[发明专利]高硬度、高韧性铁基合金和其制备方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2007年8月1日提交的同时待审的 美国临时专利申请序列号60/953,269的优先权。

背景技术

技术领域

本发明涉及硬度大于550HBN且在标准弹道测试显示相当大的和出人 意料的抗穿透性的铁基合金，且涉及包括该合金的装甲和其它制品。本发明 进一步涉及加工某些铁基合金的方法以改善抗弹道(ballistic)穿透性。

背景技术的描述

通常设置装甲板(armor plate)、装甲片(armor sheet)和装甲棒(armor bar) 以保护构造物对抗猛烈发射的射弹(projectile)。尽管装甲板、装甲片和装甲 棒通常在军事领域作为保护其中的人员和财产的手段使用，例如，车辆和 机械军备，但这些产品也具有各种民用用途。这些用途包括，例如，用于装 甲的民用车辆的护罩和防护爆炸特性的外壳。装甲由多种材料制成，包括 例如，聚合物、陶瓷和金属合金。因为装甲经常安装在移动制品上，装甲重 量通常为重要因素。而且，制备装甲的费用会是巨大的，且因此特别与引进 的装甲合金、陶瓷和专用聚合物相关。因此，需要提供较低成本且能有效代 替现有装甲的替代物，且不显著增加获得所需弹道性能(抗穿透性)水平所 需的装甲重量。

而且，面对不断增长的反装甲威胁，美国军队多年以来一直增加坦克和 其它战斗用车辆使用的装甲量，导致车辆重量的明显增加。继续这种趋势将 会严重不利地影响运输性，方便的通过桥(portable bridge-crossing)的能力， 以及装甲战车的机动性。在过去十年美国军队采取了一种策略以能够非常迅 速地动员其战车和其它装甲资产至世界上任何需要的区域。因此，对增加的 战车重量的关心已占据非常重要的位置。因此，美国军队已研究了众多可能 的替代品，重量较轻的装甲材料，如某些钛合金，陶瓷，和混合瓷砖/聚合物- 基质复合物(PMCs)。

普通钛合金装甲的实例包括Ti-6Al-4V，Ti-6Al-4V ELI和 Ti-4Al-2.5V-Fe-O。钛合金相对较常规轧制的均匀钢装甲提供许多优点。钛 合金相比轧制的均匀钢和铝合金对宽范围的弹道威胁具有高质量功效，且还 提供有利的抗多重攻击(multi-hit)弹道穿透性的能力。钛合金还显示通常较高 的强度对重量比例，以及相当强的耐腐蚀性，通常导致较低的资产维护费 用。钛合金可以现有的制造设备方便制造，且钛碎屑和碾磨返料可被再熔化 且以工业规模再循环。尽管这样，钛合金确实具有缺点。例如，通常需要防 剥落衬层，且与从材料制备钛装甲板和制备产物相关的成本(例如，切削加 工和焊接成本)比轧制的均匀钢装甲明显高。

尽管PMCs提供一些优点(例如，面对化学威胁不脱落，消音操作环境， 和对抗球体和碎片弹道威胁的高质量功效)，它们也具有许多缺点。例如，制 造PMC组件的成本比从轧制的均匀钢或钛合金制造组件的成本高，且PMCs 不能由现有的制备设备方便制备。而且，PMC材料的非破坏性测试可能不会 像合金装甲的测试一样先进。而且，PMCs的抗多击弹道穿透性的能力和自 动承载能力可受结构变化而不利影响，该结构变化是由于初始射弹袭击产生 的。此外，对PMC装甲覆盖的战车内的人会有炮火和烟雾危害，且PMC商 业制造和再循环能力还未良好建立。

当选择装甲材料时，金属合金经常是选择的材料。金属合金提供相当 大的多击保护，通常相对引进的陶瓷、聚合物和复合物是便宜制备的，且可 易于制造为用于装甲战车和移动军备系统的组件。通常认为在装甲应用中 使用具有非常高硬度的材料是有利的，因为当碰撞较高硬度的材料时射弹 更易于破碎。装甲应用中使用的某些金属合金可易于加工成高硬度，其通 常通过从非常高的温度淬火该合金实现。

因为轧制的均匀钢合金通常比钛合金便宜，实质性努力已集中于修改 现有装甲应用中使用的轧制的均匀钢的组成和加工，因为即使弹道性能的 增加改善也是显著的。例如，改善的弹道威胁性能可使得允许减少装甲覆盖 厚度而不损失功能，从而降低装甲系统的总重量。因为高系统重量是金属合 金系统相对例如，聚合物和陶瓷装甲的主要缺点，改善弹道威胁性能可使 得合金装甲相对引进的装甲系统更有竞争性。