ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ И БРОНЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ И БРОНЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗДЕЛИЙ АВТОБРОНЕТАНКОВОЙ ВОЕННОЙ ТЕХНИКИ И СРЕДСТВ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ БРОНЕЗАЩИТЫ (СИБ)

Д.Г. Купрюнин, канд. техн. наук А.Л. Гавзе, С.Ю. Чусов

АО «НИИ Стали»

Вопросы оборонной техники. Серия 16: Технические средства противодействия терроризму. 2018. № 7-8 (121-122).

В статье приведены сравнительные данные по физико-механическим свойствам кон­струкционных сталей и титановых сплавов и бронестойкости стальных, алюминиевых и титановых преград. Предложены наиболее эффективные направления использования титановых сплавов для снижения массы конструкционных и броневых деталей автобронетанковой военной техники и средств индивидуальной бронезащиты. Показаны пути снижения стоимости производства титановых сплавов с сохране­нием их основных физико-механических и броневых свойств. Представлены методы поверхностного упрочнения титановых сплавов, позволяющие повысить их конкурентоспособность по сравнению со сталями и керамико-композитными материалами для изготовления конструкционных и броневых деталей.

Титановые сплавы, широко используемые в качестве конструкционных материалов в совре­менной технике, отличаются рядом уникальных физико-механических свойств, обеспечивающих их существенное преимущество по сравнению с традиционными материалами на основе железа и алюминия. К числу этих свойств относятся: высо­кая удельная прочность, коррозионная стойкость в атмосфере, морской воде и ряде агрессивных сред, пониженные модули упругости, теплопрочность, немагнитность, удовлетворительная технологич­ность. Сравнительные характеристики некоторых физико-механических свойств конструкционных сталей и титановых сплавов приведены в табл. 1.

табл. 1

Сравнение физико-механических свойств конструкционных сталей и титановых сплавов

Примечание: * Изотермическая закалка [1, 2]; ** Высокотемпературная термомеханическая обработка [3]; *** Отжиг [4].

В то же время титановые сплавы облада­ют рядом качеств, препятствующих широкому использованию их для изготовления нагружен­ных деталей транспортных машин наземного применения. В этом ряду следует отметить не­достаточную износостойкость и низкие антифрикционные характеристики титановых деталей, работающих в условиях фрикционного контак­та, пониженные характеристики выносливости титановых деталей при их циклическом нагру­жении, высокую чувствительность к концен­траторам напряжений и невысокую контактную прочность при статических и циклических на­грузках.

В АО «НИИ стали» совместно с рядом на­учных организаций и промышленных предприя­тий проводились систематические исследования различных методов объёмного и поверхностно­го упрочнения титановых сплавов. Использовали термические, деформационно-термические, хими­ко-термические способы обработки, а также ме­тоды упрочнения, основанные на использовании высококонцентрированных энергетических пото­ков (электронных пучков, излучения оптических квантовых генераторов, токов высокой частоты и низковольтных и высоковольтных электрических разрядов).

В результате научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ найдены прин­ципиальные технические решения и внедрены технологические процессы, позво­лившие в значительной степени преодолеть от­меченные выше недостатки титановых сплавов и рекомендовать их использование при изготов­лении ряда ответственных деталей ходовой ча­сти транспортных средств специального назна­чения лёгкой категории по массе (табл. 2).

Уже в 1950-х годах в работах исследователь­ских лабораторий США было отмечено, что ти­тановые сплавы перспективны в качестве защи­ты от пуль стрелкового оружия. К началу 1960-х годов американскими исследователями были представлены броневые характеристики спла­ва Ti-6Al-4V, которые продемонстрировали воз­можность значительного снижения веса преград в сравнении с гомогенной стальной броней.

Преимущество титанового сплава Ti-6Al-4V перед стальной и алюминиевой бронёй нагляд­но показано на рис. 1-4, на которых приведе­ны сравнительные данные стандартов США по стойкости преград из броневой стали средней и высокой твёрдости, броневых алюминиевых сплавов и указанного титанового сплава.

На приведённых графиках представлены за­висимости ударных скоростей, соответствую­щих 50% вероятности сквозного пробития (V₅₀), от поверхностной плотности преград (массы 1 м² защищающей преграды) при обстреле различ­ными средствами поражения при угле встречи с поверхностью преграды 90°.

Исследование броневых характеристик ти­тановых сплавов применительно к изделиям бро­нетанковой техники и средствам индивидуаль­ной бронезащиты в АО «НИИ стали» (тогда ещё ВНИИ Стали) было начато в конце 1950-х годов и с разной степенью интенсивности продолжается до настоящего времени. В результате проведённых работ было установлено, что из серийных титано­вых сплавов оптимальным комплексом броневых свойств (стойкостью и живучестью) и технологических характеристик (деформируемостью и сва­риваемостью) обладают сплавы ОТ4-1, ВТ6 (ана­лог американского Ti-6Al-4V) и ВТ23. Некоторые свойства титановых сплавов, используемых в за­щитных структурах, приведены в табл. 3.

Долгое время главными препятствиями ши­рокому применению титановых сплавов для на­земной военной техники являлись дефицитность и высокая стоимость полуфабрикатов. В насто­ящее время «фактор дефицитности» титановых сплавов полностью утратил значение, поскольку производство титановых полуфабрикатов в РФ загружено менее, чем на 60%.

В то же время «фактор стоимости» стал субъективно менее значимым из-за сравнения цен титановых полуфабрикатов со стоимостью используемых в последнее время композитных материалов и керамической брони, а также рез­ снижения доли стоимости корпуса и дета­лей ходовой части по отношению к стоимости агрегатов и приборов современных изделий автобронетанковой военной техники (АиБТВТ).

Кроме того, не прекращались исследова­ния, направленные на снижение стоимости ти­тановых заготовок за счёт использования более дешёвых шихтовых материалов и оптимизации технологических способов получения слитков.

Результатом работ в этом направлении яви­лось создание новых «экономнолегированных» сплавов с повышенным содержанием примесей внедрения и железа, которые при потере неко­торых свойств (теплопрочности, термической

стабильности при повторном нагреве), обяза­тельных при длительной работе деталей при температурах выше 400 °С, обладают необходи­мым запасом конструктивной прочности и на­дёжности при их эксплуатации при климати­ческих температурах в условиях интенсивного ударного и усталостного нагружения.

Следует отметить, что это является общеми­ровой тенденцией, связанной с увеличением при­менения титановых сплавов для бронезащиты. Помимо основного сплава Ti-6Al-4V, за рубежом активно используются его аналоги Low-cost: ATI-Ti-425TM, Timet Ti-62S TM (с содержанием кислорода до 0,3%) со сниженной себестоимостью изготовления (благодаря вовлечению скрапа, заме­ны дорогостоящих легирующих элементов на Fe).

Примером аналогичных российских спла­вов является титановый двухфазный (α + β)-сплав VST 2 (VST-2E), разработанный ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» (г. Верхняя Салда) при уча­стии АО «НИИ стали». VST-2В относится к сплавам мартенситного класса, по содержанию β-стабилизаторов близок к сплаву ВТ23.

При выплавке его слитков используется низко­сортная титановая губка, вовлекается 30% кусковых титановых отходов и 10% отходов в виде стружки. Благодаря этому себестоимость продукции, изготов­ленной из этого сплава, может быть снижена [11].

Результаты определения комплекса механи­ческих свойств и оценка броневых характеристик, проведенная с участием традиционных и совре­менных средств поражения, указывают на пер­спективность использования сплава VST-2В:

- для изготовления деталей конструкцион­ного назначения для разработанных изделий вза­мен изготовляемых из более дорогих серийных титановых сплавов с получением значительного экономического эффекта;

- для замены деталей, обычно изготавливае­мых из конструкционных сталей, со снижением массы деталей на 40%;

- для изготовления элементов средств инди­видуальной бронезащиты (СИБ) различного на­значения;

- для изготовления броневых крышек, люков, навесных деталей бронирования корпусов [12].

Некоторые предварительные результаты ис­пытаний плит VST-2В по оценке их защитных характеристик приведены в табл. 4.

Помимо производства гомогенных листов и плит из сплава VST-2В, в ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» разработана технология по­верхностной обработки листов и плит из сплава VST-2В, позволяющая получить на их поверхно­сти толстый слой металлокерамической компози­ции твёрдостью до 72 HRC, прочно связанный с основной массой листа (плиты), при сохранении высокой прочности и ударной вязкости тыль­ной стороны композитной преграды на уровне исходной заготовки. Указанный поверхностный слой вызывает разрушение высокотвёрдых сер­дечников бронебойных пуль и приводит к резко­му повышению стойкости бронепреград при их удовлетворительной живучести (допустимое рас­стояние между поражениями от 25 до 60-90 мм в зависимости от средства поражения).

Изготовленные таким способом плиты могут быть использованы как в качестве монопреграды, так и в составе разнесённой или комбинирован­ной брони.

Некоторые предварительные результаты ис­пытаний плит VST-2В (VST 2) с поверхностным упрочнением и композиций с их применением приведены в табл. 5.

Помимо этого преимуществами композит­ных титанокерамических бронепанелей по срав­нению с керамико-полимерными на основе алюмооксидной керамики являются:

- более низкая трудоёмкость изготовления;

- использование только отечественных мате­риалов;

-сохранение защитных свойств при нагреве до температуры 850 °С;

-возможность изготовления сварных кон­струкций;

- ижение толщины бронепанелей и вели­чины динамического прогиба при обстреле;

- охранение стоимости композитных тита­нокерамических бронепанелей на уровне изделий из традиционных титановых сплавов.

На основании вышеизложенного перспек­тивными для применения сплава VST-2B в кон­струкциях защиты изделий АиБТВТ и средствах индивидуальной бронезащиты (СИБ) являются следующие направления:

1. Замена в серийных СИБ деталей из серий­ных титановых сплавов на детали из сплава VST-2B: щитки комбинированных титановых бронешлемов (с повышением класса защиты с Бр 1 до Бр 2), бронеэлементы и бронещитки в бронежилетах и защитных костюмах сапёра (снижение стоимости указанных деталей).

2. Замена в серийных бронежилетах сталь­ных бронеэлементов на бронеэлементы из спла­ва VST-2B, в т.ч. гетерогенные (с поверхностным упрочнением), со снижением массы указанных бронежилетов на 15-25%.

3. Разработка технологии изготовления тита­новых колпаков из сплава VST-2B для комбини­рованных титановых бронешлемов взамен при­менения менее прочных серийных титановых сплавов (снижение массы шлемов и расхода арамидных тканей для изготовления тканево-поли­мерных подпоров).

4. Применение гетерогенных материалов на основе сплава VST-2B для изготовления бронеэлементов и бронещитков изделий СИБ: снижение массы; повышение класса защиты до Бр 3-Бр 5.

5. Замена навесных деталей из броневых ста­лей и керамико-полимерных композитов на на­весные детали из гетерогенных материалов на основе сплава VST-2B для наземной бронетехни­ки, кораблей, защиты пусковых установок и т.д. (снижение массы до 40% по сравнению со сталь­ными навесными деталями, снижение стоимости по сравнению с навесными деталями из керами- ко-полимерных композитов).

5. Применение сплава VST-2B для изготовле­ния крышек и люков изделий бронетехники [13].

Литература

1. Йех Я. Термическая обработка стали. Спра­вочник. — М.: Металлургия. 1979. С. 53.
2. Справочник по материалам гусеничных машин. — М.: ВНИИстали. 1972. С. 52.
3. Гавзе А.Л., Коростелёв Ю.П. Совершен­ствование ВТМО сортового проката из тита­нового сплава ВТ3-1 // МиТОМ. N° 8. 2002. С. 29-32.
4. СТО 07510017-660-2013 Поковки штампо­ванные, поковки и прутки кованые из титанового сплава марки VST-2. Технические условия. ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА». — Верхняя Салда. 2013.
5. Mil-dtl-46077g. Detail specification, armor plate, titanium alloy, weldable.
6. Mil-dtl-32375(mr). Detail specification armor plate, aluminum alloy, 7085, unweldable applique.
7. Mil-dtl-12560k(mr). Detail specification armor plate, steel, wrought, homogeneous. (for use in combat-vehicles and for ammunition testing).
8. Mil-dtl-32505. Detail specification armor plate, aluminum, alloy 7017 weldable and 7020 applique.
9. Mil-dtl-46027(mr). Detail specification armor plate, aluminum alloy, weldable 5083, 5456 & 5059.
10. Mil-dtl-46100e (mr) detail specification armor plate, steel, wrought, high-hardness.
11. Титановый сплав VST-2. Проспект ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА». — Верхняя Салда. 2017.
12. Гавзе А.Л., Чусов С.Ю., Яньков В.П., Тетюхин В.В. и др. Разработка новых экономнолегиро­ванных титановых сплавов для средств индивиду­альной бронезащиты и изделий бронетехники. Перспективы их применения // Титан. 2013. № 1. С.46-48.
13. Титановые сплавы для изделий ВПК. Проспект ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА». Верхняя Салда. 2017.