1、鈦合金的發(fā)展

隨著當(dāng)前武器裝備快速全域機(jī)動(dòng)部署作戰(zhàn)要求，對(duì)兵器材料輕量化提出了很高要求。主戰(zhàn)坦克重量已經(jīng)達(dá)到70噸之多，步兵戰(zhàn)車(chē)、火炮的重量也不能適應(yīng)新形勢(shì)下的要求。

因此輕質(zhì)合金如鈦合金、鋁合金和鎂合金及其復(fù)合材料等受到世界各國(guó)材料界和軍方的關(guān)注，先后制定了用于武器裝備輕質(zhì)材料的發(fā)展規(guī)劃和計(jì)劃。美國(guó)國(guó)防部2004年制定了低 成本鈦材料及其相關(guān)制造工藝的集成計(jì)劃。

鈦合金由于其高比強(qiáng)、高比模、耐腐蝕、無(wú)磁等優(yōu)異性能，特別適合武器裝備輕量化和提升性能作為首選的材料。

經(jīng)過(guò)低成本鈦合金及其先進(jìn)低成本制造技術(shù)的發(fā)展，鈦合金材料、零部件、分系統(tǒng)及其整個(gè)武器裝備系統(tǒng)成本大大降低，武器裝備全壽期效能較過(guò)去大幅提高。在兵器裝備如坦克、火炮等方面獲得應(yīng)用。世界部分國(guó)家制定了鈦合金標(biāo)準(zhǔn)和軍用標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了低成本鈦合金的制備、零部件生產(chǎn)和在地面武器裝備上的應(yīng)用。

軍用陸基武器裝備的快速部署和快速反應(yīng)以及特殊區(qū)域的快速運(yùn)輸，對(duì)裝備的輕量化提出了更高的要求，武器裝備必須減重，同時(shí)保持和提高生存力。因此鈦合金將成為滿足這些要求的首選材料，并將在陸基武器裝備上的應(yīng)用越來(lái)越廣。最成功的應(yīng)用包括M1A2主戰(zhàn)坦克、M2布雷德利戰(zhàn)車(chē)和輕型155mm火炮M777。

ATI公司是鈦合金研發(fā)和制造的領(lǐng)先單位。生產(chǎn)的鈦合金包括：ATI425P-MILArmor-gradeTitanium、ATI6-4-MILTMArmor-gradeTitanium、ATIGrade7、ATI3-2.5TM(Grade9)、ATIGrade11、ATIGrade12、ATIGrade16、ATIGrade17、ATIGrade18、ATI6-4ELI(Grade23)。這些鈦合金廣泛用 于包括陸海空天國(guó)防武器裝備。

ATI６４MIL鈦合金是兩相α＋β鈦合金，鋁（Ａｌ）作為α穩(wěn)定劑，釩（Ｖ）作為β穩(wěn)定劑。這種高強(qiáng)度合金可用于深低 溫至800°F（427℃）的環(huán)境。ATI６４MIL合金供貨狀態(tài)包括退火、固溶處理和時(shí)效態(tài)。可用于：裝甲、壓縮機(jī)葉片、圓盤(pán)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)；機(jī)身和太空艙部件；壓力容器；火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼；直升機(jī)旋翼轂、緊固件；要求高強(qiáng)度重量比的關(guān)鍵鍛件；醫(yī)療和外科設(shè)備等。

ATI425合金是一種高強(qiáng)度、高延性鈦合金，有多種產(chǎn)品形式，包括冷軋卷材或板材。最初由ATI公司開(kāi)發(fā)用于抗彈裝甲，最近已被用于航空航天和工業(yè)應(yīng)用。ATI425合金是一種αβ鈦合金，使用鋁作為α穩(wěn)定劑，鐵和釩作為β穩(wěn)定劑。較低的鋁和釩含量以及放寬的氧含量和鐵含量使ATI425合金具有延展性和抗拉強(qiáng)度的獨(dú)特組合。ATI425與ATI６４MIL相比，降低了鋁和釩含量以及氧含量，從而在提高材料性能的同時(shí)降低了材料成本。ATI425板材具有良好的抗彈性能，詳見(jiàn)表１。

２、鈦合金在坦克裝甲車(chē)輛和火炮上的應(yīng)用

２.１　坦克裝甲車(chē)輛

１）鈦合金材料技術(shù)研究

坦克裝甲車(chē)輛由于近年來(lái)的作戰(zhàn)模式改變，要求其高機(jī)動(dòng)性、特殊環(huán)境下的快速部署以及高生存力。因此必須研發(fā)新型高比強(qiáng)鈦合金以及低成本制造技術(shù)，從而使高性能鈦合金在坦克裝甲車(chē)輛上獲得應(yīng)用。

ＷｉｌｌｉａｍＡ．Ｇｏｏｃｈ等在綜述中給出M2Ａ２布雷拉德利形狀非常復(fù)雜的車(chē)長(zhǎng)艙蓋，通過(guò)使用鈦鍛件艙蓋比鋼艙蓋重量更輕，抗彈性能與以ARL還研究了Ｍ１１３Ａ３裝甲人員輸送車(chē)用鈦披掛裝甲，其防彈性能優(yōu)于較重的鋼披掛裝甲。

一種類(lèi)似于雙硬度鋼的雙硬度鈦冶金結(jié)合層壓板利用軟硬鈦板的力學(xué)性能和彈道響應(yīng)機(jī)制來(lái)抵御彈丸沖擊。較硬的面板用來(lái)抗彈，較軟的背板用于減少后表面的剝落。將Ｔｉ３ＳｉＦｅ０．５Ｎ面板合金滾焊到Ｔｉ７Ａｌ２．５Ｍｏ背板上形成復(fù)合板，然后進(jìn)行熱處理。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)厚度比為70/30時(shí)，硬度為RC60或更大的面板對(duì)于防彈和最大抗剝落性是最佳的。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）研究了四種結(jié)合工藝如軋制、擴(kuò)散連接、熱等靜壓或爆炸焊接等，發(fā)現(xiàn)抗彈性能可以提高１０２５％。熱等靜壓Ti-6Al-4V／ＣＰＴｉ層壓板的抗彈性能比單一的Ti-6Al-4V等重板的抗彈性能提高約10％。

英國(guó)宇航先進(jìn)材料公司根據(jù)與ＡＲＬ的合同，開(kāi)發(fā)了一種利用鈦和鈦／二硼化鈦（TiB２）粉末混合物在熱壓大型近凈形制備FGM塊的工藝，形成二硼化鈦（TiB２）硬質(zhì)表面／ARL資助開(kāi)發(fā)了P900鈦，使用兩種不同的鑄造技術(shù)來(lái)證明生產(chǎn)輕型純鈦鑄件的可行性，以及這種鑄件對(duì)動(dòng)能穿甲彈的抗彈性能。其目的是研制一種P900鈦板，滿足鋼軍用規(guī)范一般性能要求，但可大大減輕軍用平臺(tái)的重量。這種鑄造鈦板被鑿了一定間距和一定形狀的孔。

非Ti-6Al-4V合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用也提供了很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)闇p少了使用較高成本的合金元素和較低成本的電子束或等離子體束處理。ＡＲＬ認(rèn)為這一技術(shù)方向未來(lái)會(huì)增加鈦在地面裝備應(yīng)用，無(wú)論是作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)材料還是與其他材料結(jié)合使用。ＡＲＬ已經(jīng)研究了許多４級(jí)鈦合金的潛在應(yīng)用；包括ＴＩＭＥＴ６２Ｓ和ATI425MIL。后一種合金顯示出與標(biāo)準(zhǔn)２級(jí)Ti-6Al-4V合金相似的彈道性能，但使用鐵（Ｆｅ）代替一些釩（Ｖ）作為β穩(wěn)定劑。該合金還可以冷加工和熱加工，這種能力在各種開(kāi)發(fā)應(yīng)用中顯示出較大優(yōu)勢(shì)。研究表明，MILDTL４６０７７Ｇ４級(jí)ATI425MIL鈦合金具有大的彎曲能力。M1A2艾布拉姆斯坦克通過(guò)協(xié)同努力減輕了底盤(pán)組件的重量，超過(guò)１５００磅。M2Ａ２布雷德利戰(zhàn)車(chē)車(chē)長(zhǎng)艙蓋采用鈦合金鍛造，頂部防護(hù)采用了鈦合金。側(cè)面的反應(yīng)裝甲盒使用鈦板替代鋼板，從而減輕了反應(yīng)裝甲的重量。

目前鈦的應(yīng)用還包括在Ｓｔｒｙｋｅｒ系列車(chē)輛的兩個(gè)版本。

Ｓｔｒｙｋｅｒ移動(dòng)防護(hù)炮系統(tǒng)炮艙由鈦制成，斯特賴克ＲＶ和ＦＳＶ型車(chē)上的鈦炮手保護(hù)套件。ＢＡＥＰｅｇａｓｕｓ鈦輪式原型車(chē)輛結(jié)構(gòu)是早期的未來(lái)戰(zhàn)斗車(chē)輛車(chē)體部分，用于測(cè)試復(fù)合裝甲。下車(chē)體和前部部分由軍用規(guī)范MILDTL４６０７７Ｇ３級(jí)低成本鈦制成，并與復(fù)合材料和空間框架復(fù)合材料上車(chē)體制成整個(gè)車(chē)體。該車(chē)輛經(jīng)過(guò)了廣泛的彈道測(cè)試和沖擊載荷。

美國(guó)陸軍研究評(píng)估了用于陸軍地面戰(zhàn)車(chē)的單級(jí)熔煉鈦。拉伸力學(xué)性能和斷裂韌性類(lèi)似于傳統(tǒng)的Ｔ６Ａｌ４Ｖ航空質(zhì)量板材。電子束冷床爐熔煉（ＥＢＣＨＭ）鈦的抗彈性能類(lèi)似于MILＴ９０４６。還有大量陸軍項(xiàng)目受益于使用一次熔煉低成本鈦。美國(guó)陸軍已成功驗(yàn)證了低成本鈦合金在仿型車(chē)Ｐｅｇａｓｕｓ上的應(yīng)用。ＥＢＣＨＭTi-6Al-4V板的抗彈性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表２。從表中可以看出，Ｖ５０值均高于標(biāo)準(zhǔn)MILDTL46077Ｆ。

減重是選擇裝甲材料的重要標(biāo)準(zhǔn)。各種新型材料正被研究用于輕型裝甲，鈦合金因其高比強(qiáng)、耐腐蝕性和良好的彈道性能而成為潛在的候選材料。Ｇ．Ｓｕｋｕｍａｒ等［８］研究了熱處理對(duì)Ｔｉ４Ａｌ２．３Ｖ１．９Ｆｅ鈦合金力學(xué)性能和抗彈性能的影響。研究表明，在α＋β區(qū)固溶處理并時(shí)效（９３０℃和９００℃）的鈦板顯示出良好的強(qiáng)度和延性。Ｔｉ４Ａｌ２．３Ｖ１．９Ｆｅ板在α＋β固溶處理和時(shí)效（９００℃ＳＴＡ）條件下的沖擊性能優(yōu)于軋制退火的Ｔｉ４Ａｌ２．３Ｖ１．９Ｆｅ板。與軋制退火和α＋β固溶處理以及時(shí)效處理的Ti-6Al-4V板相比，９００℃ＳＴＡ鈦４Ａｌ２．３Ｖ１．９Ｆｅ板對(duì)７．６２ｍｍ球形彈丸具有更好的彈道性能。

ＰｉｎｇＳｏｎｇ等［９］通過(guò)實(shí)驗(yàn)、模型和驗(yàn)證研究了高速?zèng)_擊下Ｔｉ５Ａｌ３Ｖ２Ｃｒ２Ｆｅ的本構(gòu)行為。利用彈道沖擊試驗(yàn)研究了７ｍｍ厚Ｔｉ５３２２靶的彈道性能，并通過(guò)彈道試驗(yàn)驗(yàn)證了本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ＪＣ本構(gòu)模型可以很好地預(yù)測(cè)Ｔｉ５３２２靶的極限侵徹速度和破片在侵徹過(guò)程中的速度衰減。直徑為１０ｍｍ的鎢合金球在０°和３０°時(shí)對(duì)7mm厚的Ti5322靶的彈道極限速度分別為４１６．０ｍ／ｓ和４８４．８ｍ／ｓ。

在相同變形條件下，新型低成本Ｔｉ５３２２鈦合金的屈服強(qiáng)度明顯高于鈦Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金。在準(zhǔn)靜態(tài)條件下（０．０１ｓ－１），Ｔｉ５３２２鈦合金的壓縮屈服強(qiáng)度為1255ＭＰａ，比Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ的屈服強(qiáng)度高２０％。在動(dòng)態(tài)條件下（６００～２０００ｓ１），Ｔｉ５３２２鈦合金的屈服強(qiáng)度為１４３０～１４７０ＭＰａ，比Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ的屈服強(qiáng)度高２８％。

ＡｈｓａｎＵｌＨａｑ等綜述了不同高吸能材料。蜂窩夾芯板由于其較低的密度和較高的能量吸收能力而被廣泛開(kāi)發(fā)。

在所有輕合金中，鈦裝甲抗彈性能突出，但由于其成本高仍然難以實(shí)現(xiàn)在地面武器裝備的應(yīng)用。然而，鈦＋鋁合金層壓板已成為層壓裝甲的一大成果。Ｃ．Ｂｒｏｅｃｋｈｏｖｅｎ和Ａ．ｄｕＰｌｅｓｓｉｓ建立了Ti-6Al-4V人體裝甲模型，以評(píng)估其防護(hù)應(yīng)用的潛力。特別是，他們傳達(dá)了仿生沖擊防護(hù)樣品可以通過(guò)增材制造技術(shù)來(lái)制造，并且揭示了點(diǎn)陣殼可在屈服過(guò)程中表現(xiàn)出高能量吸收能力。

粉末冶金工藝可用來(lái)制造結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的部件以及制造梯度功能裝甲材料。針對(duì)不同的威脅對(duì)象以及侵徹階段，設(shè)計(jì)出不同性能梯度的結(jié)構(gòu)裝甲，完成對(duì)穿甲彈藥的防護(hù)。

美國(guó)ＡＤＡＭＰｒｏｄｕｃｔｓＩｎｃ公司研究了通過(guò)低成本固態(tài)粉末冶金工藝制備了軍用鈦合金。采用低成本創(chuàng)新性鈦粉生產(chǎn)技術(shù)、降低成本的混粉冶金方法、冷等靜壓、燒結(jié)、軋制、擠壓和熱處理（退火１３５０!，４ｈ）等工藝制備的Ｐ／ＭＴ６Ａｌ４Ｖ裝甲板。該裝甲板的室溫拉伸性能參數(shù)見(jiàn)表３。氮、氧、氫含量分別為0.008、0.158和0.0054。

該公司還用這種技術(shù)研制了Ｐ／ＭTi-6Al-4V車(chē)長(zhǎng)艙蓋，只是其中的軋制換成了鍛造，熱處理退火１３００!，２ｈ。氮、氧、氫含量分別為0.021、0.179和0.0018。艙蓋材料的室溫拉伸性能（厚度1.375″）的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和面縮率分別為143.8～149.3ｋｓｉ、132.1～136.3ｋｓｉ、14.0％～15.5％和34.1％37.7％。

ＰａｖｌｏＥ．Ｍａｒｋｏｖｓｋｙ等研究了混合元素粉末冶金制備的鈦基層狀結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。鈦基層狀結(jié)構(gòu)由Ti-6Al-4V層、用５％和１０％（體積）的ＴｉＢ或ＴｉＣ顆粒增強(qiáng)的（％）（Ｔｉ６４）合金金屬基復(fù)合材料組成。與先前報(bào)道的用鑄造和鍛造技術(shù)制造的Ｔｉ６４合金的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。與均勻燒結(jié)的Ｔｉ６４合金相比，合金中ＴｉＢ和ＴｉＣ增強(qiáng)顆粒的存在導(dǎo)致金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)度和延展性顯著下降，因?yàn)檫@些顆粒為裂紋和氣孔成核提供了額外的位置，并促進(jìn)了材料的脆化。然而，當(dāng)金屬基復(fù)合材料層用于具有Ｔｉ６４合金層的雙層結(jié)構(gòu)時(shí)，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)表明，與均勻的Ｔｉ６４合金和均勻的金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相比，彎曲應(yīng)力顯著增加。與單層均勻結(jié)構(gòu)相比，雙層結(jié)構(gòu)能夠吸收更高的沖擊能量，表明層狀結(jié)構(gòu)能夠更好地滿足防彈應(yīng)用的要求。

ＳｔａｎｌｅｙＡｂｋｏｗｉｔｚ等指出，由于粉末冶金鈦可實(shí)現(xiàn)性能的改善，可生產(chǎn)不同尺寸從幾克到數(shù)百公斤的近凈形部件，從而不斷引起工業(yè)和軍事部門(mén)的興趣，這就需要開(kāi)發(fā)美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)（ＡＳＴＭ）規(guī)范，為粉末冶金鈦產(chǎn)品提供通用標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)粉末冶金鈦產(chǎn)品的應(yīng)用。Ｄｙｎａｍｅｔ編制了ＡＳＴＭＢ９８８１３《粉末冶金鈦和鈦合金結(jié)構(gòu)部件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》。

新標(biāo)準(zhǔn)包括非合金化純鈦（１、２、３和４級(jí)）、Ti-6Al-4V（５級(jí)）、Ｔｉ３Ａｌ2.5Ｖ（９級(jí)）、Ti-6Al-4VＬＩ（低間隙）和Ｔｉ６Ａｌ６Ｖ    ２Ｓｎ的粉末冶金產(chǎn)品。該標(biāo)準(zhǔn)將促進(jìn)粉末冶金鈦廣泛的工業(yè)、商業(yè)和軍事應(yīng)用。

基于生產(chǎn)高質(zhì)量粉末冶金Ti-6Al-4V近凈形產(chǎn)品的能力，價(jià)格合理的粉末冶金鈦的商業(yè)機(jī)會(huì)正在擴(kuò)大，該產(chǎn)品具有與傳統(tǒng)Ti-6Al-4V相當(dāng)?shù)睦煨阅堋TI國(guó)際公司已收購(gòu)Ｄｙｎａｍｅｔ技術(shù)公司，這將加速混合元素粉末技術(shù)在商用飛機(jī)、醫(yī)療、工業(yè)和軍用鈦合金部件中的應(yīng)用。

鈦基材料結(jié)合了表面層的高強(qiáng)度和硬度以及基體金屬的足夠延展性，在各種應(yīng)用中非常有前途，特別是作為軍工裝備中的裝甲部件。高強(qiáng)度、高硬度和韌性的組合可以通過(guò) 創(chuàng)建具有不同性能的多層結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。О．М．Ｉｖａｓｉｓｈｉｎ等研究了層狀鈦基材料的微觀結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)性能和防彈防護(hù)性能。使用兩種不同的方法來(lái)制造這種層狀結(jié)構(gòu)。

第一種是常規(guī)的冶金（鑄錠鍛造）方法，隨后是Ti-6Al-4V和Ｔ１１０合金的表面快速熱處理，用于制造在材料厚度方向具有不同力學(xué)性能的分級(jí)結(jié)構(gòu)。第二種是元素粉末冶金法，用于制造Ti-6Al-4V鈦合金層和基于它的復(fù)合材料層的組合結(jié)構(gòu)，并用ＴｉＣ或ＴｉＢ顆粒增強(qiáng)。基于以前獲得的優(yōu)化混合元素粉末方法制造兩層和三層Ti-6Al-4V（ＶＴ６）合金基實(shí)驗(yàn)板，其中表面層是用ＴｉＣ顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料。使用相同子彈的彈道測(cè)試確立了相同厚度的層狀材料具有不可否認(rèn)的優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，３Ｄ打印技術(shù)發(fā)展迅速，通過(guò)３Ｄ可以打印出用傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)不同材料的蜂窩、點(diǎn)陣等結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速穿甲彈和爆轟波的防護(hù)，從而受到裝甲防 護(hù)領(lǐng)域科研人員的重視并已開(kāi)展項(xiàng)目研究。ＲａｍｉｎＲａｈｍａｎｉ等研究了一種結(jié)合選區(qū)激光熔化和放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備的輕質(zhì)Ｔｉ６Ａｌ４ＶＡｌＳｉ１０Ｍｇ復(fù)合材料。采用蜂窩狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（均勻網(wǎng)格或梯度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)）來(lái)抵抗沖擊和穿甲彈侵徹。

結(jié)果證明了Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ點(diǎn)陣的體積分?jǐn)?shù)對(duì)于抗沖擊性的重要性。具有較小單元尺寸和較細(xì)支柱直徑的結(jié)構(gòu)與具有較大單元尺寸和較粗支柱的結(jié)構(gòu)具有相同的性能。有限元結(jié)果表明，具有較高體積分?jǐn)?shù)的均勻點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以更有效地防止彈丸穿透，而梯度點(diǎn)陣增強(qiáng)了材料抵抗扭轉(zhuǎn)／變形從而提高材料的損傷容限。

２）鈦合金部件焊接技術(shù)

美國(guó)海軍接合中心ＮＪＣ開(kāi)展了用于減輕戰(zhàn)車(chē)重量和提高性能的鈦合金研究，研究的項(xiàng)目有裝甲和結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

作為裝甲，鈦合金可以均質(zhì)形式，也可以與其他金屬材料或非金屬材料復(fù)合的方式使用。ＥＷＩ制備出鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接件。目的是研究一系列用于制造優(yōu)質(zhì)鈦結(jié)構(gòu)件的不同焊接工藝。采用混合制造工藝制造了１／４和１／２英寸厚的鈦結(jié)構(gòu)件。制造該結(jié)構(gòu)件的目的是證明用于下一代陸地車(chē)輛的新型不同接合工藝的成熟度。與ＡＲＤＥＣ的仿型制造小組一起，ＥＷＩ完成了用于ＡＲＤＥＣＳＴＯＯＮＭＴ的鈦合金后車(chē)長(zhǎng)蓋的制造。ＡＲＤＥＣＳＴＯＯＮＭＴ計(jì)劃是陸軍未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)演示驗(yàn)證。車(chē)長(zhǎng)艙蓋用平板和曲面板通過(guò)ＨＬＡＷ和ＧＭＡＷ焊接工藝制造。針對(duì)目前的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用鈦合金制造該結(jié)構(gòu)件的主要目的是減輕重量和改進(jìn)性能。

ＥＷＩ正在使用便攜式ＣＭＭ系統(tǒng)進(jìn)行焊件變形的精確測(cè)量，以確保像后車(chē)長(zhǎng)蓋這樣部件的制造精度。

機(jī)器人脈沖ＧＭＡＷ混合激光焊和攪拌摩擦焊工藝被用于制造該結(jié)構(gòu)件，該工藝滿足焊接質(zhì)量和尺寸精度要求。鈦合金正在成為除航空、航天和醫(yī)療以外工業(yè)應(yīng)用很具吸引力 的材料。美國(guó)海軍和陸軍已經(jīng)開(kāi)展鈦合金及其新型焊接工藝研究，以滿足相應(yīng)武器平臺(tái)的性能挑戰(zhàn)要求和成本可承受性。

２.２　火炮

火炮是陸軍對(duì)敵方實(shí)施遠(yuǎn)程精確打擊壓制的主要裝備，它在作戰(zhàn)過(guò)程中發(fā)具有重要的作用。在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中，火炮仍將是陸軍的主戰(zhàn)裝備。隨著先進(jìn)材料如鈦合金、鋁合金及其 零部件制造技術(shù)的迅速發(fā)展，未來(lái)的火炮在精度、射程、威力和機(jī)動(dòng)性方面都將有顯著的提高。美國(guó)超輕型火炮M777就是使用鈦合金、鋁合金并提高該火炮性能的典型案例。

超輕型野戰(zhàn)火炮（ＵＦＨ）M771997年由美國(guó)陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)提出，旨在替代M198155mm牽引火炮。M777首次大量采用輕合金，通過(guò)革新的設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)的制造工藝，使重量從M198的16000磅降至目前小于9000磅，大約是現(xiàn)役M198重量的一半，因而使其易于高速運(yùn)輸、牽引。

１）大量采用鈦合金

與M198相比，M777大量采用鈦合金、鈦鑄件和鋁合金，實(shí)現(xiàn)減重3175ｋｇ（7000磅）實(shí)現(xiàn)減重４４％。鈦合金由RTI國(guó)際金屬公司提供。M777重３７４５ｋｇ，可由直升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和艦船運(yùn)輸。該牽引炮可由大于２.５ｔ的４◇４車(chē)輛牽引。M777榴彈炮采用新的設(shè)計(jì)進(jìn)行升級(jí)換代。在M777基礎(chǔ)上配備了數(shù)字火控系統(tǒng)后命名為M777Ａ１，通過(guò)軟件升級(jí)以及可以使用神劍彈藥后被命名為M777Ａ２。

M777超輕型火炮的低成本和輕量化得益于大量采用鈦合金和鋁合金及其零部件的制造技術(shù)。單靠鈦合金的低成本是不能實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的。

２）采用先進(jìn)制造技術(shù)

①NCEMT制造出世界最大的流動(dòng)成形鈦合金搖架管和反后坐力管流動(dòng)成形（FlowForming）屬于冷成型工藝，可制出尺寸非常精確的空心圓筒。流動(dòng)成形鈦合金部件可以達(dá)到近凈形，減少了合金部件的制造廢料。該工藝精度高，可被廣泛應(yīng)用于航天和軍工領(lǐng)域。ＮＣＥＭＴ研究的搖架管生產(chǎn)工藝，與目前的擠壓和機(jī)加工藝相比，降低成本，減少?gòu)U料。NCEMT通過(guò)利用新型工藝“流動(dòng)成形”生產(chǎn)搖架管。麻省Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ市的動(dòng)力機(jī)械廠（DMW）一直在研究搖架管的流動(dòng)成形工藝。現(xiàn)已生產(chǎn)出最大的流動(dòng)成形鈦合金管，直徑５.６英寸，長(zhǎng)度72英寸（約1.8ｍ）］。

通過(guò)流動(dòng)成形，厚尺寸的Ti-6Al-4V合金管被繞旋轉(zhuǎn)心軸和旋轉(zhuǎn)軋輥擠壓變形，最終獲得理想的尺寸。由于原材料在擠壓過(guò)程中幾乎100％的保持。在2004年，NCEMT向聯(lián)合項(xiàng)目管理局提供了45英尺的搖架管件。該工藝在LW155火炮技術(shù)演示驗(yàn)證上獲得了應(yīng)用。流動(dòng)成形工藝應(yīng)用和降低成本的成功案例是M777輕型155mm火炮鈦合金搖架和反后坐管。流動(dòng)成形搖架管成本比原始生產(chǎn)工藝節(jié)約68%。

②精密鑄造———減少部件數(shù)量

許多軍用武器的多部件數(shù)量導(dǎo)致了高的制造成本。由許多獨(dú)立部件組成的復(fù)雜零件還會(huì)使制造周期增長(zhǎng)。美國(guó)軍方一直在致力于降低成本，同時(shí)提供更大的效益。美國(guó)國(guó)防部（DOD）采取革新的工藝實(shí)現(xiàn)了這些目標(biāo)。精密鑄造是減少部件數(shù)量最有效的工藝方法之一。

精密鑄造工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：降低制造成本；減少制造周期；提高可靠性；減輕重量。精密鑄造可應(yīng)用于許多軍用領(lǐng)域，如軍械、飛機(jī)機(jī)身、彈丸和推進(jìn)裝置等。與傳統(tǒng)工藝對(duì) 比，通過(guò)使用鈦合金和精密鑄造工藝。M777輕型火炮部件數(shù)量大為減少。美國(guó)海軍金屬加工中心采用精密鑄造工藝使M777輕型155mm火炮駐鋤的部件數(shù)量，從120減至２，詳見(jiàn)表４。

美國(guó)國(guó)家先進(jìn)金屬加工中心（NCEMT）開(kāi)展了研究新型制造工藝和革新成型技術(shù)，以減少部件數(shù)量和降低材料廢料和制造成本。與輕型火炮聯(lián)合管理局（JPMO）、BAE和鈦合金工廠一起，研究用于M777輕型155mm火炮（LW155）的單件精密鑄造駐鋤（ｓｐａｄｅ）。過(guò)去是采用機(jī)加和焊接來(lái)制造駐鋤。另一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的部件是轉(zhuǎn)向架（ｓａｄｄｌｅ），原來(lái)采用將100多個(gè)零件加工焊接在一起而成。NCEMT和ＪＰＭＯ、ＢＡＥ以及鈦合金工廠共同研制出單片精密鑄造轉(zhuǎn)向機(jī)［２２］。

另外采用鍛造工藝制造，與采用軋制板機(jī)加工藝相比減少?gòu)U料５０％。已經(jīng)成功用低成本單熔體等離子弧熔化（ＳＭＰＡＭ）Ti-6Al-4V坯料鍛造出低成本鐘形外殼。該鐘形外殼鍛件抗拉強(qiáng)度為965MPa～１,034MPa；屈服強(qiáng)度為910～972MPa；伸長(zhǎng)率14.９％～５.９％；斷面收縮率36.2％～40.9％。所有ＳＭＰＡＭ鍛件的拉伸性能都滿足ＡＭＳ４９２８和ＡＳＴＭＢ３８１標(biāo)準(zhǔn)的要求［２３］。

③愛(ài)迪生焊接研究所（ＥＷＩ）研究用于制造M777輕型火炮的焊接工藝美國(guó)陸軍正在研究輕質(zhì)材料，如鋁合金、鈦合金和復(fù)合材料在先進(jìn)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，以降低武器裝備平臺(tái)的重量。

另外用這些材料制造混合結(jié)構(gòu)部件，需要大量的接合工藝，其中包括攪拌摩擦焊、混合激光電弧焊（HLAW）、脈沖氣體金屬弧焊（GMAW）等。M777穩(wěn)定器梁臂是用Ti-6Al-4V合金板和鑄件通過(guò)氣體鎢電弧焊（GTW）工藝焊接而成。EWI工作的主要目標(biāo)是整合高效材料接合技術(shù)，以制備復(fù)雜的Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu)件。80～85％的GTA焊接被ＧＭＡＷＰ或激光樁焊所取代。ＥＷＩ還支持ＡＲＤＥＣ的聯(lián)合項(xiàng)目管理局（JPMO）和BAE系統(tǒng)公司開(kāi)展項(xiàng)目研究。目的是在M777火炮武器系統(tǒng)演示驗(yàn)證中采用先進(jìn)的鈦合金焊接技術(shù)。

④低成本鈦合金單級(jí)熔煉工藝

鈦合金（Ti-6Al-4V）是輕型155mm火炮的關(guān)鍵材料。NCEMT成功進(jìn)行了31英寸ＰＡＭ鈦合金錠的試生產(chǎn)。該技術(shù)已轉(zhuǎn)讓給工業(yè)部門(mén)，并通過(guò)主要承包商、BAE系統(tǒng)公司和 LW155聯(lián)合項(xiàng)目管理局（JPMO）首次用于LW155火炮。單級(jí)熔體PAW使LW155火炮所用Ti-6Al-4V錠的采購(gòu)成本降低最大27％。該低成本技術(shù)還將受益于其他使用鈦合金部 件的DOD武器系統(tǒng)，如美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)遠(yuǎn)程戰(zhàn)斗車(chē)輛（EFV）。NCEMT單級(jí)熔體PAM工藝使鈦錠達(dá)到高表面質(zhì)量，即使是最大直徑３１英寸的鈦錠表面質(zhì)量也很優(yōu)秀，從而 減少或不需鍛造前的表面處理。

３、軍用鈦合金標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

在研究地面裝備用鈦合金的過(guò)程中，世界許多國(guó)為規(guī)范和推動(dòng)鈦合金的應(yīng)用，相繼制定了不同鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，如MILDTL46077Ｇ、ATI64MIL、ATI425等。

３.１　美國(guó)鈦合金標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)鈦及鈦合金標(biāo)準(zhǔn)有４類(lèi)：美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）約２０項(xiàng)，基本為1995—2005年編制；美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（ASME）１項(xiàng)、美國(guó)宇航材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（AMS）約25項(xiàng)，基本為2001—2003年編制；和美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)（MIL）約９項(xiàng)。其中軍用標(biāo)準(zhǔn)包括MILＴ９０４７２００５《鈦及鈦合金棒材和鍛坯》，MILＦ８３１４２２０００《鈦及鈦合金鍛件（優(yōu)質(zhì)級(jí)）》，MILＴ46077《鈦合金可焊的裝甲厚板》，MILＴ９０４７２００５《鈦及鈦合金棒材和鍛坯》，MILＴ８１２００（MILＨ８１２００Ｂ）《鈦及鈦合金熱處理》。

美國(guó)陸軍編制MILDTL46077Ｇ，目的是為了促進(jìn)鈦工業(yè)開(kāi)發(fā)非航空航天級(jí)抗彈鈦合金。它規(guī)定了４級(jí)：１級(jí)為Ｔｉ６Ａｌ４ＶＥＬＩ；２級(jí)為T(mén)i-6Al-4V標(biāo)準(zhǔn)５級(jí)；３級(jí)為允許更高水平的氧含量；４級(jí)取消了鋁和釩的要求。４級(jí)鈦仍然屬于合金的α+β范圍，并滿足軍用規(guī)范規(guī)定的其他力學(xué)性能和彈道要求。４級(jí)鈦合金將拓寬鈦合金的彈道應(yīng)用潛力。軍用鈦合金MILDTL４６０７７Ｇ規(guī)范關(guān)于鈦合金級(jí)別和氧含量的規(guī)定見(jiàn)表５。

３.２　國(guó)內(nèi)鈦合金標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)從Ti-6Al-4V合金標(biāo)準(zhǔn)頒布后，先后又修訂和頒布了約３０項(xiàng)鈦合金國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、17項(xiàng)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，主要為航空航天材料和部件規(guī)范。2010年12月１日頒布《鈦及鈦合金    鍛件（ＧＢ／Ｔ２５１３７—２０１０）》等同ＡＳＴＭＢ３８１—２００６ａ。

2019年，最新頒布了１２項(xiàng)鈦標(biāo)準(zhǔn)。具體如下：GJB２２２０Ａ—2018《航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金餅、環(huán)坯規(guī)范》；GJB９５８４—2018《鈦鈮合金絲材規(guī)范》；GJB９５８３—2018《航天液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用低溫鈦合金管材規(guī)范》；GJB９５８１—2018《鈦及鈦合金焊絲規(guī)范》；GJB９５７９—2018《艦船用鈦及鈦合金無(wú)縫管材規(guī)范》；GJB９５７７—2018《增材制造用鈦及鈦合金粉末規(guī)范》；GJB９５７５—2018《航天用高溫鈦合金棒材規(guī)范》；GJB９５７４—2018《艦船用鈦及鈦合金鑄件規(guī)范》；GJB９５７１—2018《艦船用鈦及鈦合金棒材規(guī)范》；GJB９５６７—2018《葉片用ＴＡ１１和ＴＣ６鈦合金棒材規(guī)范》；GJB９４４Ａ—2018《艦船用鈦及鈦合金板材規(guī)范》；GJB９４３Ａ—2018《艦船用鈦合金鍛件規(guī)范》。以上標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施日期均為２０１９年３月１日。

從以上頒布的標(biāo)準(zhǔn)看出，兵器系統(tǒng)還未制定兵器裝備用鈦及鈦合金的軍用技術(shù)規(guī)范，目前只采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

３.３　國(guó)內(nèi)外鈦合金標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

從中國(guó)和美國(guó)關(guān)于鈦及鈦合金標(biāo)準(zhǔn)頒布情況看，我國(guó)鈦及鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)化工作與國(guó)外先進(jìn)水平存在一定差距。兵器系統(tǒng)在鈦合金標(biāo)準(zhǔn)化工作方面與國(guó)內(nèi)航空、航天和艦船等系統(tǒng)存在較大差距，與國(guó)外鈦合金研制與應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)化差距更大。這與兵器裝備的特點(diǎn)和鈦合金應(yīng)用水平有很大關(guān)系，目前兵器裝備應(yīng)用的鈦合金只有１種———ＴＣ６（ＧＢ／Ｔ ３６２０．１—１９９４《鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》和ＧＢ／Ｔ２９６５—１９９６《ＧＢ／Ｔ２９６５—１９９６鈦及鈦合金棒材》）。全鈦輕型噴火器已批量生產(chǎn)，正式裝備部隊(duì)，所用材料為工業(yè)純鈦、Ｔ３Ａｌ２．５Ｖ和Ｔｉ４５１合金。我國(guó)在２０世紀(jì)７０年代開(kāi)展了鈦制空降迫擊炮研制。１００ｍｍ迫擊炮的地板采用ＴＡ７合金整體沖 壓而成，鈦底板比鋼底板輕10kg。隨后，又研制了８２ｍｍ全鈦空降迫擊炮，與鋼制82ｍｍ迫擊炮相比，減重１６.６ｋｇ。鈦合金在兵器上應(yīng)用極少。

４、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)未來(lái)地面武器裝備的快速發(fā)展，有些甚至是顛覆人們認(rèn)知的發(fā)展，地面平臺(tái)將向著全域機(jī)動(dòng)、高打擊能力、高生存能力、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。輕質(zhì)材料如鈦合金及 其復(fù)合材料以及先進(jìn)制造技術(shù)將快速發(fā)展和應(yīng)用。因此必須制定好鈦合金在地面武器平臺(tái)應(yīng)用的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，使鈦合金在兵器裝備上獲得較大范圍的應(yīng)用，提高我國(guó)武器裝備 的性能。

４.１　軍用鈦合金發(fā)展建議

美國(guó)、俄羅斯、烏克蘭等國(guó)家在低成本鈦合金和先進(jìn)制造技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)取得重大突破并在坦克裝甲車(chē)輛和火炮上獲得應(yīng)用。鈦合金低成本技術(shù)，特別是美國(guó)已進(jìn)行了系統(tǒng)研究，因而使鈦合金在超輕型火炮上獲得應(yīng)用，M777是最典型的示例。總體看來(lái)，國(guó)外鈦合金的應(yīng)用與其他材料相比較仍然有差距，在坦克裝甲車(chē)輛上的應(yīng)用還不是很廣，大型結(jié) 構(gòu)件還沒(méi)有應(yīng)用鈦合金。這就說(shuō)明鈦合金的性能、工藝和成本問(wèn)題仍然是制約其應(yīng)用的障礙，所以世界各國(guó)仍然在投入人力和物力開(kāi)展鈦合金及其低成本技術(shù)的研究。美國(guó)于 2019年開(kāi)展了M777ＥＲ（增程）火炮研制。增程火炮將采用更長(zhǎng)（５５倍口徑）的炮管、新的搖架。

建議國(guó)家和有關(guān)部委組織全國(guó)鈦合金的產(chǎn)學(xué)研力量，在已有的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開(kāi)展鈦合金材料技術(shù)、鈦合金零部件的先進(jìn)制造技術(shù)如海綿鈦、鈦合金熔煉、軋制鍛造、焊接、精密 鑄造、粉末冶金、３Ｄ打印、熱處理等低成本技術(shù)的系統(tǒng)研究，使鈦合金及其部件整個(gè)制造鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)都低成本，真正實(shí)現(xiàn)鈦合金的低成本。關(guān)于鈦合金低成本，作者認(rèn)為還要從武器裝備全壽期來(lái)考慮鈦合金的應(yīng)用成本。我們不單單要看材料和部件的成本，而且還要研究使用鈦合金后為武器裝備帶來(lái)的性能提高，如機(jī)動(dòng)性的提高、防護(hù)力的提高、特征信號(hào)降低、燃油消耗降低、后勤維護(hù)減少、武器裝備打擊精度提高、特殊環(huán)境下的運(yùn)輸能力等等。這些優(yōu)勢(shì)使裝備在戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)上所獲得的效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)使用鈦合金帶來(lái)的成本增加。因此任何一種新材料應(yīng)用不能只看其材料和部件本身的成本！

４.２　軍用鈦合金標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展建議

加強(qiáng)兵器系統(tǒng)鈦合金、部件測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化工作，統(tǒng)籌兼顧，做好規(guī)劃，建立起鈦合金材料標(biāo)準(zhǔn)化研究隊(duì)伍和研究體系，不斷開(kāi)展新型鈦合金材料以及零部件制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究，從 而建立起兵器裝備鈦合金材料標(biāo)準(zhǔn)體系，縮小差距，趕超國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。

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