УДК 669.295:[623.438+623.445]
Авторы: Купрюнин Дмитрий Геннадиевич; Гавзе Аркадий Львович, канд. техн. наук, Чусов Сергей Юрьевич АО НИИ стали г. Москва, Россия
Титановые сплавы, широко используемые в качестве конструкционных материалов в современной технике, отличаются рядом уникальных физико-механических свойств, обеспечивающих их существенное преимущество по сравнению с традиционными материалами на основе железа и алюминия. К числу этих свойств относятся: высокая удельная прочность, коррозионная стойкость в атмосфере, морской воде и ряде агрессивных сред, пониженные модули упругости, теплопрочность, немагнитность, удовлетворительная технологичность. Сравнительные характеристики некоторых физико-механических свойств конструкционных сталей и титановых сплавов приведены в таблице 1.
В то же время титановые сплавы обладают рядом качеств, препятствующих широкому использованию их для изготовления нагруженных деталей транспортных машин наземного применения. В этом ряду следует отметить недостаточную износостойкость и низкие антифрикционные характеристики титановых деталей, работающих в условиях фрикционного контакта, пониженные характеристики выносливости титановых деталей при их циклическом нагружении, высокую чувствительность к концентраторам напряжений и невысокую контактную прочность при статических и циклических нагрузках.
В АО НИИ стали совместно с рядом научных организаций и промышленных предприятий проводились систематические исследования различных методов объёмного и поверхностного упрочнения титановых сплавов. Использовали термические, деформационно-термические, химико-термические способы обработки, а также методы упрочнения, основанные на использовании высококонцентрированных энергетических потоков (электронных пучков, излучения оптических квантовых генераторов, токов высокой частоты и низковольтных и высоковольтных электрических разрядов).
Таблица 1
Сравнение физико-механических свойств конструкционных сталей и титановых сплавов
ПРИМЕЧАНИЯ: * Изотермическаязакалка[1, 2]
** Высокотемпературная термомеханическая обработка[3]
*** Отжиг[4]
В результате научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ найдены принципиальные технические решения, разработаны и внедрены технологические процессы, позволившие в значительной степени преодолеть отмеченные выше недостатки титановых сплавов и рекомендовать их использование при изготовлении ряда ответственных деталей ходовой части транспортных средств специального назначения лёгкой категории по массе (таблица 2).
Таблица 2
Конструкционные детали из титановых сплавов
Уже в 1950-х годах в работах исследовательских лабораторий США было отмечено,что титановые сплавы перспективны в качестве защиты от пуль стрелкового оружия. К началу 1960-х годов американскими исследователями были представлены броневые характеристики сплава Ti-6Al-4V, которые продемонстрировали возможность значительного снижения веса преград в сравнении с гомогенной стальной броней.
Преимущество титанового сплава Ti-6Al-4V перед стальной и алюминиевой бронёй наглядно показано на рис. 1-4, на которых приведены сравнительные данные стандартов США по стойкости преград из броневой стали средней и высокой твёрдости, броневых алюминиевых сплавов и указанного титанового сплава.
На приведённых графиках представлены зависимости ударных скоростей, соответствующих 50% вероятности сквозного пробития (V50), от поверхностной плотности преград (массы 1м2защищающей преграды) при обстреле различными средствами поражения при угле встречи с поверхностью преграды 90º.
Исследование броневых характеристик титановых сплавов применительно к изделиям бронетанковой техники и средствам индивидуальной бронезащиты вАО НИИ cтали (тогда ещё ВНИИ Стали) было начато в конце 1950-х годов и с разной степенью интенсивности продолжается до настоящего времени. В результате проведённых работ было установлено, что из серийных титановых сплавов оптимальным комплексом броневых свойств (стойкостью и живучестью) и технологических характеристик (деформируемостью и свариваемостью) обладают сплавы ОТ4-1, ВТ6 (аналог американскогоTi-6Al-4V) и ВТ23. Некоторые свойства титановых сплавов, используемых в защитных структурах, приведены в таблице 3.
Долгое время главными препятствиями широкому применению титановых сплавов для наземной военной техники являлись дефицитность и высокая стоимость полуфабрикатов. В настоящее время фактор дефицитности титановых сплавов полностью утратил значение, поскольку производство титановых полуфабрикатов в РФ загружено менее, чем на 60%.
Рис.1. Зависимость ударной скорости V50пули АР М2 калибра 7,62 ммот поверхностной плотности преграды из:
Ряд 1 - титанового сплава Ti-6Al-4V (ϬB=880-1050 МПа)[5]
Ряд 2 - алюминиевого сплава 7085 (ϬB=537 МПа)[6]
Ряд 3 - стали (твёрдость 420-470HB)[7]
Ряд 4 - алюминиевого сплава 7017 (ϬB=434 МПа)[8]
Ряд 5 - алюминиевого сплава 5059 (ϬB=365 МПа)[9]
Рис 2. Зависимость ударной скорости V50пули АР М2 калибра12,7ммот поверхностной плотности преграды из:
Ряд 3 - стали (420-470HB)[7]
Рис 3. Зависимость ударной скорости V50имитатора осколка FSP калибра 20мм от поверхностной плотности преграды из:
Рис 4. Зависимость ударной скорости V50cнаряда API-T M602 калибра 20мм
от поверхностной плотности преграды из:
Ряд 1 -титанового сплава Ti-6Al-4V (ϬB=880-1050 МПа)[5]
Ряд 2 - стали (твёрдость 477-534HB)[10].
Таблица 3
Физико-механические свойства титановых сплавов, используемых в защитных структурах
В тоже время фактор стоимости стал субъективно менее значимым из-за сравнения цен титановых полуфабрикатов со стоимостью, используемых в последнее время композитных материалов и керамической брони, а также резкого снижения доли стоимости корпуса и деталей ходовой части по отношению к стоимости агрегатов и приборов современных изделий АиБТВТ.
Кроме того, не прекращались исследования, направленные на снижение стоимости титановых заготовок за счёт использования более дешёвых шихтовых материалов и оптимизации технологических способов получения слитков.
Результатом работ в этом направлении явилось создание новых экономнолегированных сплавов, с повышенным содержанием примесей внедрения и железа, которые при потере некоторых свойств (теплопрочности, термической стабильности при повторном нагреве), обязательных при длительной работе деталей при температурах выше 400℃, обладают необходимым запасом конструктивной прочности и надёжности при их эксплуатации при климатических температурах в условиях интенсивного ударного и усталостного нагружения.
Следует отметить, что это является общемировой тенденцией, связанной с увеличением применения титановых сплавов для бронезащиты. Помимо основного сплаваTi-6Al-4Vза рубежом активно используются его аналогиLow-cost:ATI-Ti-425TM,TimetTi-62STM(с содержанием кислорода до 0,3%) со сниженной себестоимостью изготовления (благодаря вовлечению скрапа, замены дорогостоящих легирующих элементов наFe).
Примером аналогичных российских сплавов является титановый двухфазный (α+β)-сплав VST 2 (VST-2В), разработанный ПАО Корпорация ВСМПО-АВИСМА(г. Верхняя Салда) при участии АО НИИ стали.VST-2В относится к сплавам мартенситного класса, по содержанию β-стабилизаторов близок к сплаву ВТ23. При выплавке его слитков используется низкосортная титановая губка, вовлекается 30% кусковых титановых отходов и 10% отходов в виде стружки. Благодаря этому себестоимость продукции, изготовленной из этого сплава, может быть снижена.[11]
Результаты определения комплекса механических свойств и оценка броневых характеристик, проведенная с участием традиционных и современных средств поражения, указывают на перспективность использования сплаваVST-2В:
- для изготовления деталей конструкционного назначения для разработанных изделий взамен изготовляемых из более дорогих серийных титановых сплавов с получением значительного экономического эффекта;
- для замены деталей, обычно изготавливаемых из конструкционных сталей, со снижением массы деталей на 40%;
- для изготовления элементов средств индивидуальной бронезащиты (СИБ) различного назначения;
- для изготовления броневых крышек, люков, навесных деталей бронирования корпусов. [12]
Некоторые предварительные результаты испытаний плитVST-2В по оценке их защитных характеристик приведены в таблице 4.
Помимо производства гомогенных листов и плитизсплаваVST-2В вПАО Корпорация ВСМПО-АВИСМА разработана технология поверхностной обработки листов и плит из сплава VST-2В, позволяющая получить на их поверхности толстый слой металлокерамической композиции твёрдостью до 72 HRC, прочно связанный с основной массой листа (плиты), при сохранении высокой прочности и ударной вязкости тыльной стороны композитной преграды на уровне исходной заготовки. Указанный поверхностный слой вызывает разрушение высокотвёрдых сердечников бронебойных пуль и приводит к резкому повышению стойкости бронепреград при их удовлетворительной живучести (допустимое расстояние между поражениями от 25 до60-90 мм в зависимости от средства поражения).
Таблица 4
Сравнение защитных характеристик гомогенного титанового проката из сплаваVST-2В и из серийных титановых сплавов типа Ti-6Al-4V
Изготовленные таким способом плиты могут быть использованы как в качестве монопреграды, так и в составе разнесённой или комбинированной брони.
Некоторые предварительные результаты испытаний плитVST-2В (VST 2) с поверхностным упрочнением и композиций с их применением приведены в таблице 5.
Таблица 5
Весовые характеристики композитных титанокерамических бронепанелей и защитных структур с их использованием в сравнении с защитными структурами на основе броневых сталей и алюмооксидной керамики
Помимо этого преимуществами композитных титанокерамических бронепанелей по сравнению с керамико-полимерными на основе алюмооксидной керамики являются:
-более низкая трудоёмкость изготовления;
-использование только отечественных материалов;
-сохранение защитных свойств при нагреве до температуры 8500С;
-возможность изготовления сварных конструкций;
- снижение толщины бронепанелей и величины динамического прогиба при обстреле;
- сохранение стоимости композитных титанокерамических бронепанелей на уровне изделий из традиционных титановых сплавов.
На основании вышеизложенного, перспективными для применения сплаваVST-2В в конструкциях защиты изделий АиБТВТ и средствах индивидуальной бронезащиты (СИБ) являются следующие направления:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Статья опубликована в журнале "ВОТ" серия 16 №7-8, 2018 год
Вы можете скачать оригинал статьи: Использование титановых сплавов для конструкционных и броневых деталей изделий АиБТВТ и средств индивидуальной бронезащиты (СИБ)
Оставить заявку
Отправляя форму Вы соглашаетесь на обработку персональных данных