低成本XRF001钛合金抗弹性能研究

2022-07-15王幸运雷文光高文柱季红军赵小龙

钛工业进展 2022年3期

王幸运，雷文光，岳旭，高文柱，季红军，杨铮，赵小龙

(新疆湘润新材料科技有限公司，新疆哈密 839000)

钛及钛合金具有强度高、耐高温、耐腐蚀等优良特性，且密度仅为钢材密度的60%，是一种较好的减重材料[1，2]。除航空航天领域外，兵器、舰船等领域也充分发挥钛合金轻质高强的特性设计制造相关部件[3-5]。例如，美国M1“艾布拉姆斯”主战坦克、M2“布雷德利”步兵战车以及“斯特赖克”轮式装甲车等装甲车辆上都大量使用了Ti6Al4V合金，实现了较好的减重效果[6]；美国M1A2主战坦克通过使用低成本ATI425钛合金替代钢制结构件、钢制炮塔等，亦获得了非常好的减重效果[6]；俄罗斯在T-90A、T-95主战坦克炮塔中采用模块化钛合金装甲框架等，使其装甲防护能力得到大幅度提高[7,8]。

然而，目前我国在装甲防护领域尚没有成熟应用的钛合金材料。为此，新疆湘润新材料科技有限公司自主研制了一种新型装甲用低成本钛合金XRF001。本研究对该合金进行了不同制度的热处理，并与ATI425、ATI425-MOD(ATI425改进型)钛合金的组织和性能进行了对比，重点研究了XRF001钛合金的抗弹性能，并对其抗弹机理进行了初步探索。

1 实验

实验材料为新疆湘润新材料科技有限公司自主研制的XRF001钛合金。与常规TC4钛合金相比，XRF001钛合金中去掉了昂贵的V元素，加入了Mo、Fe、O等低成本元素，合金元素总质量分数<10%，是一种典型的α+β钛合金，相变温度Tβ为995 ℃。XRF001钛合金铸锭经开坯锻造、两相区轧制后，得到厚度为7.5 mm的板材。经不同制度热处理和表面处理后，切割成7.5 mm×500 mm×600 mm的标准靶板。表1为XRF001钛合金板材的热处理制度。

表1 XRF001钛合金板材的热处理制度

由于ATI425钛合金和ATI425-MOD钛合金的相变点与XRF001钛合金较为接近，故采用相同的熔炼、锻造及轧制工艺分别制备ATI425和ATI425-MOD钛合金板材。表2为ATI425和ATI425-MOD钛合金板材的化学成分。

表2 ATI425和ATI425-MOD钛合金板材的化学成分(w/%)

采用CMT5205电子万能试验机、ZBC2302-BE摆锤式冲击试验机、NEXUS3001XLM-IMP硬度计进行力学性能测试。采用ICX41M光学显微镜进行显微组织观察。按照GJB 59.18—1988《装甲车辆实验规程装甲板抗枪弹性能试验》进行弹道侵彻试验，测试靶板抗弹性能，测试条件为53式7.62 mm普通钢芯弹垂直入射，射击距离100 m。

2 结果与分析

2.1 显微组织

图1为ATI425、ATI425-MOD及XRF001钛合金板材经不同热处理后的显微组织。由图1可以看出，3种钛合金热处理后为双态组织。XRF001钛合金经普通退火(HT1)后，组织由拉长的初生α相和片层α相组成(图1c)；经双重退火(HT2)后，由于一次退火温度较高，初生α相明显减少，经二次退火后保留了部分等轴α相，其余为针状α相(图1d)。

图1 ATI425、ATI425-MOD及XRF001钛合金板材经不同热处理后的显微组织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 力学性能

XRF001、ATI425及ATI425-MOD钛合金板材不同状态下的力学性能见表3。由表3可知，3种板材轧制态(R)的力学性能相当，XRF001钛合金板材的硬度相对略高。经普通退火后，XRF001钛合金的综合性能相对更好。经双重退火后，XRF001钛合金板材的抗拉强度较普通退火后有所升高，表面硬度较高，但塑性明显降低，延伸率仅为12.5%；经固溶时效处理后，XRF001钛合金的抗拉强度达到1356 MPa，并拥有较高的表面硬度，但固溶处理后板型较差，低温时效难以校平，且塑性、冲击性能明显下降。考虑到工程化应用的便捷性，推荐选择普通退火和双重退火工艺。

表3 3种钛合金板材不同状态下的力学性能

2.3 抗弹性能

在相同测试条件下，对经普通退火后的3种钛合金板材进行抗弹性能测试，结果见表4。由表4可知，XRF001与ATI425-MOD钛合金板材的抗弹性能明显优于ATI425钛合金板材，均达到GJB 59.18—1988标准2级防护要求。

表4 3种钛合金板材的抗弹性能对比

图2为经普通退火(HT1)和双重退火(HT2)后XRF001钛合金靶板经射击后正面和背面的宏观形貌。由图2a、2b可以看出，经过5发子弹射击后，普通退火态靶板正面弹坑完整，背面无裂纹，防护等级达到2级(合格损伤)，正面平均弹坑深度约为1.1 mm，背凸为0.4 mm，防护效果较好。由图2c、2d可以看出，双重退火态靶板正面弹坑完整，但背面存在裂纹，防护等级为4级(合格损伤)，正面平均弹坑深度小于退火态，约为0.8 mm，背凸为0.4 mm。与双重退火相比，普通退火后XRF001钛合金板材的抗弹性能更为优异。

图2 不同退火态XRF001钛合金靶板受子弹冲击后的宏观照片Fig.2 Macrophotographs of XRF001 titanium alloy target plates under different annealing states after projectile impacted: (a，b) conventional annealing; (c，d) double annealing

为进一步测试XRF001钛合金的抗弹性能，将普通退火态7.5 mm厚XRF001钛合金板材减薄至7.0 mm厚(实际测量的平均厚度约为6.88 mm)进行靶试测试，结果见图3。从图3可知，XRF001钛合金板材表面弹坑较深，5发弹坑平均深度约2.0 mm，接近测试板材厚度的30%，且背面无裂纹，背凸约为1.2 mm，达到GJB 59.18—1988标准3级防护要求。

图3 普通退火态XRF001钛合金靶板抗弹极限测试结果Fig.3 Test results of ballistic limit of conventional annealed XRF001 titanium alloy target plate

子弹高速侵彻靶板时，弹芯被瞬间镦粗变成典型的“蘑菇头”状，着弹部位的作用面积迅速增大，侵彻阻力瞬间增加，阻止了破坏的进一步发生。抗弹测试结果表明，材料强度越高、硬度越大，弹坑深度越小。这是由于材料强度提高增加了“蘑菇头”

的宏观尺寸，增加了侵彻阻力[9]。因此，双重退火态靶板的弹坑深度较普通退火态小(图2)。但由于材料强度提高的同时塑性下降，冲击韧性变差，最终导致双重退火态的抗弹性能反而不如普通退火态。由此可见，抗弹防护效果是材料强度、塑性、冲击韧性、硬度等综合性能共同作用的结果。

从普通退火态XRF001钛合金板材的最大弹坑深度处解剖观察其组织形态，解剖的3个弹坑仅1个出现绝热剪切带现象，如图4所示。绝热剪切带角度与侵彻方向呈接近45°，起始于弹坑表面，在多次穿过片层α组织后末端逐渐与靶板平行，延伸方向与拉长的初生α相平行。由此可见，片层状组织可以改变XRF001钛合金的绝热剪切带走向及裂纹扩展路径，消耗更多的能量[10,11]，有利于提高抗弹性能。