阅读说明：本技术 一种钛合金复合装甲 (Titanium alloy composite armor ) 是由 李静 祝力伟 王新南 朱知寿 商国强 李明兵 刘格辰 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明一种钛合金复合装甲属于工程应用技术领域。本发明组成依次为钛合金层、碳化硼陶瓷层、石墨烯膜层、高强钛合金层,在碳化硼陶瓷层、石墨烯膜层的侧面采用钛合金进行包裹,将钛合金与钛合金层、高强钛合金层之间进行固定连接,对碳化硼陶瓷层、石墨烯膜层进行整体封装。与均质装甲钢相比,本发明提供的复合装甲减重效果高达48％～61％,全钛合金封装结构可应用于与湿热、淋雨、盐雾等各种复杂环境；与同等结构未含石墨烯膜的钛合金复合装甲相比,复合装甲背面变形量较小,防护性能更优。(The invention discloses a titanium alloy composite armor, and belongs to the technical field of engineering application. The high-strength titanium-based composite material sequentially comprises a titanium alloy layer, a boron carbide ceramic layer, a graphene film layer and a high-strength titanium alloy layer, wherein the side surfaces of the boron carbide ceramic layer and the graphene film layer are wrapped by the titanium alloy, the titanium alloy layer and the high-strength titanium alloy layer are fixedly connected, and the boron carbide ceramic layer and the graphene film layer are integrally packaged. Compared with homogeneous armor steel, the composite armor provided by the invention has the weight reduction effect as high as 48-61%, and the all-titanium alloy packaging structure can be applied to various complex environments such as damp and hot environment, rain environment, salt fog environment and the like; compared with the titanium alloy composite armor with the same structure and without the graphene film, the composite armor has the advantages of smaller back deformation and better protective performance.)

一种钛合金复合装甲

技术领域

本发明一种钛合金复合装甲属于工程应用技术领域。

背景技术

随着高效毁伤技术及空地一体化、远程打击、非接触作战模式等不断发展，坦克装甲车辆中弹概率越来越高，为避免或有效抵御新型武器弹药的攻击，坦克装甲车辆的装甲厚度愈来愈大，严重影响了作战车辆的机动性。因此，轻量化、高抗弹、高环境适应性已成为新一代坦克车辆等装备的设计及应用目标。国外主战坦克的装甲多采用复合装甲结构，材料多采用轻质的复合材料及陶瓷，例如美国的M1(薄钢板+Kevlar增强尼龙+陶瓷+铝合金+钢板)、俄罗斯的T80(均质钢+抗弹陶瓷+玻璃纤维增强酚醛+均质钢)和德国的豹II(薄钢板+陶瓷+复合材料+厚钢板)等。目前，我国坦克车辆一般采用钢制防弹装甲，然而，新型坦克的重量设计要求已趋于极限，装甲钢已无法满足轻量化设计要求，需采用新型高性能轻量化材料(钛合金、复合材料等)代替传统材料(钢)作为复合装甲的主干材料。

钛合金具有高的强韧性及良好的动态塑性，抗弹性能和减重效果均优于装甲铝合金，已成功用于坦克装甲车辆的炮塔、指挥舱盖、平衡肘及披挂装甲等用于减轻装甲重量。其中，美国陆军以钛合金代替装甲钢生产并鉴定了钛合金回转炮塔板、炮手主瞄准具罩、发动机顶盖、炮塔枢轴架和指挥舱盖等部件，主要用于操控人员和重要设备的防护，达到了良好的减重效果。石墨烯是比强度最高、最坚硬的纳米材料，断裂强度高达130GPa，研究表明，石墨烯可用于防弹玻璃、防弹衣和轻型装甲车等以抵御威力较小的中小口径枪弹。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术复合装甲重量大、防护单一化、难以在恶劣作战环境(湿热、淋雨、盐雾等)长期使用的缺陷，提出了一种可防御穿甲弹、破甲弹且环境适应性强的轻型复合装甲。

本发明的技术方案是：一种钛合金复合装甲，其组成依次为钛合金层、碳化硼陶瓷层、石墨烯膜层、高强钛合金层，在碳化硼陶瓷层、石墨烯膜层的侧面采用钛合金进行包裹，将钛合金与钛合金层、高强钛合金层之间进行固定连接，对碳化硼陶瓷层、石墨烯膜层进行整体封装。

所述钛合金层厚度为2mm～3mm。

所述碳化硼陶瓷厚度为20mm～50mm。

所述石墨烯膜为铜箔为基体，采用化学气相沉积自生成的薄膜结构，还包括与石墨烯膜相结合的铜箔，石墨烯膜和铜箔的总厚度为1mm～2mm。

所述高强钛合金层的室温抗拉强度为1350MPa以上，厚度为15mm～55mm。

在碳化硼陶瓷层、石墨烯膜层的侧面采用厚度为3mm～5mm的钛合金。

将钛合金与钛合金层、高强钛合金层之间进行焊接。

将钛合金与钛合金层、高强钛合金层之间进行真空等离子焊接或氩弧焊接。

本发明的有益效果是：

1.与装甲钢相比，本发明提供的一种钛合金复合装甲可实现减重效果48％～61％，满足新一代坦克装甲轻量化、高机动性的设计要求。

2.本发明提供的一种钛合金复合装甲，可有效防御穿甲弹、破甲弹等，满足防护多样化的要求。

3.本发明提供的一种钛合金复合装甲，石墨烯膜可发挥抗弹和能量吸收的双重作用，提高防护效果。

4.本发明提供的一种钛合金复合装甲，采用全钛合金整体封装，钛合金高耐蚀性能使得其可应用于湿热、淋雨、盐雾等恶劣作战环境下，满足环境适应性的要求。

5.本发明提供的一种钛合金复合装甲，制备工艺简单易行，批次稳定性可控。

具体实施方式

下面对本发明进行进一步详细的说明。

一种钛合金复合装甲，其组成依次为钛合金层、碳化硼陶瓷层、石墨烯膜层、高强钛合金层，在碳化硼陶瓷层、石墨烯膜层的侧面采用钛合金进行包裹，将钛合金与钛合金层、高强钛合金层之间进行固定连接，对碳化硼陶瓷层、石墨烯膜层进行整体封装。

优选的，所述钛合金层厚度为2mm～3mm，该钛合金层经自动混料、真空自耗熔炼、锻造、轧制、热处理和机械加工制备；

优选的，所述碳化硼陶瓷厚度为20mm～50mm，该碳化硼陶瓷采用热压烧结法制备，密度不低于2.7g/cm³。

优选的，所述石墨烯膜为铜箔为基体，采用化学气相沉积自生成的薄膜结构，还包括与石墨烯膜相结合的铜箔，为保持石墨烯膜结构完整，避免从铜箔基体上剥离过程中引起的结构损坏，同时铜箔亦可发挥吸收弹丸能量的作用，石墨烯膜和铜箔的总厚度为1mm～2mm。

优选的，所述高强钛合金层因添加的合金元素较多，为保证各元素在合金中的均匀分布，采用合金包方式进行布料、800kg以下的小锭型进行真空自耗熔炼，经锻造、热处理、机加工制备，厚度为15mm～55mm，室温抗拉强度为1350MPa以上。

优选的，在碳化硼陶瓷层、石墨烯膜层的侧面采用厚度为3mm～5mm的钛合金，以保证该复合装甲碳化硼陶瓷层获得较强的约束，且全钛合金封装结构耐蚀性优异，提高该复合装甲的环境适应性。

优选的，将钛合金与钛合金层、高强钛合金层之间进行焊接，为保证弹丸冲击对侧面钛合金作用力而引起的约束失效，钛合金的焊接强度系数不低于0.9。

优选的，采用机械加工的方式对钛合金进行坡口加工并用丙酮清洗油污，将钛合金与钛合金层、高强钛合金层之间进行真空等离子焊接或氩弧焊接，并对钛合金复合装甲进行去应力退火，且复合装甲的平面度不得高于5mm。

实施例1

复合装甲的组成：该复合装甲结构的组成为：TC4钛合金2mm、碳化硼陶瓷20mm、石墨烯膜与铜箔结构1mm、高强钛合金15mm，其中碳化硼陶瓷侧面采用高强钛合金3mm进行氩弧焊整体封装。

制备的步骤如下：

①TC4钛合金板材制备：经自动混料、真空自耗熔炼、锻造、轧制、热处理和机加工后获得厚度为2mm、3mm、20mm的1350MPa级超高强韧钛合金板材；

②高强钛合金板材制备：经合金包布料、真空自耗熔炼、锻造、热处理和机加工后获得厚度为15mm的1350MPa级超高强韧钛合金板材；

③陶瓷制备：采用热压烧结法制备20mm的碳化硼陶瓷；

④石墨烯膜层制备：采用化学气相沉积的方法制备石墨烯膜层，石墨烯膜和铜箔的总厚度为1mm；

⑤整体封装：采用机械加工的方式对钛合金进行坡口加工并用丙酮清洗油污，按照权利要求1组合后采用氩弧焊完成整体封装，并进行去应力退火，获得含石墨烯膜的钛合金复合装甲。

该复合装甲面密度为142kg/m²，与装甲钢相比，减重56％。对其进行56式14.5mm穿甲***试验，背面无裂纹，凸起5mm。

实施例2：

复合装甲的组成：该复合装甲结构的组成为：高强钛合金3mm、碳化硼陶瓷45mm、石墨烯膜与铜箔结构2mm、高强钛合金55mm，其中碳化硼陶瓷侧面采用高强钛合金5mm进行真空等离子焊接整体封装。

制备的步骤如下：

①钛合金板材制备：经自动混料、真空自耗熔炼、锻造、轧制、热处理和机加工后获得厚度为3mm、5mm、55mm的高强韧钛合金板材；

②陶瓷制备：采用热压烧结法制备45mm的碳化硼陶瓷；

③石墨烯膜层制备：采用化学气相沉积的方法制备石墨烯膜层，石墨烯膜和铜箔的总厚度为2mm；

④整体封装：采用机械加工的方式对钛合金进行坡口加工并用丙酮清洗油污，按照权利要求1组合后采用真空等离子焊接完成整体封装，并进行去应力退火，获得含石墨烯膜的钛合金复合装甲。

该复合装甲面密度为398kg/m²，与装甲钢相比，减重48％。对其进行100mmRHA穿甲弹试验，背面无裂纹无凸起。

实施例3：

复合装甲的组成：该复合装甲结构的组成为：高强钛合金3mm、碳化硼陶瓷45mm、石墨烯膜与铜箔结构2mm、高强钛合金50mm，其中碳化硼陶瓷侧面采用高强钛合金5mm进行氩弧焊整体封装。

制备的步骤如下：

①钛合金板材制备：经自动混料、真空自耗熔炼、锻造、轧制、热处理和机加工后获得厚度为3mm、5mm、50mm的高强韧钛合金板材；

②陶瓷制备：采用热压烧结法制备45mm的碳化硼陶瓷；

③石墨烯膜层制备：采用化学气相沉积的方法制备石墨烯膜层，石墨烯膜和铜箔的总厚度为2mm；

④整体封装：采用机械加工的方式对钛合金进行坡口加工并用丙酮清洗油污，按照权利要求1组合后采用氩弧焊完成整体封装，并进行去应力退火，获得含石墨烯膜的钛合金复合装甲。

该复合装甲面密度为376kg/m²，与装甲钢相比，减重48％。对其进行100mmRHA破甲弹试验，背面无裂纹无凸起。

对比实施例1

复合装甲的组成：该复合装甲结构的组成为：TC4钛合金2mm、碳化硼陶瓷20mm、铜箔1mm、高强钛合金15mm，其中碳化硼陶瓷侧面采用高强钛合金3mm进行氩弧焊整体封装。

制备的步骤如下：

①TC4钛合金板材制备：经自动混料、真空自耗熔炼、锻造、轧制、热处理和机加工后获得厚度为2mm、3mm、20mm的高强韧钛合金板材；

②高强钛合金板材制备：经合金包布料、真空自耗熔炼、锻造、热处理和机加工后获得厚度为15mm的1350MPa级超高强韧钛合金板材；

③陶瓷制备：采用热压烧结法制备20mm的碳化硼陶瓷；

④铜箔复合层制备：采用多层叠加的方式组合成1mm厚的复合层；

⑤整体封装：采用机械加工的方式对钛合金进行坡口加工并用丙酮清洗油污，按照权利要求1组合后采用氩弧焊完成整体封装，并进行去应力退火，获得含石墨烯膜的钛合金复合装甲。

该复合装甲面密度为142kg/m²，与装甲钢相比，减重56％。对其进行56式14.5mm穿甲***试验，背面无裂纹，凸起10mm。

对比实施例2：

复合装甲的组成：该复合装甲结构的组成为：高强钛合金3mm、碳化硼陶瓷45mm、石墨烯膜与铜箔结构2mm、高强钛合金55mm，其中碳化硼陶瓷侧面采用高强钛合金5mm进行真空等离子焊接完成整体封装。

制备的步骤如下：

①钛合金板材制备：经自动混料、真空自耗熔炼、锻造、轧制、热处理和机加工后获得厚度为3mm、5mm、55mm的高强韧钛合金板材；

②陶瓷制备：采用热压烧结法制备45mm的碳化硼陶瓷；

③铜箔复合层制备：采用多层叠加的方式组合成2mm厚的复合层；

④整体封装：采用机械加工的方式对钛合金进行坡口加工并用丙酮清洗油污，按照权利要求1组合后采用真空等离子焊接完成整体封装，并进行去应力退火，获得含石墨烯膜的钛合金复合装甲。

该复合装甲面密度为398kg/m²，与装甲钢相比，减重48％。对其进行100mmRHA穿甲弹试验，背面无裂纹，凸起6mm。

对比实施例3：

复合装甲的组成：该复合装甲结构的组成为：高强钛合金3mm、碳化硼陶瓷45mm、石墨烯膜与铜箔结构2mm、高强钛合金50mm，其中碳化硼陶瓷侧面采用高强钛合金5mm进行氩弧焊整体封装。

制备的步骤如下：

①钛合金板材制备：经自动混料、真空自耗熔炼、锻造、轧制、热处理和机加工后获得厚度为3mm、5mm、50mm的高强韧钛合金板材；

②陶瓷制备：采用热压烧结法制备45mm的碳化硼陶瓷；

③铜箔复合层制备：采用多层叠加的方式组合成2mm厚的复合层；

④整体封装：采用机械加工的方式对钛合金进行坡口加工并用丙酮清洗油污，按照权利要求1组合后采用氩弧焊完成整体封装，并进行去应力退火，获得未含石墨烯膜的钛合金复合装甲。

该复合装甲面密度为376kg/m²，与装甲钢相比，减重48％。对其进行100mmRHA破甲弹试验，背面无裂纹，凸起5mm。