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前言:高比強(qiáng)度的有色合金,如鋁、鎂和鈦合金,被認(rèn)為是國(guó)防軍工領(lǐng)域鋼材的可能替代品。在這些合金中,鎂具有自爆性,鈦較為昂貴,鋁最有可能取代鋼,鋁及其合金的應(yīng)用也被認(rèn)為是國(guó)防領(lǐng)域的一種適當(dāng)?shù)奶娲罚貏e是在保持與常規(guī)裝甲級(jí)鋼相同的標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),提高戰(zhàn)斗車輛的機(jī)動(dòng)性。
表1 鋁合金裝甲材料的發(fā)展
過(guò)去大多數(shù)研究都局限于鋁或其合金,而目前也出現(xiàn)了以鋁合金作為基材開(kāi)發(fā)新型復(fù)合材料的時(shí)代,以解決主要限制,即摩擦學(xué)性能。將碳化硅、過(guò)渡金屬碳化物和鋁氧化物等陶瓷碳化物結(jié)合,采用基于熔合路線的高能激光熔融處理、高能電子束輻照和熱噴涂等表面改性技術(shù)制備表面復(fù)合材料。
圖1 表面攪拌摩擦焊加工碳化硼增強(qiáng)AA7075鋁合金表面的SEM照片
2016年,I.SUDHAKAR等人就通過(guò)攪拌摩擦焊加工碳化硼增強(qiáng)AA7075鋁合金,在攪拌摩擦加工過(guò)程中,加入碳化硼顆??娠@著提高基體的硬度。旋轉(zhuǎn)刀具的攪拌作用導(dǎo)致碳化硼的機(jī)械破裂,產(chǎn)生大量的高角度邊界。這些高角度的邊界阻礙了位錯(cuò)的自由運(yùn)動(dòng),提高了強(qiáng)度和硬度。碳化物顆粒在AA7075鋁合金基體中的分散抑制了位錯(cuò)的自由運(yùn)動(dòng),提高了復(fù)合材料的表面硬度。
圖2 表面添加碳化硼復(fù)合材料與基材AA7075鋁合金的硬度值
圖3 多層泡沫鋁結(jié)構(gòu)的裝甲層
鋁合金由于其重量輕、強(qiáng)度大和耐用性而被廣泛用于軍用車輛。在軍用車輛中使用鋁合金可以顯著減輕車輛的重量,從而提高機(jī)動(dòng)性和燃油效率。鋁合金還具有很強(qiáng)的耐腐蝕性,這使它們成為在惡劣環(huán)境中運(yùn)行的軍用車輛的理想材料。2011年,Huang J等人就開(kāi)發(fā)了多層結(jié)構(gòu)的裝甲層材料,其中采用了大量的Alulight美國(guó)泡沫金屬材料用于骨化裝甲防護(hù)材料體系的設(shè)計(jì)。
圖4 彈道射擊實(shí)驗(yàn)示意圖和實(shí)驗(yàn)后的金屬基復(fù)合材料
在軍用車輛中使用鋁合金的最顯著優(yōu)勢(shì)之一是它們能夠輕松塑造成復(fù)雜的設(shè)計(jì)。這種特性使它們成為裝甲車輛的理想材料,裝甲車輛需要復(fù)雜的形狀和設(shè)計(jì)來(lái)提供最大程度的保護(hù)。鋁合金還具有很強(qiáng)的抗彈道沖擊能力,這使它們成為軍用車輛裝甲鍍層的理想材料。傳統(tǒng)上,軍用車輛一般由鋼和復(fù)合裝甲保護(hù)。這是因?yàn)椴粌H要考慮結(jié)構(gòu)的彈道性能,而且還要考慮重量。因此,新的候選材料之一可能是金屬基復(fù)合材料(MMCs)。MMCs通常由低密度金屬組成,例如鋁或鎂,用碳化硅等陶瓷材料顆粒增強(qiáng)。與單片金屬相比,MMCs可提供優(yōu)異的材料性能,如比強(qiáng)度、工作溫度、耐磨性。2017年,Minhyung Lee等人就開(kāi)發(fā)了Al7075基體和B4C增強(qiáng)的復(fù)合材料(體積分?jǐn)?shù)為45%的B4C)。
圖5 英國(guó)勇士坦克變種有(右)和沒(méi)有(左)appliqué裝甲系統(tǒng)
而基于鋁合金開(kāi)發(fā)的輕型裝甲在各國(guó)都有實(shí)際應(yīng)用,其中英國(guó)勇士坦克所有24個(gè)負(fù)重輪都是由基于7039的新型擠壓鑄造合金制造的。用于制造M113裝甲外殼的主要鋁合金是為5083,經(jīng)過(guò)一定的成分優(yōu)化和軋制工藝后的合金變體具有優(yōu)異的延展性,成形性和良好的耐腐蝕性,還具有良好的焊接性能,5083合金至今仍被用于所有其他鋁裝甲合金的基準(zhǔn)。
圖6 美國(guó)M113裝甲運(yùn)兵車
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作者:高川
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