Перспективы применения металлических композиционных материалов для создания броней нового поколения

УДК 669.14.018.291.620.18 Д. Б. Крюков, Д. В. Козлов

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ СОЗДАНИЯ БРОНЕЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Аннотация. Объектом исследования являются перспективные металлические композиционные материалы, в частности материалы системы И-Д!. Применение композиционных материалов на сегодняшний день и в ближайшей перспективе для создания броней нового поколения. Результаты и выводы. Рассмотрен пример гетерогенной алюминиевой брони, которая используется в боевой легкобронированной технике, и предпосылки ее создания. Изучены две запатентованных перспективных разработки композиционных металлических материалов системы И-Д!, показаны их преимущества по сравнению с гомогенными материалами. Рассмотрены возможные области их применения, в частности в военной технике и в гражданских автомобилях.

Ключевые слова: композиционные материалы, интерметаллиды, брони, тела качения, армирование.

Введение

В настоящее время во многих отраслях машиностроения наблюдается тенденция перехода от монометаллов к композиционным материалам. Это связано в первую очередь с тем, что традиционные материалы перестают соответствовать требованиям, предъявляемым со стороны проектировщиков и изготовителей деталей и машин. Материалы нового поколения должны обладать целым комплексом уникальных свойств, например, высокой прочностью и жаростойкостью и одновременно обладать низкой плотностью и высокой обрабатываемостью. Подобные требования предъявляются и к металлам и к неметаллам, а также к их сочетаниям. Слоистые композиционные материалы сочетают в себе большинство преимуществ составляющих компонентов и лишены недостатков, присущих каждому материалу в отдельности [1, 2].

Металлические брони должны обладать высокими значениями твердости и прочности для предотвращения проникновения пули и высоким уровнем пластичности и вязкости для предотвращения дальнейшего распространения осколков. Наиболее распространены стальные, титановые и алюминиевые брони. По отдельности данные материалы не обладают необходимыми свойствами, и одним из способов их приобретения является создание многослойных материалов.

1. Композиционные металлические брони

Уже сейчас композиционные материалы широко распространены, особенно при создании военной техники. В качестве примера рассмотрим применение алюминиевых броней, разработанных ОАО «НИИ стали».

Разработку броневых алюминиевых сплавов НИИ стали начал в 60-х гг. в связи с созданием легких плавающих танков и БМД. Термоупрочняемые деформируемые свариваемые сплавы системы Al-Zn-Mg марок АБТ-101 и АБТ-102, созданные для этих целей, обладают уровнем прочности 450-500 МПа, обеспечивая почти 25 % снижения массы бро-некорпуса в сравнении со стальным бронированием. В начале 80-х гг. на основе этих материалов в НИИ стали была создана гетерогенная алюминиевая броня ПАС-1 и ПАС-2, в которой удалось реализовать прочность на уровне 600 МПа. Все эти материалы используются в БМД-1, БМД-2, БМД-3, БМД-4, БМП-3 и перспективных ЛБМ [3]. Ниже описыва-

ется одна из последних разработок ОАО «НИИ стали» - «Слоистая плита на основе алюминия для противопульной сварной брони». Ее схема представлена на рис. 1.

9

Рис. 1. Слоистая плита на основе алюминия: 1 - лицевой слой; 2 - срединный слой; 3 - тыльный слой;

4 - тонкий слой, расположенный между лицевым и срединным слоем;

5 - тонкий слой, расположенный между срединным и тыльным слоем;

6 - тонкий слой, расположенный на внешней поверхности лицевого слоя;

7 - тонкий слой, расположенный на внешней поверхности тыльного слоя;

8 - сварной шов; 9 - элемент сварной брони, изготовленный из слоистой плиты или из свариваемого алюминиевого сплава; 10 - трещина

Изобретение относится к сварным броневым конструкциям. Слоистая плита на основе алюминия для противопульной сварной брони включает лицевой, срединный и тыльный слои из алюминиевых сплавов, тонкие слои толщиной 1-3 % толщины плиты, расположенные между указанными слоями и на внешних поверхностях лицевого и тыльного слоев. Лицевой слой выполнен толщиной 4-13 % толщины плиты. Тонкие слои выполнены из алюминиевого сплава, содержащего цинк, кремний, марганец, железо, титан и примеси. Тыльный слой выполнен толщиной 4-13 % толщины плиты. По меньшей мере один из лицевого, срединного и тыльного слоев выполнен из алюминиевого сплава, содержащего цинк, магний, марганец, хром, титан, цирконий, медь, железо, кремний и примеси, при этом суммарное содержание цинка и магния составляет 6,4-7,4 мас. %, а отношение содержания цинка к содержанию магния - 2,57-3,67. Техническим результатом является повышение бронестойкости, циклической долговечности, а также уровня безопасных напряжений слоистой плиты и ее сварных соединений [4].

Использование слоистых плит по изобретению в сварной противопульной броне существенно повышает ее эксплуатационную надежность [4].

2. Перспективные разработки

Прогресс не стоит на месте: постоянно предлагаются новые материалы и их сочетание, и металлические композиционные материалы не исключение. Большой интерес представляют композиционные материалы системы Т1-Л1. Ниже в качестве примера будут описаны две перспективные разработки, изготавливаемые сваркой взрывом.

2.1. Разработка Волгоградского государственного технического университета

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты и защиты боевой техники и гражданской спецтехники от поражения баллистическими инденторами (снаря-

дами, пулями, осколками). Предложен броневой элемент, содержащий броневую плиту и тела качения. Броневая плита выполнена биметаллической и состоит из слоя титанового сплава и слоя из алюминия. Тела качения размещены в композиционном армированном пакете, соединенном сваркой взрывом с броневой плитой со стороны слоя из алюминия. Композиционный армированный пакет содержит лобовой слой из алюминия и не менее двух слоев, размещенных в ячейках металлической сетки тел качения, смещенных относительно друг друга на величину 0,5 шага их укладки и соединенных между собой алюминиевыми прослойками. Использованы металлические сетки с размером ячейки 0,75...0,85 диаметра тел качения. Тела качения и металлические сетки выполнены из материалов с твердостью не менее твердости материала баллистического индентора. Слой тел качения, расположенный под лобовым слоем из алюминия, выполнен из последовательно чередующихся керамических и стальных намагниченных тел качения, а слой, расположенный под первым, выполнен из стальных тел качения. Изобретение направлено на увеличение прочности и долговечности броневого элемента за счет снижения проникающей способности баллистического индентора. Технический результат, который достигается при осуществлении изобретения - это увеличение прочности и долговечности броневого элемента [5]. Изготовленный образец был обстрелян, и результаты показали, что места с телами качения пробиты не были. На рис. 2,а,б показаны обстрелянные образцы.

а) б)

Рис. 2. Обстрелянные образцы: а - внешняя сторона; б - тыльная сторона

2.2. Разработка Пензенского государственного университета

Была предложена новая схема получения слоистого композиционного материала сваркой взрывом, в которой промежуточную алюминиевую пластину перфорируют сквозными каналами, распределенными равномерно по площади листов, при этом каналы выполняют коническими с противоположно направленной конусностью в соседних каналах, а каналы с одноименной конусностью располагают в плоскости листа в шахматном порядке [6]. Результаты компьютерного моделирования в программном пакете БоИвШоткв показали наибольший предел прочности именно с коническими перфорациями. По сравнению с монометаллом ВТ1-0 прочность возрастала на 51 %. На рис. 3 представлена модель слоистого композиционного материала с коническими перфорациями.

Рис. 3. Модель слоистого композиционного материала с коническими перфорациями

Макроструктура МКМ, полученного сваркой взрывом по разработанной схеме армирования, приведена на рис. 4.

Рис. 4. Внешний вид композиционного материала

Важнейшим этапом формирования композиционного материала является синтез

и «-» -г»

интерметаллического слоя заданной толщины путем температурного воздействия. В результате испытаний на одноосное растяжение было выявлено, что максимальное значение прочности достигается при толщине интерметаллидного слоя 100 мкм.

Для изучения качественного состава интерметаллических прослоек МКМ был проведен микрорентгеноспектральный анализ. Схема точек замеров химического состава интерметаллических прослоек показана на рис. 5. Полученные результаты приведены в табл. 1 [7, 8].

Рис. 5. Микроструктура МКМ после синтеза интерметаллических прослоек: 1-6 точки замеров химического состава

Таблица 1

Спектр Mg Al Si Ti Mn

Спектр 1 - 0.7 - 99.3 -

Спектр 2 - 0.9 - 99.1 -

Спектр 3 0.9 72.5 0.8 24.4 0.4

Спектр 4 1.8 79.8 - 24.2 0.4

Спектр 5 4.1 91.6 - 0.2 0.5

Спектр 6 5.0 92.3 - - 0.5

3. Применение металлических композиционных материалов

Описанные выше примеры композиционных материалов могут иметь широкое применение. Титан и алюминий достаточно легкие и прочные металлы, в связи с этим они могут использоваться в легкобронированной технике, например в боевой авиации и машинах серии БМП и БМД, а также перспективных ЛБМ. Кроме того, стоит выделить боевую авиацию, также чувствительную к массе материала. Помимо военной техники данные материалы могут использоваться в бронировании правительственных автомобилей и автомобилей инкассации. В них показатель удельной прочности материала бронирования является важным, т.к. данная техника базируется на гражданских автомобилях, грузоподъемность которых достаточно ограничена. В России есть компании, в частности компания «RIDA», занимающиеся капсульным бронированием автомобилей по европейским и российским классам защиты.

Заключение

Противостояние снаряда и брони было и продолжается и гомогенные материалы уже давно не справляются с требованиями, предъявляемыми к ним, особенно остро это чувствуется в бронематериалах. Можно с уверенностью говорить о том, что металлические композиционные материалы наравне с другими технологиями имеют большие перспективы применения, и не только в военной технике.

Список литературы

1. Модель армирования нового композиционного материала системы титан-алюминий средствами программы SolidWorks / Д. Б. Крюков, А. О. Кривенков, С. Н. Чугунов, М. С. Гуськов, Д. В. Козлов // Университетское образование (МКУО-2015) : сб. ст. XIX Междунар. науч.-метод. конф., посвящ. 70-летию Победы в Великой Отечественной войне (г. Пенза, 9-10 апреля 2015 г.) : в 2 т. / под ред. А. Д. Гулякова, Р. М. Печерской. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2015. - Т. 2. - 310 с.

2. Григорян, В. А. Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования / В. А. Григорян, И. Ф. Кобилкин, В. М. Маринин, Е. Н. Чистяков ; под ред. В. А. Григоряна. - М. : РадиоСофт, 2008. - 406 с.

3. ОАО «НИИстали». - URL: www.niistali.ru/products/nauka/al_alloy/al_alloy/

4. Пат. № 2371660. Слоистая плита на основе алюминия для противопульной сварной брони / Григорян В. А., Каширин В. Ф., Егоров А. И., Соседков С. М., Зубков В. А., Шумилкин А. А., Дриц А. М. ; патентообладатель ОАО «НИИ стали». - URL: www.findpatent.ru/patent/ 237/2371660.html

5. Пат. № 2315257. Броневой элемент / Лысак В. И., Кривенцов А. Н., Кузьмин В. И., Кузьмин С. В. ; патентообладатель ВолгГТУ. - URL:www.findpatent.ru/patent/231/2315257.html

6. Триботехнические свойства композиционных материалов на основе титана, полученных методами высокоэнергетического воздействия / А. О. Кривенков, С. Н. Чугунов, Д. Б. Крюков, А. Н. Баранов, М. С. Гуськов // Металлург. - 2015. - № 7. - С. 73-76.

7. Металлические композиционные материалы, армированные интерметаллическими упрочняющими элементами / Л. Б. Первухин, А. Е. Розен, Д. Б. Крюков, А. О. Кривенков, С. Н. Чугунов // Металлург. - 2015. - № 10. - С. 74-77.

8. Крюков, Д. Б. Исследование влияния конфигурации упрочняющих элементов на прочностные свойства моделей композиционных материалов системы титан-алюминий / Д. Б. Крюков, А. В. Прыщак, М. С. Гуськов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 4 (32). - С. 112-119.

Крюков Дмитрий Борисович

кандидат технических наук, доцент, кафедра сварочного, литейного производства и материаловедения, Пензенский государственный университет E-mail: kryukow@yahoo.com

Козлов Дмитрий Вячеславович

студент,

Пензенский государственный университет E-mail: kozlovdimanje@yahoo.com

УДК 669.14.018.291.620.18 Крюков, Д. Б.

Перспективы применения металлических композиционных материалов для создания броней нового поколения / Д. Б. Крюков, Д. В. Козлов // Вестник Пензенского государственного университета. -2016. - № 2 (14). - C. 103-108.

Kryukov Dmitriy Borisovich

candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of welding, foundry production and materials science, Penza State University

Kozlov Dmitriy Vyacheslavovich

student,

Penza State University