Многослойный металлокерамический композиционный материал и способ его изготовления
MULTILAYER CERMET COMPOSITE MATERIAL AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к области производства материалов, используемых для изделий, работающих в агрессивных средах,  в условиях эрозионного, абразивного воздействия,  а так же при высокоскоростных ударных нагрузках. Материал предназначен для изготовления  частей оборудования,  работающих при повышенных температурах в условии агрессивных сред  для изготовления защитных элементов экипировки и в составе техники от воздействия высокотвёрдых ударников и осколков.
Для достижения максимальных эксплуатационных свойств материала и преимуществ по весовым и защитным характеристикам проводится оптимизация толщины слоёв композиции, а так же осуществляется выбор материала заготовок на основе алюминиевых и титановых сплавов.Выбор состава композиционного материала определяется, главным образом от функционального назначения и условий эксплуатации изделия.
К примеру, одним из главных критериев обеспечения требуемых защитных свойств изделия является не пробитие тыльной преграды. Кондиционному поражению обычно соответствует не только не пробитие тыльной преграды, но и отсутствие в ней сквозных трещин. Наиболее эффективными считаются преграды, которые при заданном уровне защиты  обеспечивают кондиционное поражение при минимальных массовых и габаритных характеристиках.  Однако, невозможно добиться наилучших показателей  изделия, используя только один материал заготовки для гомогенных преград.
3
Если рассматривать гомогенные преграды, то для обеспечения требуемых характеристик защиты от высокоскоростных ударников с твердостью менее 40HRC наилучшим сочетанием свойств обладают титановые сплавы. Имея относительно небольшую плотность (4400-4500кг/м), что принципиально важно для достижения минимальной поверхностной плотности защитной структуры, титановые сплавы по удельной прочности (отношение прочности к плотности)  превосходят специальные стали и алюминиевые сплавы.
Однако применение гомогенных листов из  титановых сплавов в  качестве защиты от высокоскоростных ударных нагрузок ограничено, т.к. они не обладают достаточной  поверхностной твердостью, необходимой для  разрушения высокотвёрдых ударников с твёрдостью более 56HRС. Высокотвёрдые ударники проникают в такой материал без разрушения в зависимости от величины их кинетической энергии, что значительно снижает эффективность защиты преграды. Известные решения  не позволяют расширить сферу использования титановых сплавов в качестве материала для защиты.
Известен способ изготовления броневых листов из (α+β)-титанового сплава, включающий подготовку шихты, выплавку слитка, деформацию слитка в сляб, механическую обработку сляба, прокатку сляба на подкат, резку подката на заготовки, прокатку. В известном способе выплавляют слиток, содержащий, мас. %: 3,0-6,0 Al; 2,8-4,5 V; 1,0-2,2 Fe;  0,3-0,7 Mo; 0,2-0,6 Cr; 0,12-0,3 О; 0,010-0,045 С; <0,05 N; <0,05 Н; <0,15 Si; <0,8 Ni; остальное - титан, прокатку заготовок производят стадийно, причем на первой стадии прокатку ведут в продольном направлении в β-области после нагрева до температуры, по крайней мере на 50°C выше температуры полиморфного превращения (ТПП), на второй стадии прокатку ведут в продольном направлении в (α+β)-области после нагрева, по крайней мере до температуры на 20°C ниже ТПП, на третьей стадии ведут поперечную прокатку в β-области после нагрева до температуры, по крайней мере на 50°C выше ТПП, на четвертой стадии прокатку ведут в продольном направлении в (α+β)-области после нагрева до температуры, по крайней мере на 20°C ниже ТПП со степенью деформации до 50%, а термическая обработка включает закалку с нагревом до температуры на 50-130°C ниже ТПП, охлаждением в воде и искусственное старение при температуре 540-710°C с выдержкой  4-8 часов (Патент РФ №2549804, публ. 27.04.2015).
1
Недостатком известного способа является низкая поверхностная твёрдость гомогенного материала (не более 43HRС), при этом возможное повышение твёрдости за счёт объемной термообработки снижает ударную вязкость, вязкость разрушения КС, что приводит к образованию трещин и разрушению материала.
3
1/2
1
Известна бронепанель пулезащитная, содержащая оболочку, промежуточный слой, в котором размещены плитки, расположенный на основании, при этом плитки выполнены из металлокерамического сплава на металлической связке плотностью не более 6,4 г/см, с пределом прочности при изгибе не ниже 1600 МПа, твердостью по Роквеллу HRA не ниже 89 и коэффициентом интенсивности напряжений КС не ниже 8 МПа·м (Патент РФ №2491494, публ. 27.08.2013).
Недостатками известного решения является высокая плотность материала и трудоёмкость процесса изготовления при сборке плиток в бронепанель, а также относительно низкая живучесть бронепанели с плитками при соударении с ударником из-за деформации основания.
4
5
2
Известен способ изготовления композиционного материала на основе титановых сплавов, включающий поверхностное упрочнение исходной заготовки из титановых сплавов за счёт нагрева поверхности титанового сплава высококонцентрированным движущимся источником тепловой энергии в газовой атмосфере, содержащей модифицирующие компоненты. Нагрев производится плазменной погруженной дугой прямого действия при удельном тепловом потоке в центре пятна нагрева сжатой дугой от 10 до 10 Вт/см, силе тока 50-450 А, напряжении дуги от 20 до 45 В и скорости перемещения источника тепловой энергии относительно поверхности титанового сплава от 0,003 до 0,01 м/с. Газовая атмосфера образована смесью аргона с добавлением азота и/или газа содержащего углерод. (Патент РФ №2647963, публ. 08.02.2018).
К недостаткам известного решения относится неоднородность металлокерамического слоя по толщине и как следствие нестабильность свойств, наличие значительной переходной зоны термического влияния снижающей пластические свойства  и защитные характеристики материала. Кроме того, использование единственной гомогенной заготовки не позволяет произвести одновременно выбор нескольких материалов, для сочетания их преимуществ.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание универсального многослойного металлокерамического композиционного материала на основе алюминиевых и титановых сплавов обеспечивающего высокую эффективность защиты от высокоскоростных ударных воздействий, как от твердосплавных ударников, так и кинетических средств поражения. Способ изготовления этого материала, характеризуется относительной простотой, меньшими затратами и возможностью получения необходимых эксплуатационных свойств в более широком диапазоне.
Техническими результатами, достигаемыми при осуществлении изобретения, являются повышение эксплуатационных свойств материала за счет получения более однородного по толщине металлокерамического слоя регламентированной толщины с высокой поверхностной твёрдостью, а так же снижение зоны термического влияния и увеличение живучести материала за счёт использования сочетания двух и более заготовок из титановых и алюминиевых сплавов.
x,
4
x
x
x
x
y
x
y
z
x
y
z
x
y
z
Указанные технические результаты достигаются тем, что в многослойном композиционном листовом материале на основе нескольких заготовок титанового и алюминиевого сплава, содержится лицевой металлокерамический  слой  первой заготовки, промежуточный переходный слой и тыльный слой из второй заготовки. Согласно изобретению лицевой металлокерамический слой, после упрочняющей обработки имеет твердость 700-1800 HV1 и толщину 30-70% от общей толщины композита, который содержит частицы TiB, BC, TiN, TiO,TiC, TiAl, TiNO,TiCO,TiNCс общей объемной долей 30-85%, расположенные  в металлической матрице, содержащей (масс.%) основу – титан.
Промежуточный градиентный слой, сочетающий зону сплавления заготовок и зону термического влияния, имеющий твердость 300-700 HV1 и толщину 10-30% от общей толщины материала, выполнен из титанового или алюминиевого сплава с  рекристаллизованной  структурой.
Тыльный слой представлен  на основе второй заготовкой из титанового или алюминиевого сплава  и выполнен  толщиной 20-60% от общей толщины материала с твердостью 40-600HB.
4
Также технический результат достигается тем, что способ изготовления многослойного металлокерамического композиционного материала на основе  титанового или алюминиевого сплава, включает сплавление сборки заготовок электрической дугой с подачей плазмообразующей газовой среды, с предварительным нанесением на верхнюю заготовку обмазки, содержащую порошок BC. В качестве плазмообразующей среды используют газовую смесь, содержащую (объемн. %) 50-95 азота, 0-40 аргона, остальное – углекислый газ. Заготовки обрабатывают электрической дугой прямого или косвенного действия при силе тока от 100А до 1500A при скорости перемещения сопла горелки от 5 до 50 мм/с, а отвод тепла осуществляют посредством водоохлаждаемого стола, перекрывающим контур листовых заготовок. Перемещение сопла горелки и обработку дугой поверхности листовых заготовок осуществляют согласно управляющей программе по заданной траектории.
x,
4
x
x
x
x
y
x
y
z
x
y
z
x
y
z
Лицевой слой содержит частицы в виде дендритов  TiB, BC, TiN, TiO,TiC, TiAl, TiNO,TiCO,TiNC с объемной долей 30-85%, расположенные в металлической матрице, содержащей (масс.%) основу – титан. При содержании керамических частиц менее 30% не обеспечивается необходимая твёрдость 700HV1 для обеспечения эксплуатационных свойств, в том числе для разрушения твердосплавных ударников. Содержание керамических частиц свыше 85% в металлической матрице приводит к нежелательному снижению пластичности и вязкости разрушения металлокерамического слоя материала. Толщина слоя составляет 30-70% от общей толщины материала, что определено необходимостью обеспечения требуемого регламентированного уровня эксплуатационных свойств.
Промежуточный слой композита,  является минимизированной переходной зоной сплавления между металлокерамическим лицевым и тыльным слоем. Слой имеет  градиентное изменение твёрдости, что повышает  живучесть лицевого слоя. Зона термического влияния  имеет  рекристаллизованную  зёренную структуру.
Тыльный слой является не менее важным компонентом для повышения конструкционную прочность материала, обладает высокой ударной вязкостью, способной нести основную нагрузку и служит для эффективного поглощения остаточной энергии. Тыльный слойвыполнен толщиной 20-60% от общей толщины материала с твердостью 40-600 HB, представлен вытянутыми деформированными зёрнами.
x,
4
x
x
x
x
y
x
y
z
x
y
z
x
y
z
x,
4
x
x
x
x
y
x
y
z
x
y
z
x
y
z
Указанные характеристики материала достигаются также следующим способом его изготовления. Для получения требуемых характеристик слоев композиционного материала применяют обработку листовых заготовок электрической дугой прямого действия. Для этого нижнюю заготовку тыльной поверхностью укладывают и фиксируют на водоохлаждаемом столе, обеспечивающим теплоотвод и отсутствие коробления листовых заготовок. Электродуговую обработку осуществляют, преимущественно, горелками с неплавящимися электродами с одновременной подачей в зону дуги плазмообразующей газовой смеси. Горение  электрической дуги происходит между титановыми заготовками или титановой и алюминиевой заготовкой неплавящимся электродом сопровождается ионизацией молекул плазмообразующей смеси газов. При обработке листовых заготовок электрической дугой с использованием газовой смеси, содержащей (объемн. %) 50-95 азота, 0-40 аргона, остальное – углекислый газ, происходит расплавление поверхности с насыщением металлической матрицы элементами, входящими в состав газовой смеси и образованием при кристаллизации керамических частиц в виде дендритов фаз TiB, BC, TiN, TiO,TiC, TiAl, TiNO,TiCO,TiNC. Устойчивость дуги и интенсивность насыщения поверхности связана со скоростью движения и объемом потока азота и двуокиси углерода из сопел горелки, который частично ионизируется, бомбардирует, нагревает и расплавляет поверхность листа, проникая в жидкий раствор. При охлаждении расплава и кристаллизации в поверхностном слое происходит образование керамических фаз, преимущественно кубической кристаллографической решеткой, образуя  высокотвердый лицевой слой. Скорость перемещения электрода и сила тока при обработке обусловлены необходимостью расплавления верхней заготовки для получения металлокерамического слоя заданной толщины и созданием достаточной концентрации элементов для образования частиц TiB, BC, TiN, TiO,TiC, TiAl, TiNO,TiCO,TiNC. При низкой скорости перемещения электрода  и более высокой силе тока возможен перегрев нижней заготовки, приводящий к снижению характеристик тыльного слоя и, соответственно, ухудшению эксплуатационных свойств материала в целом. Данный способ реализуется на установках с координатным столом портального типа, оснащенных системой ЧПУ и позволяющих производить перемещение горелок и обработку в системе координат по заданной программе. Программой  задают скорости и координаты перемещения горелки по осям X, Y, Z с периодическим включением/выключением напряжения на горелке в зависимости от текущих координат.
Промышленную применимость изобретения подтверждает  пример №1 его конкретного выполнения.
Для изготовления образца данного материала были использованы листовые заготовки из титанового и алюминиевого сплава. Химические составы листов заготовок приведены в таблицах 1, 2. Произведена сборка и закрепление образца композиции размером 14х250х300мм на водоохлаждаемом столе. Композиция состояла из верхнего листа титановой заготовки толщиной 3,5мм и нижнего листа алюминиевой заготовки толщиной 10,5 мм.
Таблица №1 Химический состав листа заготовки из титанового сплава
Место отбора образца
<b>Содержание элементов, масс. %</b>
<b>Ti</b>
<b>Al</b>
<b>V</b>
<b>Fe</b>
<b>Zr</b>
<b>Si</b>
<b>H</b>
<b>O</b>
<b>C</b>
<b>N</b>
Зона 1
основа
6,34
3,97
0,19
0.020
0,021
0,003
0,145
0,011
0,012
Зона 2
6,41
3,94
0,23
0.020
0,027
0,002
0,155
0,008
0,014
Таблица №2 Химический состав листа заготовки из алюминиевого сплава
Место отбора образца
<b>Содержание элементов, масс. %</b>
<b>Al  </b>
<b>Zn</b>
<b>Cu</b>
<b>Mg</b>
<b>Mn</b>
<b>Сr</b>
<b>Fe</b>
<b>Ti</b>
<b>Si</b>
Зона 1
Основа
6.21
1,94
2,51
0,4
0,019
0,35
0,04
0.25
Зона 2
6.26
1,96
2,55
0,3
0,020
0,41
0,03
0.21
От листовых заготовок отбирали образцы и исследовали их механические свойства. Результаты исследования приведены в табл.2.
Таблица №3  Механические свойства композиционного материала
№ образца, толщина,
Направление вырезки
Твердость,HV1/HB
KCU,кгсм/см<sup>2</sup>
σ<sub>0,2</sub>,  МПа
σ<sub>В</sub>,  МПа
δ, %
ψ, %
№1, титановыйлист, 3,5мм
Продольное
340 HV1
7,2
955
1033
14,8
38,6
Поперечное
350 HV1
6,9
961
1045
14,1
36,7
№2, алюминиевый лист, 10,5мм
Продольное
124 HB
---
440
520
12,1
---
Поперечное
122 HB
---
445
525
12,4
---
Закрепленный образец композиции из листовых заготовок подвергли обработке электрической дугой с одновременной подачей газовой среды. В качестве источника электрической дуги использовали сварочную установку с подачей плазмообразующей газовой смеси, содержащей 80 объемной % азота и  остаток - двуокиси углерода. При горении дуги сила тока составляла 260А, использовали неплавящийся вольфрамовый электрод. Газообразную смесь азота и двуокиси углерода подавали из сопла горелки диаметром 20 мм, двигающуюся со скоростью 8мм/с.
После установки листовых заготовок в исходное положение, согласно программе была задана скорость и координаты перемещения горелки по осям X, Y, Z. Образец композиции толщиной 14 мм обрабатывали для получения монолитного лицевого слоя.
В качестве теплоотводящей подложки использовали поверхность водоохлаждаемого стола размером 1500 мм и длиной 2000 мм, на котором была размещена листовая заготовка тыльной поверхностью во время электродуговой обработки.
В результате обработки были получены образцы многослойного металлокерамического листового материала толщиной 14 мм, который были исследованы и испытаны. Механические свойства исходных заготовок приведены в таблице 3, результаты баллистических испытаний представлены в таблице 4. Фотографии материала толщиной  14 мм  после баллистических испытаний представлены на рисунке 1 (лицевая поверхность) и рисунке 2 (тыльная поверхность).
Таблица №4 Результаты испытаний образца №1
№ Образца, размеры, наличие подложки,  вес
Скорость, масса, твёрдость ударника.
Результат испытания
№114х250×300 мм +арамидный тканевый пакет416 г/дм<sup>2 </sup>+ 64 г/дм<sup>2</sup>,Итого: 480 г/дм<sup>2</sup>
815м/с, 10,4г., 66HRC
Не пробитие образца
819м/с, 10,4г., 66HRC
Не пробитие образца
822м/с, 10,4г., 66HRC
Не пробитие образца
826м/с, 10,4г., 66HRC
Не пробитие образца
824м/с, 10,4г., 66HRC
Не пробитие образца
Промышленную применимость изобретения так же подтверждает пример №2 его конкретного выполнения.
Для изготовления образца данного материала были использованы листовые заготовки из титановых сплавов. Химические составы листов заготовок титановых сплавов приведены в таблицах 1,2. Произведена сборка и закрепление образца композиции размером 12х250х300мм на водоохлаждаемом столе. Композиция состояла из верхнего листа титановой заготовки толщиной 2,5мм и нижнего листа титановой заготовки толщиной 9,5 мм.
Таблица №5 Химический состав листа заготовки 1 из титанового сплава
Место отбора образца
<b>Содержание элементов, масс. %</b>
<b>Ti</b>
<b>Al</b>
<b>V</b>
<b>Fe</b>
<b>Zr</b>
<b>Si</b>
<b>H</b>
<b>O</b>
<b>C</b>
<b>N</b>
Зона 1
основа
6,32
3,88
0,22
0.028
0,029
0,006
0,151
0,008
0,014
Зона 2
6,39
3,84
0,21
0.022
0,019
0,008
0,149
0,012
0,018
Таблица №6 Химический состав листа заготовки 2 из титанового сплава
Место отбора образца
<b>Содержание элементов, масс. %</b>
<b>Ti</b>
<b>Al</b>
<b>Mn</b>
<b>Fe</b>
<b>Zr</b>
<b>Si</b>
<b>H</b>
<b>O</b>
<b>C</b>
<b>N</b>
Зона 1
основа
3,84
1,20
0,31
0.35
0,12
0,010
0,151
0,018
0,023
Зона 2
3,78
1,22
0,32
0.36
0,13
0,009
0,152
0,012
0,021
От листовых заготовок отбирали образцы и исследовали их механические свойства. Результаты исследования приведены в табл.2.
Таблица №7 Механические свойства композиционного материала
№ образца, толщина,
Направление вырезки
Твердость,HV1/HB
KCU,кгсм/см<sup>2</sup>
σ<sub>0,2</sub>,  МПа
σ<sub>В</sub>,  МПа
δ, %
ψ, %
№1, титановыйлист, 2,5мм
Продольное
340 HV1
7,2
955
1033
14,8
38,6
Поперечное
350 HV1
6,9
961
1045
14,1
36,7
№2,  титановыйлист, 9,5мм
Продольное
254 HV1
15,8
611
690
17,1
52,6
Поперечное
252 HV1
17,9
628
715
16,2
54,5
Закрепленный образец композиции из листовых заготовок подвергли обработке электрической дугой с одновременной подачей газовой среды. В качестве источника электрической дуги использовали сварочную установку с подачей плазмообразующей газовой смеси, содержащей 80 объемной % азота и остаток - двуокиси углерода. При горении дуги сила тока составляла 240А, использовали неплавящийся вольфрамовый электрод. Газообразную смесь азота и двуокиси углерода подавали из сопла горелки диаметром 20 мм, двигающуюся со скоростью 10 мм/с.
После установки листовых заготовок в исходное положение, согласно программе была задана скорость и координаты перемещения горелки по осям X, Y, Z. Образец композиции толщиной 12 мм обрабатывали для получения монолитного лицевого слоя.
В качестве теплоотводящей подложки использовали поверхность водоохлаждаемого стола размером 1500 мм и длиной 2000 мм, на котором была размещена листовая заготовка тыльной поверхностью во время электродуговой обработки.
В результате обработки были получены образцы многослойного металлокерамического листового материала толщиной 12 мм, который были исследованы и испытаны. Механические свойства исходных заготовок приведены в таблице 7, результаты баллистических испытаний представлены в таблице 8. Фотографии материала толщиной 14 мм после баллистических испытаний представлены на рисунке 1 (лицевая поверхность) и рисунке 2 (тыльная поверхность).
Таблица №8 Результаты испытаний образца №2
№ Образца, размеры, наличие подложки,  вес
Скорость, масса, твёрдость ударника.
Результат испытания
№212х250×300 ммбез подложкиИтого: 540 г/дм<sup>2</sup>,
818м/с, 10,4г., 66HRC
Не пробитие образца
821м/с, 10,4г., 66HRC
Не пробитие образца
820м/с, 10,4г., 66HRC
Не пробитие образца
822м/с, 10,4г., 66HRC
Не пробитие образца
826м/с, 10,4г., 66HRC
Не пробитие образца
Таким образом, заявленное изобретение, по сравнению с прототипом, позволяет с минимальными затратами получить более лёгкий многослойный металлокерамический материал (рис.1), обеспечивающий повышение эксплуатационных свойств изделий для защиты от высокоскоростных ударников. Материал позволяет снизить массу изделий для защиты в 2,0-2,5 раза по сравнению с гомогенными аналогами из стали, алюминиевых и титановых сплавов.