由金属陶瓷熔覆层－金属组成的复合装甲板的制备方法技术

一种由金属陶瓷熔覆层－金属组成的复合装甲板的制备方法，属于表面工程技术领域。制备工艺包括：制备金属陶瓷熔覆层的粉末材料，制备粉芯焊丝，制备具有金属陶瓷熔覆层的复合装甲板。优点在于，可使用工作电流为２００－４００Ａ的钨极直流等离子弧设备进行熔覆，通过重复熔覆，可使复合装甲板上金属陶瓷熔覆层厚度达５－１２ｍｍ，熔覆层由低陶瓷相含量顶层、高陶瓷相含量底层和与基体结合面处的陶瓷扩散层组成。并且，制备工艺比较简单、工艺参数易于控制，成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于表面工程
，特别涉及一种由金属陶瓷熔覆层-金属组成的复合 装甲板的制备方法。
技术介绍
装甲防护是指舰船、坦克、装甲车辆等为抵御各种战术武器攻击而设置的板材结 构，装甲材料主要有金属、聚合物复合材料、陶瓷材料和反应装甲等。碳钢是一种较 廉价的金属装甲，其缺点是密度大、抗压强度显著低于陶瓷材料，大量使用金属装甲 还会增加舰船、坦克、装甲车辆的自重。陶瓷材料由于具有高抗压强度、低密度等优良特性，已应用于各种装甲防护结构 中。虽然陶瓷类装甲材料有良好的抗破甲能力，但它的致命缺点是韧性较差，难以独 立作为装甲防护材料。为了解决这一问题，人们开发了陶瓷与金属组合的复合装甲， 该复合装甲利用Al203、 B4C 、 Si3N4、 SiC等类陶瓷做面板，具有良好韧性的金属或纤维 复合材料做背板，陶瓷-金属之间常用胶粘剂粘接。这种结构利用陶瓷材料的高硬度、 高弹性模量来满足装甲要求的抗侵彻能力，利用金属或纤维复合材料的韧性及延展性 来满足装甲要求的抗冲击能力和抗崩落能力。但这种简单的层叠复合结构复合装甲在 抗弹性能方面仍表现出了明显的不足，其缺点主要如下在陶瓷-金属结合面处存在较 大波阻抗差，使入射的压力波在结合面处主要分解为纵向的透射波、反射波以及横向 的剪切应力；纵向反射波以及横向的剪切应力不仅导致陶瓷面板的进一步碎裂，而且 导致在复合装甲面板和背板的粘接处会出现较大区域的明显开裂，使复合装甲在更大 面积区域内失去继续抗弹的能力，从而严重影响陶瓷-金属复合装甲的抗多发弹能力。金属陶瓷是由一种或几种陶瓷相与金属相或合金所组成的复合材料，陶瓷相的体 积分数一般为15%-85%。与陶瓷材料相比，金属陶瓷既具金属的韧性、高导热性和良 好的热稳定性等优点，又具陶瓷的高抗压强度、耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性。通 过改变金属陶瓷中陶瓷相的体积分数，可得到所需的强度和韧性。因此，金属陶瓷在 装甲结构中具有广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种由金属陶瓷熔覆层-金属组成的复合装甲板的制备方 法，解决了陶瓷-金属复合装甲抗多发弹能力差等技术难题。在这种复合装甲材料中， 一面是陶瓷体积分数沿厚度方向连续变化的金属陶瓷熔 覆层，另一面是金属背板，金属陶瓷熔覆层与金属背板为冶金结合。该金属陶瓷熔覆 层由韧性良好的低陶瓷相含量顶层、高陶瓷相含量底层和与基体结合面处的陶瓷扩散 层组成。由于各组分材料的体积分数在空间位置上是连续变化、金属陶瓷熔覆层与金属背板为冶金结合，使复合装甲的物理、力学性能没有突变，从而有效解决传统陶瓷-金属复合装甲在结合面处存在较大波阻抗差、面板和背板的粘接处开裂等问题。低陶瓷相含量顶层、金属背板的作用是使高陶瓷相含量底层在正面、背面均受到 韧性良好材料的约束。当复合装甲板受到弹丸撞击时，由于高陶瓷相含量底层的变 形受到约束，高陶瓷相含量底层即便产生大量裂纹也不会崩落，从而达到更有效吸收 弹丸能量、增加弹丸驻留时间的目的。基于上述原理，本专利技术的复合装甲具有抗多发 弹能力。1、 制备金属陶瓷熔覆层的粉末材料(1) 选用钛粉、钼粉、铬粉、铜粉、石墨碳粉、碳化钒粉、碳化铌粉作为混合粉 末的原料。混合粉末组分的质量分数为钼粉(粒度200-300目，纯度》99.5%): 2_5%， 铬粉(粒度100-300目，纯度》99. 5%): 1-6%，铜粉(粒度100-300目，纯度》99. 5%): 1-2%,石墨碳粉(纯度》99. 5%): 12-16. 6%，碳化钒粉(粒度200-300目,纯度》99. 5%): 6-12%,碳化铌粉(200-300目，纯度》99. 5%): 5-8%,钛粉(粒度100-200目，纯度> 99.5%):余量，配成混合粉末。混合粉末中，钛与碳原子比为l: (0.7-1)范围。(2) 将混合粉末在干燥箱中干燥3-6小时，干燥温度为100-120'C，将干燥后的 混合粉末放入行星式球磨机中混料4-6小时，形成成分均匀的混合粉末。2、 制备粉芯焊丝(1) 制备高粉末含量的粉芯焊丝。选用镍箔或铁箔作为外皮包裹步骤1所述混合 粉末形成粉芯焊丝，所述粉芯焊丝外皮所用镍箔或铁箔的纯度在99.5-99.8%范围，厚 度在60-150um范围，宽度在20-40咖范围、长度为120-300mra。可采用手工包料的方 法或制备粉芯焊丝的专用设备制备上述粉芯焊丝。混合粉末在粉芯焊丝中所占的质量 分数为70-82%，粉芯焊丝单位长度重量为3-5g/cm。(2) 制备低粉末含量的粉芯焊丝。选用镍带或铁带作为外皮包裹上述混合粉末形 成粉芯焊丝，镍带或铁带的纯度在99.5-99.8%范围、厚度为300-1000 um、宽度为 8-20mm、长度》10咖。利用轧制机械装置将镍带或铁带轧制成具有U形槽状带，再向U 形槽中加入本专利技术所述混合粉末，混合粉末在粉芯焊丝中所占的质量分数为25-40%; 将U形槽合口，并利用拉丝模具使混合粉末被包裹在镍带或铁带中，得到低粉末含量、 且近似圆形截面的粉芯焊丝，该粉芯焊丝的直径为3-6mm。将该工艺生产的长粉芯焊丝 裁剪成长度为120-300mm的短粉芯焊丝。3、 制备具有金属陶瓷熔覆层的复合装甲板利用步骤2所述的高粉末含量粉芯焊丝、低粉末含量粉芯焊丝，采用等离子弧熔 覆工艺在金属板上制备金属陶瓷熔覆层。所述金属板材料为碳钢、低合金钢或钛合金 等，金属板厚度为10-50mra、长度为80-200mm、宽度为80-200咖。熔覆工艺所选用等离子弧焊机的最大电流为400A。实施熔 工艺时，需将等离子 弧焊枪固定在摆动器上，摆动器固定在可调速、作直线运动的小车上，小车轨道置于 熔覆工作台钢板上。小车运动速度为2-5mm/s，摆动器参数为频率0. 3-0. 8次/s、摆 幅±2-4mm。粉芯焊丝熔覆的原理如下粉芯焊丝头部始终处于等离子弧焊枪与金属板之间所 形成的等离子弧柱区域，等离子弧使粉芯焊丝头部区域的材料被加热后达到熔点及以 上温度，且Ti与C发生强放热反应原位生成TiC颗粒；TiC、 NbC、 VC及粘结相合金 形成熔滴，在重力作用下沉积于熔融的基体材料表面，形成与基体达到冶金结合的熔 覆层。熔覆层冷却后，NbC、 VC固熔于TiC而形成复相陶瓷。随着等离子弧的连续移 动，上述熔滴不断沉积于基体表面，形成连续的单道熔覆层，单道熔覆层厚度为2-3mm; 通过相邻搭接熔覆法，可在基体上形成相邻搭接的熔覆层。熔覆工艺步骤如下1) 制备高陶瓷相含量底层(1) 利用电动钢丝刷将待熔覆表面作除锈、除油处理，将待熔覆金属板置于熔覆 工作台钢板上(钢板面积》0.5m2、厚度为20-30mm);为防止金属板在熔覆过程中发生 热塑性变形，将金属板四角点焊在熔覆工作台钢板上。选用步骤2所述的高粉末含量 的粉芯焊丝(混合粉末在粉芯焊丝中所占的质量分数为70-82%)制备高陶瓷含量底层。(2) 自靠近金属板的边缘处(与金属板边缘的水平距离为3-4mm)开始制备高陶 瓷相含量底层。启动小车和摆动器后，打开等离子弧焊枪电流开关,使焊枪与工件表面 形成等离子转移弧，采用自动或手动送丝方法，使等离子弧快速熔化步骤2所述的高 粉末含量粉芯焊丝，从而制备出第一道高陶瓷相含量底层。实施熔覆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由金属陶瓷熔覆层－金属组成的复合装甲板的制备方法，其特征在于，工艺步骤为：　　　　（１）制备金属陶瓷熔覆层的粉末材料　　　　选用钛粉、钼粉、铬粉、铜粉、石墨碳粉、碳化钒粉、碳化铌粉作为混合粉末的原料；混合粉末组分的质量分数为：钼粉：２－５％，铬粉：１－６％，铜粉：１－２％，石墨碳粉：１２－１６．６％，碳化钒粉：６－１２％，碳化铌粉：５－８％，钛粉：余量；配成混合粉末，混合粉末中钛与碳原子比为１∶（０．７－１）范围；　　　　将混合粉末在干燥箱中干燥３－６小时，干燥温度为１００－１２０℃，将干燥后的混合粉末放入行星式球磨机中混料４－６小时，形成成分均匀的混合粉末；　　　　（２）制备粉芯焊丝　　　　制备高粉末含量的粉芯焊丝：选用镍箔或铁箔作为外皮包裹步骤（１）所述的混合粉末形成粉芯焊丝，混合粉末在粉芯焊丝中所占的质量分数为７０－８２％；制备低粉末含量的粉芯焊丝：选用镍带或铁带作为外皮包裹步骤（１）所述的混合粉末形成粉芯焊丝，混合粉末在粉芯焊丝中所占的质量分数为２５－４０％；（３）制备具有金属陶瓷熔覆层的复合装甲板　　　　利用步骤（２）所述的高粉末含量粉芯焊丝、低粉末含量粉芯焊丝，采用等离子弧熔覆工艺在金属板上制备金属陶瓷熔覆层；所述金属板材料为碳钢、低合金钢或钛合金，金属板厚度为１０－５０ｍｍ、长度为８０－２００ｍｍ、宽度为８０－２００ｍｍ；　　　　实施熔覆工艺时，需将等离子弧焊枪固定在摆动器上，摆动器固定在可调速、作直线运动的小车上，小车轨道置于熔覆工作台钢板上。小车运动速度为２－５ｍｍ／ｓ，摆动器参数为：频率０．３－０．８次／ｓ、摆幅±２－４ｍｍ；...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宗德，
申请(专利权)人：华北电力大学，北京华电纳鑫科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]