一種鈦基復合材料裝甲及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鈦基復合材料裝甲及其制造方法，屬于復合材料構件技術領域。
【背景技術】
[0002]目前，鈦基復合材料的制備方法主要有鑄造、鍛造以及粉末冶金法等。在鈦合金熔煉階段通過將陶瓷粉末加入熔液，或將陶瓷粉末與鈦合金粉末混合后進行粉末冶金成型，從而調節鈦基復合材料的強度與韌性等指標，用于裝甲防護。
[0003]然而，采用鑄造、鍛造以及粉末冶金法僅能實現層狀鈦基復合材料裝甲的制造，無法制備層間具有復雜結構的裝甲層。鈦基復合材料較鈦合金來說強度高，但韌性不足，受單發子彈打擊后產生的壓縮應力波迅速向四周傳播，周圍材料產生粉末化破壞，裂紋擴展面積大，造成裝甲材料抗多發子彈打擊能力大幅下降。提高裝甲材料抗多發打擊能力要求將單發破壞限制在小范圍內，需將材料模塊化以限制裂紋擴展范圍。
【發明內容】
[0004]為解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種鈦基復合材料裝甲及其制造方法。該鈦基復合材料裝甲具有多層結構，中間層具有鈦合金空間點陣結構，進而將鈦基復合材料模塊化，能夠限制單發子彈打擊時的破壞范圍，提高裝甲材料的抗多發打擊能力。
[0005]為達到上述目的，本發明提供了一種鈦基復合材料裝甲，其包括上層、中間層和下層，其中，上層和下層均為鈦合金層，中間層為鈦合金與陶瓷復合材料層，并且中間層具有鈦合金空間點陣結構，該鈦合金空間點陣結構將該鈦合金與陶瓷復合材料層劃分為多個單元模塊。
[0006]在上述鈦基復合材料裝甲中，優選地，上層的厚度為I?10mm，中間層的厚度為5?50mm，下層的厚度為I?10mm。
[0007]在上述鈦基復合材料裝甲中，優選地，所述空間點陣結構包括金字塔型空間點陣結構、四面體型空間點陣結構、直線型空間點陣結構、X型空間點陣結構、V型空間點陣結構或十六面體型空間點陣結構等。
[0008]在上述鈦基復合材料裝甲中，優選地，所述鈦合金與陶瓷復合材料中的陶瓷材料的質量含量為5%?45% (以復合材料的總質量為基準)。
[0009]在上述鈦基復合材料裝甲中，優選地，所述鈦合金與陶瓷復合材料中的陶瓷材料包括TiB2、Al203、B4C、SiC等中的一種或幾種的組合。當采用這些材料中的兩種以上時，它們可以任意比例混合。
[0010]在上述鈦基復合材料裝甲中，形成上層、下層和空間點陣結構的鈦合金以及鈦合金與陶瓷復合材料中的鈦合金均可以為本領域常用的鈦合金材料。優選地，該鈦合金材料可以為T 1-6A1-4V合金材料。
[0011]本發明還提供了上述鈦基復合材料裝甲的制造方法，其包括以下步驟:
[0012]通過CAD軟件設計具有上層、下層以及在上、下層中間具有空間點陣結構的夾層結構，然后采用電子束選區恪化技術(Electron Beam Selective Melting，EBSM)實現該夾層結構的成型，得到鈦合金夾層結構；
[0013]在成型后的鈦合金夾層結構中填充鈦合金粉末與陶瓷粉末的混合物，得到鈦基復合材料裝甲坯；
[0014]對該鈦基復合材料裝甲坯進行熱等靜壓后，得到所述的鈦基復合材料裝甲。
[0015]在上述方法中，電子束選區恪化技術(Electron Beam Selective Melting,EBSM)是本領域一種常規的增材制造技術。優選地，本發明采用的電子束選區熔化設備為ArcamA2X，具體方法為:將數學模型(即通過CAD軟件設計的夾層結構)分層處理后設定工藝參數進行逐層熔化堆積。更優選地，在該電子束選區熔化技術的具體方法中，本發明采用的真空度為I X 10—3Pa?3 X 10—3Pa、電子束電流為10?15mA、加速電壓為50?65kV、掃描速率為800?1200mm/s、聚焦電流為700?850mA、填充線間距為0.1?0.3mm、層厚為0.03?0.10mm。
[0016]在上述方法中，優選地，所述鈦合金粉末與陶瓷粉末的混合物中的陶瓷粉末的質量含量為5%?45% (以混合物的總質量為基準)。
[0017]在上述方法中，優選地，所述鈦合金粉末與陶瓷粉末的混合物中的陶瓷粉末包括TiB2粉末、Al2O3粉末、B4C粉末、SiC粉末等中的一種或幾種的組合。當采用這些材料中的兩種以上時，它們可以任意比例混合。
[0018]在上述方法中，鈦合金夾層結構的鈦合金材料以及鈦合金粉末與陶瓷粉末的混合物中的鈦合金材料均可以為本領域常用的鈦合金材料。優選地，該鈦合金材料可以為T1-6A1-4V合金材料。
[0019]在上述方法中，優選地，所述熱等靜壓采用的壓力為50?150MPa(更優選為80?150MPa)，升溫速率為5-30°C/分鐘，升溫至850?1100°C，保溫60?300分鐘。
[0020]本發明提供的鈦基復合材料裝甲的制造方法，能夠得到致密的多層鈦基復合材料裝甲，層間的鈦合金空間點陣結構將鈦基復合材料分隔為小型結構單元，實現模塊化。
[0021]本發明提供的鈦基復合材料裝甲具有多層結構，中間層具有鈦合金空間點陣結構，進而將鈦基復合材料模塊化;具有此空間點陣結構單元的鈦基復合材料裝甲可限制單發子彈打擊時的破壞范圍，提高裝甲的抗多發打擊能力;而且，復合材料的成分可通過調整鈦合金粉末與陶瓷粉末的混合比例來自由設計，與鈦合金空間點陣結構進行協同設計可進一步提尚抗彈效果。
【附圖說明】
[0022]圖1a為金字塔型空間點陣結構的示意圖；
[0023]圖1b為四面體型空間點陣結構的示意圖；
[0024]圖1c為直線型空間點陣結構的示意圖；
[0025]圖1d和圖1e為X型空間點陣結構的示意圖；
[0026]圖1f為V型空間點陣結構的示意圖；
[0027 ]圖1 g和圖1 h為十六面體型空間點陣結構的示意圖；
[0028]圖2為實施例1提供的鈦基復合材料裝甲結構示意圖；
[0029]圖3為實施例1提供的鈦基復合材料裝甲的彈道測試圖。
【具體實施方式】
[0030]為了對本發明的技術特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現對本發明的技術方案進行以下詳細說明，但不能理解為對本發明的可實施范圍的限定。
[0031]本發明提供的鈦基復合材料裝甲的制造方法可以具體包括以下步驟:
[0032]通過CAD軟件設計具有上層、下層以及在上、下層中間具有空間點陣結構的夾層結構，所述空間點陣結構包括金字塔型空間點陣結構(如圖1a所示)、四面體型空間點陣結構(如圖1b所示)、直線型空間點陣結構(如圖1c所示)、X型空間點陣結構(如圖1d和圖1e所示，其中圖1e為局部放大圖)、V型空間點陣結構(如圖1f所示)、或十六面體型空間點陣結構(如圖1g和圖1h所不，其中圖1h為局部放大圖)等；
[0033]然后采用電子束選區熔化技術實現該夾層結構的成型，得到鈦合金夾層結構；其中，電子束選區熔化設備為Arcam A2X，具體方法為:將數學模型(即通過CAD軟件設計的夾層結構)分層處理后設定工藝參數進行逐層熔化堆積，在該方法中，采用的真空度為I X 10—3Pa?3 X 10—3Pa、電子束電流為10?15mA、加速電壓為50?65kV、掃描速率為800?1200mm/S、聚焦電流為700?850mA、填充線間距為0.1?0.3mm、層厚為0.03?0.10mm;鈦合金材料可以為T1-6A1-4V合金材料；
[0034]將鈦合金粉末與陶瓷