微观缺陷对Ti/Al3Ti复合材料的抗侵性能有影响研究

2024-12-01

摘要

Ti/Al3Ti叠层复合材料以压合轧制复合法为基础，制备了组织致密、抗冲击性能优异的复合材料，对金属间化合物Al3Ti层孔、裂纹等缺陷的外观和形成机制进行了观察和分析。结合有限元技术，分析了弹体侵入复合材料的过程，揭示了复合材料在弹体冲击过程中各层能量变化的机制，深入研究了缺陷对复合材料抗侵入性能的影响。结果表明，孔洞、裂纹等缺点都会降低Ti/Al3Ti层复合材料的刚度和强度，从而降低其抗侵入性能。

作者

吴佳楠1，张煌1，梁壮丽1，王锦涛1，原梅妮2，李耀明1。

(1.太原030051中北大学机械工程学院；

中北大学航空字航学院，太原030051)

正文

为了满足盔甲材料的轻量化和高性能要求，防弹盔甲不再局限于单一材料，多层复合结构材料的抗侵性也受到广泛关注。其中，由于其高韧性和高耐磨性，Ti/Al3Ti叠层复合材料已成为航空航天和武器装备领域具有巨大发展潜力的新型轻质盔甲防护材料［1］。目前的研究热点是制备微观结构较强的Ti/Al基复合材料，并对其抗侵性能进行深入研究。

近年来，Ti/Al基复合材料的制备工艺得到了很大的发展。WANG T L等［2］多层复合板采用压合轧制技术，通过各种轧制恢复，探讨了机械性能与组织的关系。LIU J G等［3］Ti/Al复合板采用冷轧工艺制备，研究分析了不同初始铝强度对粘接力的影响。朱庆宣等［4］采用热压烧结法制备具有优异性能的Ti/Al复合材料，对样品的微组织、压缩、拉申等力学性能进行系统分析。王文焱等［5］钛铝复合板采用铸轧法制备，并对其界面组织进行了研究。SUN Y B等［6］将准备好的Ti-Al叠层复合材料再次放入压合炉中进行致密处理，但仍有一些孔洞。CUI X P等［7］采用真空热压法，消除初级反应过程中出现的缺陷，并对其进行致密处理。韩肖肖等［8］对Ti/Al3Ti片层复合材料靶板进行了模拟，并通过SPH-FEM方法对其失效方法进行了研究。曹阳等［9］考虑到界面对Ti/Al3Ti抗冲击性能的影响，通过数值模拟探讨了射速影响下的失效模式和减损机制。LI Y M等［10］Ti-Al3通过遗传算法Ti-优化Al复合材料的排列顺序和层厚，并对抗侵入性进行分析。史明东等［11］对复合材料微观结构参数对残余应力的影响进行了数值模拟分析。综上所述，制备Ti/Al基复合材料的过程极其繁琐复杂，但尚未获得性能优异的复合材料，孔洞、隧道裂缝、剥层裂缝、残余应力等缺点屡见不鲜。当前对复合材料缺陷的研究主要集中在力学性能等方面，但缺陷也严重影响了盔甲材料的抗冲击性能，因此对金属间化合物Al3Ti层缺陷对Ti/Al3Ti层复合材料抗侵性能的影响机制进行了深入研究。

本研究采用包套轧制技术，制备了Ti/Al3Ti叠层复合材料，对其表面质量进行了微观检验，分析了孔、裂纹等微观缺陷的形成机制。通过数值模拟，系统研究了孔、裂纹等缺陷对Ti/Al3Ti复合材料抗侵蚀能力的影响规律，明确了Ti/Al3Ti片层复合材料在冲击载荷作用下的损伤失效机制和能量吸收机制。为了进一步提高轻型复合装甲材料的抗弹性和保护能力，为复合装甲的开发和应用提供理论参考。

1 试验材料及方法

1.1 Ti制备Al3Ti叠层复合材料实验

工业纯铝板选用TC4板材，质量分数为99.9%，TC4板材、Al板层数分别为13。、12层，将材料各自切割成100层。 mm×100 mm×1 经过一系列表面预处理后，mm的板材更换叠放形成层状结构，其中上下表面均为TC4板。由于Ti/Al合金塑性差，在轧制过程中容易发生局部变形，导致开裂、氧化等问题。轧制时，板材用包套包裹，然后轧制。包套材料采用304不锈钢，通过LARA系列真空电子束焊机进行封焊。

Ti/Al叠层复合材料的具体轧制工艺如下：轧制前将包套样品加热至6000 ℃并保温30 min，第一次轧制按30%轧制；以后每次轧制前，随炉提前升温至650%。 ℃热处理1 h之后，再减温到6000。 ℃保温30 在min之后进行第二次和第三次轧制，压下量分别为20%。、轧制过程中总压下量为10%，为60%。如图1所示，轧制后Ti/Al叠层复合材料样品。这时，Ti/Al叠层复合材料仅在界面处形成少量的Al3Ti金属间化合物，无法直接制备。 Ti采用热压烧结炉对Al3Ti叠层复合材料进行热处理。先将温度加热到660 ℃保温2 h，TiAl层复合材料中的Al层熔化成液体，然后将温度提高到710。 ℃保温3 h，Al3Ti由熔融态Al和Ti反应产生，最终获得Ti/Al3Ti叠层复合材料。

图1

1.2 Ti/Al3Ti抗侵有限元模型

利用LS-DYNA建立相应的弹靶有限元模型，其中选用W合金球形弹体模拟子弹，半径为4.75。 mm，TiAl3Ti靶板的宽度为100。 mm×100 mm×16.27 mm。将弹靶模型简化为1/4模型，并使用Lagrange算法进行求解，如图2所示。W合金弹体和金属Ti层采用Johnson-Cook模型，金属间化合物Al3Ti层采用Johnson-Cook模型，金属间化合物Al3Ti层采用Johnsonson。-Holmquist-Ⅱ本模型，参数见表1和表2。当弹体初速为5333时，已有研究通过射速试验验证了该有限元模型的有效性。 m在实验中，枪体的这个模型参数可以更好地模拟Ti/Al3Ti层复合材料的射速侵入效果。［12］。

图2

表1

表2

2 测试结果和讨论

2.1 孔洞、裂纹的微观形状和形成机制

图3是Ti/Al3Ti叠层复合材料热处理后的界面层微观图。在710 在高温下，Ti和Al对含有大量孔眼的Al3Ti金属间化合物产生了敏感反应。从柯肯达尔效应可以看出，由于Al在Ti中的扩散率(0.07555)，两种扩散率不同的金属材料在相互扩散过程中会在一定程度上形成柯肯达尔孔隙缺陷。 μm/s）在Al中高于Ti的扩散率(0.066) μm/s）［13］，热处理过程中，Ti、在两个相界面上，Al各自发生扩散反应，新的金属间化合物Al3Ti形成于界面。由于Al扩散速度快，扩散后会形成一个位置，Al3Ti层附近的Al位置可以通过长距离扩散的Al来补充，所以组织比较致密，孔洞比较少，而且远离Al3Ti层的Al位置，由于没有得到充分的补充，位置聚集在一起会形成大量的孔洞。

图2

Al3Ti层中的隧道裂纹和剥层裂纹可以从图3b中观察到。隧道裂纹是由于金属间化合物Al3Ti在Ti/Al3Ti层复合材料中所承受的残留拉应力高于Al3Ti的抗拉强度，导致固层开裂和裂纹。在Al3Ti层中，剥层裂纹的形成主要与孔有关。在热处理过程中，随着Al和Ti的反应，Al3Ti层中形成的孔增加并汇聚成一排，形成一个长的裂缝，即剥层裂缝。另外，当样品在高温下冷却时，由于热残应力的作用，也会导致孔洞较多的地方开裂，最终形成剥层裂缝。

2.2 孔洞对Ti/Al3Ti复合材料的抗侵性能有影响。

由于材料中的孔一般不规则，本实验通过孔隙率来表示Al3Ti层内部的孔。孔隙率PP可以通过改变Al3Ti层的密度来反向表示［14］：

图3

图4

式中，V0、V分别是表面体积和绝对密实体积；ρ0、ρ分别是体积密度和Al3Ti密度。

利用有限元技术模拟弹体8000 mAl3Ti层初速冲击密度分别为2.8、3.0、3.2和3.4 gTi/Al3Ti复合靶板/cm3。图4显示了弹体的剩余速度和能量变化。可以看出，当Al3Ti层的密度为2.8 g/cm3持续增加到3.4 g在/cm3时，弹体的剩余速度为403 m/s降低到314 m/s，能量从158 J降低至81 J，两者总体上呈下降趋势。所以，提高Ti/Al3Ti复合材料中的Al3Ti层密度，即在降低孔隙率的情况下，提高了其抗侵性。

根据弹体动能的变化，可以将整个冲击过程分为三个不同的阶段：0,20。］ μ在s阶段，弹体以较高的速度垂直冲击并挤入靶板，动能急剧下降。虽然Al3Ti层的密度(孔隙率)不同，但弹体的能量曲线几乎重叠，呈现出类似的线性消耗。说明在这个阶段，弹体的能量损耗几乎不受Al3Ti层密度变化的影响；在(20,30)］ μ当Al3Ti层密度为3.4时， g在/cm3时，子弹的剩余能量至少可以看出，由于Al3Ti层密度的增加，弹体能量的损失增加。由于片层复合材料中的Ti层在侵入过程中始终保持不变，可以认为弹体因Al3Ti密度增加而损失的能量被吸收并转化为Al3Ti层能量；30 μS之后，由于子弹已经完全通过靶板，在这个阶段，子弹的能量几乎和前一阶段的最终能量一样，并且保持恒定。

在弹体持续侵入靶板的过程中，两者之间发生了摩擦、故障、热传递等复杂的相互作用。当Al3Ti层密度增加时，靶板的整体密度也会增加，结合被侵入靶板同时Y角度的应力分布云图(如图5所示)，从而增加其刚度。在弹体与靶板接触的过程中，弹体受到的压力更大，破坏程度更严重。而且靶板受损水平逐渐下降，这进一步证明了Ti/Al3Ti复合材料在孔隙率较低时具有较强的抗冲击性。

图5

2.3 裂缝会影响Ti/Al3Ti复合材料的抗侵入性能。

基于裂缝密度公式，在Al3Ti层建立裂缝模型。［15］：

公式中，Cr为裂纹密度，即单位长度内裂纹条数；C为裂纹总数；l是整个靶板的长度。

因为在子弹攻击靶板的过程中，靶板的功能范围约为弹径的10倍，为了简化整体模型，便于稳定计算攻击过程，只在这个功能范围内建立裂缝。此外，从图3b可以看出，隧道裂缝在层与层之间交错分布。因此，在模拟过程中，Al3Ti层中的间隙相互交错，并横向分布在各层之间，每层之间的纵向裂缝密度为0。、1、二、四种叠层复合材料靶板有限元模型，如图6所示。

图6

图7显示了子弹和Al3Ti层能量变化的趋势，当弹体侵入不同的裂缝密度靶板时。在弹体与靶板相互挤压碰撞的复杂相互作用下，当Ti/Al3Ti复合靶板的裂缝密度增加时，弹体最终剩余的能量由57 J增加至200 J，从222中吸收Al3Ti层的能量 J减少至15 J，可以看出，随着裂缝密度的增加，靶板的抗侵性能下降。由于裂缝密度逐渐增大，Al3Ti层在吸收更多能量的同时，由承受压应力转化为承受拉应力，因此在20岁。 ~30 μ随着裂纹的增加，s内Al3Ti层吸收的总能量增加。在30 μS后吸收更多能量的Al3Ti层的应力更容易达到临界应力，从而导致无效变形，从而快速失去吸收的能量，最终导致靶板损坏，降低抗侵性。由于Ti/Al3Ti层复合材料主要依靠Al3Ti层的高硬度和高抗压强度来抵抗弹体的冲击，而目标板中的裂纹全部贯穿于Al3Ti层，从而导致目标板整体强度降低，抗侵入性降低。

图7

图8显示了从弹体入侵到20的进行。 μTi/Al3Ti靶板不同裂纹密度的应力场布局图。可以看出，裂缝的出现影响了当弹体侵入靶板时靶板中应力波的传播。当靶板的裂缝密度增加时，靶板内部产生的应力扩散区域逐渐减小，最终失效损坏的范围减小。另外，由于高韧性挤压，侵入无裂纹靶板的子弹头部分出现了较大程度的压缩变形，而含有裂纹的子弹失效程度较低，这进一步反映了裂纹的出现，使Ti/Al3Ti靶板的抗侵入性能显著降低。