碱清洗TC4、Al箔：将0.15mm厚的TC4箔、0.1mm厚的Al箔按100×100mm的尺寸裁剪；将所裁TC4箔放入HF与水按体积比为1:20配制的酸溶液中处理、将所裁Al箔放入5%浓度的NaOH溶液中处理，二者反应时间均为2 min，以除去其表面氧化物；将反应后的两种箔材用清水冲洗；再用酒精对两种箔材超声波清洗5 min，最后将两种材料烘干备用
（2）叠层包套：将准备好的TC4箔、Al箔按照TC4-Al-TC4的顺序叠层，叠层层数为65层，且保证最外层为TC4层，将叠层好的试样用20μm厚的TC4箔材封装。
（3）真空热压烧结：将所得封装体置于石墨模具中，按照如下工艺真空热压烧结获得所述Ti-AlTi叠层复合材料：
A、对所得封装体施加3.8 MPa压力，以20℃/min速率升高烧结温度到600℃，而后保温180 min，保温期间压力为3.8 MPa；
B、卸载所加载的压力，以20℃/min的速率升高烧结温度到1100℃，保温120 min，保温前期不施加压力，后30 min施加2Mpa压力；
C、以10℃/min的速率降低烧结温度至600℃，保温120 min，降温及保温期间压力为2 MPa；
D、随炉冷却，冷却期间压力为2 MPa，退模，即可制备出所述Ti-AlTi叠层复合材料。
Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料的具体制备方法为：
（1）酸碱清洗TC4、Al箔：将0.15mm厚的TC4箔、0.1mm厚的Al箔按100×100mm的尺寸裁剪；将所裁TC4箔放入HF与水按体积比为1:20配制的酸溶液中处理、将所裁Al箔放入5%浓度的NaOH溶液中处理，二者反应时间均为2 min，以除去其表面氧化物；将反应后的两种箔材用清水冲洗；再用酒精对两种箔材超声波清洗5 min，最后将两种材料烘干备用。
（2）叠层包套：将准备好的TC4箔、Al箔按照TC4-Al-TC4的顺序叠层，叠层层数为45层，且保证最外层为TC4层，将叠层好的试样用20μm厚的TC4箔材封装。
（3）真空热压烧结：将所得封装体置于石墨模具中，按照如下工艺真空热压烧结获得所述Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料：
A、对所得封装体施加3.8 MPa压力，以20℃/min速率升高烧结温度到600℃，而后保温60 min，保温期间压力为3.8 MPa；
B、以5℃/min的速率升高烧结温度到640℃，保温400min，保温期间压力为3Mpa；以5℃/min的速率降低烧结温度至570℃，保温120min，降温及保温期间压力为2 MPa；
C、随炉冷却，冷却期间压力为2 MPa，退模，即可制备出所述Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料。
扩散焊连接Ti-AlTi与Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料：
（1）将制备好的Ti-AlTi和Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料表层用砂纸打磨，直至露出新鲜的TC4表面，备用；
（2）将0.2 mm厚的铝箔按100×100 mm的尺寸裁剪，将所裁Al箔放入5%浓度的NaOH溶液中处理，反应时间为2min，以除去其表面氧化物；将反应后的Al箔用清水冲洗；再用酒精对Al箔超声波清洗5 min，最后将Al箔烘干备用；
（3）将处理过的Al箔放在制备好的Ti-AlTi与Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料中间，用20μm厚的TC4箔材对整体进行封装；
（4）将上述封装体置于石墨模具中，按照如下工艺在真空热压烧结炉中进行扩散焊连接：
a、对所得封装体施加6 MPa压力，以20℃/min速率升高烧结温度到660℃，而后保温20 min，保温期间压力为6 MPa；
b、随炉冷却，冷却期间压力为2 MPa，退模，即可制备出所述新结构金属间化合物复合装甲。
实施例2：本实施方式与具体实施方式一不同的是：TC4箔的厚度为0.3mm，Al箔的厚度为0.2mm，其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
实施例3：本实施方式与具体实施方式一不同的是：制备Ti-AlTi叠层复合材料得最高温度为1300℃，其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
本发明所制备的Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲具有优异的抗侵彻性能。对实施例1所制备的复合靶板进行弹道侵彻实验，采用10mm 口径滑膛枪对复合靶板进行9.5mm 钨合金破片射击试验，破片速度通过装药量来控制。射距为6 m，垂直入射。通过多次试验获得Ti-Al金属间化合物微叠层复合靶板弹道极限V50。
表1 Ti-Al金属间化合物微叠层复合靶板弹道侵彻试验数据
侵彻试验中，通过改变装药量实现对钨合金破片初始撞击速度的控制。共进行了5次有效性试验，得到弹体的初始撞击速度范围为501 m/s、485 m/s、529 m/s、562 m/s、538m/s。由表1 可知，钨合金破片穿透Ti-Al金属间化合物微叠层靶板的最低初始速度为562m/s，未穿透的最高初始速度为538 m/s，故钨合金破片穿透Ti-Al金属间化合物微叠层复合靶板的弹道极限在538m/s~562m/s 之间。
选取第4 组、第5 组数据平均值为Ti-Al金属间化合物微叠层复合靶板弹道极限V50约为550 m/s。同样测试条件下，获得Q235 钢板的弹道极限V50 约为522 m/s。由此可知，Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲的防护能力高于Q235 钢，且Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲密度远低于Q235 钢，有巨大的应用前景。
Claims (4)
1.一种制备Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲的方法，其特征在于：所述Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲为由Ti-AlTi和Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料组成的Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲，其中：Ti-AlTi叠层复合材料作为装甲前板，Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料作为装甲后板，装甲前板与装甲后板用扩散焊的方式连接；装甲前板与装甲后板的厚度比为3:1-4:1；
先用真空热压烧结法制备Ti-AlTi与Ti-Al3Ti-Al两种叠层复合材料，然后将Ti-AlTi和Ti-Al3Ti-Al两种叠层复合材料用扩散焊的方式焊接在一起，即为Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲；
所述Ti-AlTi叠层复合材料的具体制备方法为：
（1）酸碱清洗TC4箔、Al箔：将TC4箔、Al箔裁剪成大小相同的尺寸；将所裁TC4箔放入HF与水按体积比为1:20配制的酸溶液中处理，将所裁Al箔放入5 %浓度的NaOH溶液中处理，二者反应时间均为2 min，以除去其表面氧化物；将反应后的两种箔材用清水冲洗；再用酒精对两种箔材超声波清洗5min，最后将两种材料烘干备用；
（2）叠层包套：将准备好的TC4箔、Al箔按照TC4-Al-TC4的顺序叠层，叠层厚度为7-10mm，且最外层为TC4层，将叠层好的试样用20μm厚的TC4箔材封装获得封装体；
（3）真空热压烧结：将所得封装体置于石墨模具中，按照如下工艺真空热压烧结获得所述Ti-AlTi叠层复合材料；
A、对所得封装体施加3-5 MPa压力，以20℃/min速率升高烧结温度到580-610℃，而后保温150-200 min，保温期间压力为3-5MPa；
B、卸载所加载的压力，以20℃/min的速率升高烧结温度到1100-1300 ℃，保温100-150min，保温前期不施加压力，后30 min施加2-3 Mpa压力；
C、以10 ℃/min的速率降低烧结温度至580-610℃，保温120-150 min，降温及保温期间压力为2-3 MPa；
D、随炉冷却，冷却期间压力为2-3 MPa，退模，即可制备出所述Ti-AlTi叠层复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种制备Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲的方法，其特征在于：所述Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料的具体制备方法为：
（1）酸碱清洗TC4箔、Al箔：将TC4箔、Al箔裁剪成大小相同的尺寸；将所裁TC4箔放入HF与水按体积比为1:20配制的酸溶液中处理、将所裁Al箔放入5%浓度的NaOH溶液中处理，二者反应时间均为2 min，以除去其表面氧化物；将反应后的两种箔材用清水冲洗；再用酒精对两种箔材超声波清洗5 min，最后将两种材料烘干备用；
（2）叠层包套：将准备好的TC4箔、Al箔按照TC4-Al-TC4的顺序叠层，叠层厚度5-7 mm，且保证最外层为TC4层，将叠层好的试样用20μm厚的TC4箔材封装即得封装体；
（3）真空热压烧结：将所得封装体置于石墨模具中，按照如下工艺真空热压烧结获得所述Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料：
a、对所得封装体施加3-5MPa压力，以20℃/min速率升高烧结温度到600-610℃，保温60-100min，保温期间压力为3-5 MPa；
b、以5℃/min的速率升高烧结温度到640℃，保温300-400 min，保温期间压力为2-3Mpa；
c、以5℃/min的速率降低烧结温度至570℃，保温120-180min，降温及保温期间压力为2-3 MPa；
d、随炉冷却，冷却期间压力为2-3 MPa，退模，即可制备出所述Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种制备Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲的方法，其特征在于：所述Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲的具体制备方法为：
（1）将制备好的Ti-AlTi和Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料表层用砂纸打磨，直至露出新鲜的TC4表面，备用；
（2）将铝箔裁剪成大小相同的尺寸，将所裁Al箔放入5%浓度的NaOH溶液中处理，反应时间为2 min，以除去其表面氧化物；将反应后的Al箔用清水冲洗；再用酒精对Al箔超声波清洗5 min，最后将Al箔烘干备用；
（3）将处理过的Al箔放在制备好的Ti-AlTi与Ti-Al3Ti-Al叠层复合材料中间，用20μm厚的TC4箔材对整体进行封装；
（4）将上述封装体置于石墨模具中，按照如下工艺在真空热压烧结炉中进行扩散焊连接：
A、对所得封装体施加4-6 MPa压力，以20℃/min速率升高烧结温度到660℃，而后保温20min，保温期间压力为4-6 MPa；
B、随炉冷却，冷却期间压力为1-2 MPa，退模，即可制备出所述Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲。
4.根据权利要求1-3任一所述的制备Ti-Al金属间化合物微叠层复合装甲的方法，其特征在于：所述TC4箔、Al箔裁剪成100×100mm。
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