Nútíma brynvarðar farartæki verða að sameina mikla hreyfanleika og hraða dreifingu með lifunargetu gegn hreyfiorkuskotum, brotum og sprengingum. Stálbrynjur eru áfram grunnlínan, en massi hennar takmarkar hversu mikla vernd tiltekinn undirvagn getur borið. Títan málmblöndur eru aðlaðandi brynjaframbjóðendur vegna þess að sérstakur styrkur þeirra er hæstur meðal víða fáanlegra byggingarmálma, þær standast sjó og umhverfistæringu án húðunar og hægt er að búa þær til með smíða, rúllubindingu, duftmálmvinnslu og aukefnaframleiðslu. Verkfræðiverkefnið er að breyta þessum eiginleikum í brynjukerfi með sannað ballistic takmörk á viðunandi kostnaði.
Það sem brynjahönnun krefst af málmi
Hár sérstakur styrkur og hörku- framhliðin verður að standast gegnslætti á meðan hún er studd af sterkara bakefni.
Brotseigni og sveigjanleiki- nóg til að koma í veg fyrir skelfilegar sprungur og takmarka sundrun yfirborðs að aftan.
Ballistic takmörk- mældur sem V50 hraðinn sem helmingur skotanna kemst í gegnum, mældur samkvæmt MIL-STD-662F, með brotavörn metin samkvæmt NIJ 0108.01 venju.
Suðuhæfni og mótunarhæfni- bolhlutar, lúkar og brynjukassar eru soðnir og myndaðir, þannig að málmblönduna verður að þola smíði án þess að tapa vörn.
Tæringarþol- brynja virkar oft í sjávar- eða raka umhverfi þar sem stál þarfnast málningar og skoðunar.
Þyngd er afgerandi viðmiðun. Með því að skipta út stálíhlutum fyrir títan hefur áætlunum bardagabifreiða gert kleift að fjarlægja umtalsverðan massa úr skrokk- og lúgusamstæðum - einstökum hlutum eins og herforingjalúgur, brynjuboxplötur og afturbrynjuhlutar hafa hver um sig stuðlað að lækkunum mæld í hundruðum kílóa á hvert farartæki, þar sem ballistísk frammistaða er lýst sem jöfn eða betri en stálhlutarnir sem þeir skiptu um.
Einkunnaval og lagskipt brynjahugtök
Ballískt títan er venjulega tilgreint undir kröfum um brynja-einkunnarplötu, þar sem flokkar 4 og Ti-6Al-4V eru algengustu. Gráða 4 býður upp á góða sveigjanleika fyrir mótuð og soðin mannvirki við miðlungs styrk, en Ti-6Al-4V veitir meiri styrk þar sem massanýting er mikilvæg. Grade 3 og Grade 4 plata sem fylgir MIL-DTL-46077 hefur verið notuð fyrir heitpressuð netlaga boginn ballistic innlegg og fyrir ódýra skrokkhluta, og Ti-6Al-4V ELI er valinn þar sem seigja er ríkjandi eiginleiki.
Hægt er að endurskapa tvöfalda-hörkuhugmyndina sem er fengin að láni úr stálbrynjum með títan með því að tengja hart framhlið með málmvinnslu við mýkri bakplötu. Harða lagið sigrar skothylkið á meðan sveigjanlegt burðarefnið takmarkar losun frá bakfletinum. Tilraunavinna á rúllu-soðnu lagskiptum sem sameinaði harða alfa-gerð spjaldið með bakplötu úr hærra álfelginu sýndi að tenging við harða flöt við sterkan bak, með fram-til-bakþykktarhlutfalli á svæðinu á bilinu 70/30, gaf besta jafnvægið milli gegnsóttarþols og togmarka.
Halli og samsett brynjaefni
Virkniflokkuð efni setja hörð keramik-líkt yfirborð yfir sveigjanlegt títan undirlag þannig að hörku breytist smám saman í gegnum þykktina. Ein þekkt leið heitpressar blöndur af títantufti með títantíbóríði til að mynda næstum-nettó-laga blokk með títantíbóríðríku andliti og óblanduðum títangrunni, aðskilin með flokkuðu millilagi. Kubbarnir sem myndast standast skothylki með því að stöðva skothylkið á snertifleti milli harðra og harðra svæða, vélbúnaður sem lýst er sem stöðvun milli andlits. Styrkt lög sem bæta við 5–10% af rúmmáli af TiB eða TiC ögnum við Ti-6Al-4V fylki verða brothætt þegar þau eru notuð ein sér, en þegar þau eru bundin sem tvílag með látlausu Ti-6Al-4V lagi sýna þriggja punkta beygjupróf marktækt hærri beygjuálag og orkugleypni en hvort sem er einsleitt efni.
Tengingarferli skipta jafn miklu máli og efnissamsetningin. Veltingur, dreifingartenging, heit jafnstöðupressun og sprengisuðu hafa allt verið staðfest fyrir herklæði; tilkynnt forrit sýna mælanlegan ávinning í kúluþol fyrir tengt lagskipt samanborið við einlita plötu, þar sem títaníumblendi á títanlagskiptum sem eru hreint í atvinnuskyni framleitt með heitri ísóstatískri pressu sem bætir viðnám um u.þ.b. 10% á einni samsætu Ti-6Al-4V plötu, og tengileiðin sjálf stuðlar að framförum á bilinu 10–25 %10.
Lág-kostnaður við bráðnun, málmduft og hitameðhöndlun
Kostnaður er helsta hindrunin fyrir víðtækari notkun títanbrynja, svo lág-bráðnun og nánast-net-lögunarvinnsla vekja mikinn áhuga. Bráðnun rafgeisla með köldu eldi framleiðir Ti-6Al-4V plötu sem hefur togeiginleika og brotseigu sambærileg við hefðbundið -gæðablað fyrir geimferðarými og þar sem mæld V50 gildi fara yfir lágmarkið sem MIL-DTL-46077 krefst. Duftmálmvinnsla býður upp á frekari kostnaðarleið: blandað frumduft, köld jafnstöðupressun, sintun og síðan velting, útpressun eða smíða getur framleitt plötu og nánast netlaga vélbúnað með efnisnýtingu langt umfram það sem vinnsla úr hleifum er.
| Vinnsluleið | Sérkenni | Tilkynnt niðurstaða |
|---|---|---|
| Rafeindageisla kalt aflinn bráðnar | Lægri bræðsla Ti-6Al-4V plötu | Tog og hörku sambærileg við loftrýmisplötu; V50 fyrir ofan brynjuforskriftina lágmark |
| Blönduð duftmálmvinnsla, valsplata | Kalt jafnstöðupressun, sintrun, velting, glæðað við 732 gráður í 4 klst. | Togstyrkur 991–1.029 MPa, slökkviþol 911–940 MPa, lenging 14–15,5 % |
| Blönduð duftmálmvinnsla, svikin lúga | Smíða kemur í stað veltings; glæðað við 704 gráður í 2 klst | Eiginleikar sem jafngilda valsplötu með lægri vinnslukostnaði |
| Lagskipt rúlla-soðin og heit jafnstöðupressuð brynja | Hart andlit tengt við sterkan bak | Kúluþol batnaði um u.þ.b. 10% miðað við einlitað Ti-6Al-4V |
Hitameðhöndlun breytir ballistic frammistöðu sem og togeiginleikum. Meðhöndlun alfa+beta lausnar sem fylgt er eftir með öldrun, til dæmis um 900 gráður í tveggja-fasa sviðinu fyrir lág-kostnaður Fe-berandi álfelgur, hefur framleitt plötur með betri viðnám gegn 7,62 mm skotum en möl-glýjuð Ti-6Al-4V plata af sömu þykkt sameinar styrkleika með meiri styrkleika og sameiningu. Stýring millivefs er enn mikilvæg: súrefnis- og köfnunarefnisinnihald verður að vera innan forskriftarinnar og vetni er haldið lágu, vegna þess að umfram millivefsefni eykur styrk en stökkva efnið undir högginu.
Þróun álfelgur og aukefnaframleiðsla
Nýjar- ódýrar alfa+beta málmblöndur koma í stað járns fyrir hluta af vanadíuminnihaldinu, sem dregur úr álverði og bætir vinnsluhæfni. Dæmigerð Fe-burðarstig, Ti-5Al-3V-2Cr-2Fe, hefur sýnt fram á þrýstiþol upp á 1.255 MPa við hálfkyrrstæða hleðslu, um 20% hærra en Ti-6Al-4V, hækkar í um það bil 1.430–1.470 MPa og 6.400 MPa hraða á milli 0,0 sek. s⁻¹, um 28% hærra en Ti-6Al-4V. Kúluprófun á 7 mm plötu á móti 10 mm wolframblendikúlu gaf takmarkaðan hraða upp á um 416 m/s við venjulegt högg og um 485 m/s við 30 gráðu halla, og samsett líkön gátu endurskapað skarpskyggnihegðun sem sást.
Aukaframleiðsla opnar rúmfræði sem hefðbundin ferli geta ekki framleitt. Laser duft bed samruni Ti-6Al-4V hefur verið notaður til að byggja honeycomb og grindarplötur fyrir sprengingu og skarpskyggni vernd, með rannsóknum sem sýna að hærra grindar rúmmál brot bætir viðnám gegn skarpskyggni, en flokkaðar grindur bæta viðnám gegn torsion og aflögun og skaða því þol. Duftbeðsamruni Ti-6Al-4V og Ti-6Al-4V ELI fellur undir ASTM F2924 og ASTM F3001, og hugtakarammi fyrir aukefnaferla er staðlað í ISO/ASTM 52900.
Hæfnis- og prófunarstarf
Ballistic takmörk próf- Ákvörðun V50 gegn skilgreindum skotum og hallum í kjölfar MIL-STD-662F, studd af brotaprófum sem byggja á NIJ 0108.01 venju.
Eftir-áhrifamat- aflögun á yfirborði að aftan, sprungur og sprungur eru skráðar vegna þess að þær ákvarða lifunargetu áhafnar eins mikið og skarpskyggni gerir.
Vélræn einkenni- togprófun samkvæmt ASTM E8/E8M, hörku samkvæmt ASTM E384 og kornastærð samkvæmt ASTM E112 staðfestir afhendingarskilyrði.
Dynamic prófun- skipt Hopkinson þrýstistikur og þjöppunarpróf með háum álagshraða mæla næmni álagshraða fyrir brynjulíkön.
Ó-eyðandi skoðun- úthljóðsskoðun á plötum og bundnum lagskiptum og skarpskyggniskoðun í samræmi við ASTM E1417 greinir galla í festingu og ósamfellu á yfirborði.
Stuðningsstaðlar- MIL-DTL-46077 fyrir brynvarða títanplötu og ASTM B988 fyrir títaníhluti í duftmálmvinnslu.
Algengar spurningar
Sp.: Getur títan komið í stað stálbrynju í skriðdrekum og brynvörðum ökutækjum?
Það kemur nú þegar í stað stáls í tilteknum hlutum eins og lúgum, brynjuboxum, skrokkhlutum og innleggjum, þar sem þyngdarsparnaður og tæringarþol réttlætir kostnaðinn. Fullkomin útskipting á skrokki er enn takmörkuð af efniskostnaði frekar en af ballistic getu.
Sp.: Hvað er títan lagskipt með tvöföldum hörku?
Það er málmvinnslutengd plata sem samanstendur af hörðu framhlið sem þolir gegnslætti og mýkri, harðari bakplötu sem takmarkar bakflöt að aftan. Greint hefur verið frá þykktarhlutfalli að framan-til-aftan á svæðinu sem er 70/30 sem gefur bestu samsetninguna af gegndræpi viðnám og losunarstjórnun.
Sp.: Hvernig er frammistaða títanbrynja mæld?
Frammistaða er gefin upp sem V50 ballistic mörk, hraðinn sem helmingur af skilgreindu skotvopnasetti kemst í gegnum skotmarkið, ákvarðaður í kjölfar MIL-STD-662F við tilgreindar hallir og studdur af brotaprófun sem byggir á NIJ 0108.01 venju.
Sp.: Hvaða staðlar eiga við um títan brynjuplötu?
Armor-einkunnarplata er almennt pantað í MIL-DTL-46077, sem sameinar kröfur um vélræna eiginleika og boltasamþykki. Vörur til málmvinnsludufts falla undir ASTM B988, og almenn plata og lak eru afhent ASTM B265.
Sp.: Af hverju er duftmálmvinnsla notuð fyrir títanbrynju?
Vegna þess að framleiðsla í næstum-nettó-formi dregur verulega úr efninu sem annars væri unnið í burtu frá hleif, lækkar kostnað og styttir afgreiðslutíma. Blandað frumefnisduft, köld jafnstöðupressun, sintrun og síðan velting eða smíði skila togeiginleikum sem nálgast það sem unninn diskur.
Sp.: Hvernig hefur hitameðferð áhrif á kúluþol?
Meðhöndlun lausna og öldrun á alfa+beta sviðinu eykur styrk fylkisins en heldur sveigjanleika, og prófuðu Fe-burðarplötur í öldnu ástandi stóðu sig betur en mill-glöddar Ti-6Al-4V af sömu þykkt gegn 7,62 mm skotum. Millivefsefni verður að vera innan forskrifta til að forðast stökkun.
