铝合金材料在装甲中的应用

前言：高比强度的有色合金，如铝、镁和钛合金，被认为是国防军工领域钢材的可能替代品。在这些合金中，镁具有自爆性，钛较为昂贵，铝最有可能取代钢，铝及其合金的应用也被认为是国防领域的一种适当的替代品，特别是在保持与常规装甲级钢相同的标准的同时，提高战斗车辆的机动性。

表1 铝合金装甲材料的发展

过去大多数研究都局限于铝或其合金，而目前也出现了以铝合金作为基材开发新型复合材料的时代，以解决主要限制，即摩擦学性能。将碳化硅、过渡金属碳化物和铝氧化物等陶瓷碳化物结合，采用基于熔合路线的高能激光熔融处理、高能电子束辐照和热喷涂等表面改性技术制备表面复合材料。

图1 表面搅拌摩擦焊加工碳化硼增强AA7075铝合金表面的SEM照片

2016年，I.SUDHAKAR等人就通过搅拌摩擦焊加工碳化硼增强AA7075铝合金，在搅拌摩擦加工过程中，加入碳化硼颗粒可显著提高基体的硬度。旋转刀具的搅拌作用导致碳化硼的机械破裂，产生大量的高角度边界。这些高角度的边界阻碍了位错的自由运动，提高了强度和硬度。碳化物颗粒在AA7075铝合金基体中的分散抑制了位错的自由运动，提高了复合材料的表面硬度。

图2 表面添加碳化硼复合材料与基材AA7075铝合金的硬度值

图3 多层泡沫铝结构的装甲层

铝合金由于其重量轻、强度大和耐用性而被广泛用于军用车辆。在军用车辆中使用铝合金可以显着减轻车辆的重量，从而提高机动性和燃油效率。铝合金还具有很强的耐腐蚀性，这使它们成为在恶劣环境中运行的军用车辆的理想材料。2011年，Huang J等人就开发了多层结构的装甲层材料，其中采用了大量的Alulight美国泡沫金属材料用于骨化装甲防护材料体系的设计。

图4 弹道射击实验示意图和实验后的金属基复合材料

在军用车辆中使用铝合金的最显著优势之一是它们能够轻松塑造成复杂的设计。这种特性使它们成为装甲车辆的理想材料，装甲车辆需要复杂的形状和设计来提供最大程度的保护。铝合金还具有很强的抗弹道冲击能力，这使它们成为军用车辆装甲镀层的理想材料。传统上，军用车辆一般由钢和复合装甲保护。这是因为不仅要考虑结构的弹道性能，而且还要考虑重量。因此，新的候选材料之一可能是金属基复合材料(MMCs)。MMCs通常由低密度金属组成，例如铝或镁，用碳化硅等陶瓷材料颗粒增强。与单片金属相比，MMCs可提供优异的材料性能，如比强度、工作温度、耐磨性。2017年，Minhyung Lee等人就开发了Al7075基体和B4C增强的复合材料(体积分数为45%的B4C)。

图5 英国勇士坦克变种有(右)和没有(左)appliqué装甲系统

而基于铝合金开发的轻型装甲在各国都有实际应用，其中英国勇士坦克所有24个负重轮都是由基于7039的新型挤压铸造合金制造的。用于制造M113装甲外壳的主要铝合金是为5083，经过一定的成分优化和轧制工艺后的合金变体具有优异的延展性，成形性和良好的耐腐蚀性，还具有良好的焊接性能，5083合金至今仍被用于所有其他铝装甲合金的基准。

图6 美国M113装甲运兵车

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作者：高川