Алюминиевые броневые сплавы в экстремальных условиях использования

В настоящее время глобальная ресурсно-стратегическая ситуация мирового развития складывается в пользу постоянного роста значимости арктического региона России. Здесь имеются ввиду значительные возможности как уже разведанных, так и вновь открываемых ресурсов как шельфовой, так и морской добычи углеводородного газового и нефтяного сырья, наличие полезных ископаемых и больших природных ресурсов, а также возможности их упрощённой транспортировки по СевМорПути.  Названная ситуация усугубляется также климатическими изменениями и, в  частности, мировым потеплением и соответствующей активизацией роли упомянутого СевМорПути как важнейшего коммуникационного торгового канала в схеме Европа — Север — Дальний Восток.

В упомянутых обстоятельствах арктические территории России нуждаются как в чёткой граничной нотификации, так и в обеспечении их нормального обустройства и функционирования и, конечно, в их военной защите. И здесь, при всей кажущейся парадоксальности, среди всех известных броневых материалов и прежде всего бронесталей особого внимания заслуживает относительный новичок бронетехники — алюминиевая броня.  Для начала обозначим реальные области возможного применения алюминиевой брони. Это наземные военно-транспортные машины и судовые корпусные и надпалубные бронеконструкции.

К броне военной техники как таковой предъявляется достаточно большое множество требований. Одни из основных при этом — это бронестойкость, живучесть, конструктивная применимость (жёсткость, свариваемость, коррозионная стойкость и т.п.). Для большинства материаловедов проблема, решаемая в настоящей работе, представляется достаточно новой. Это находит своё объяснение в двух обстоятельствах: во-первых, в закрытости тематики, и, во-вторых, в недостаточной информированности по эффективности применения алюминиевой брони взамен исторически традиционной стальной брони.

Вопрос освоения северных приполярных территорий России и возможности строительства «Северного широтного хода» получил свою глубокую проработку с момента основания в 1845 году — Российского Географического общества — РГО. Во главе его стояли представители Российского императорского дома — выдающиеся учёные и видные государственные деятели. Общество внесло значительный вклад в изучение севера Европейской части, Урала, Сибири, Дальнего Востока.

РГО — одно из старейших географических обществ мира, объединяет специалистов в области этнографии, географии, геологии, гидрологии, сейсмологии, гляциологии, в том числе представителей Министерства российских железных дорог, Судостроительной промышленности и Министерства обороны страны. В настоящее время РГО возглавляет министр обороны страны Шойгу Сергей Кожугетович, что особо подчёркивает значение этого региона в развитии и защите нашего Отечества в свете всё нарастающей угрозы со стороны наших потенциальных противников.

Однако, вернёмся в основное русло нашей работы и продолжим его изложение в соответствии с заявленным в ранее опубликованным, в первой части статьи, планом.

Итак, предмет текущего рассмотрения — порошковая технологичность в свете противоминной стойкости. Напомним читателю принятые параметры оценки, первые шесть из которых были рассмотрены в предыдущем номере журнала.

Параметры материаловедческой и технологической оценки алюминия и его сплавов

1. Сырьевая природная доступность;
2. Весовая эффективность;
3. Особенности, преимущества, достоинства разработки (композиционирования) сплавов на основе алюминия;
4. Производственная технологичность;
5. Структурная управляемость;
6. Свариваемость;
7. Порошковая технологичность, в свете противоминной стойкости;
8. Коррозионная стойкость;
9. Хладостойкость;
10. Антимагнитность;
11. Тепломаскируемость;
12. Глубоководность;
13. Радиопрозрачность.

Порошковая технологичность, в свете противоминной стойкости

Пеноалюминий — сравнительно новый материал, получаемый различными способами из жидкой и порошковой масс алюминия и его сплавов. Удельный вес пеноалюминия может колебаться от 0,1 до 0,5 веса монолитного алюминия. В качестве порообразователя применяются гидриды Ti, Zr, Ba, Li или так называемые металлогидриды. Эти вещества в количестве до 10% вводят в жидкий расплав путём постоянного примешивания и после порообразования массу охлаждают до затвердевания. Существуют также приёмы порообразования путём продувки кислородом.

Различают пеноалюминий с открытыми и закрытыми порами. Первый может быть рассмотрен как своеобразный фильтр, последний как губчатый алюминий. Пеноалюминий в форме губчатого алюминия представляет собой материал способный, за счёт пластической деформации, поглощать энергию удара. Так, при пластической деформации порядка 50%, пеноалюминий в состоянии поглощать от 1000 до 4000 кгм/дм, что представляет значительный интерес для защиты наземных транспортных средств от подрыва.

В последнее время имеет место использование пеноалюминия в составе сложных комплексных составных многокомпонентных систем бронезащиты, включающих сталь, керамику и алюминиевую броню, где пеноалюминий, выступая в уже названной роли ударопоглотителя, используется в качестве промежуточного слоя, уменьшающего динамический прогиб тыльного слоя и объёмное расслаивание, улучшая структурную жёсткость, баллистические свойства и прочность брони при меньшей плотности защитной структуры.

Один из оптимальных вариантов с внутренним подслоем из пеноалюминия (на рисунке заштрихован) так называемой «интегральной брони» по данным исследовательского центра США DARPA приведен на рис. 1, вариант а).

Прочностные и пластические свойства пены существенно зависят от её плотности, что подтверждается на кривых растяжения-сжатия, подразделяющихся на три области: линейной упругости, деформации и уплотнения (смятия). Первоначальный вид деформации — упругий, благодаря жёсткости стенок ячеек, затем наблюдается пластическая деформация стенок верхних ячеек и напряжение резко падает. На конечном этапе пена постепенно разрушается и сжимается, причём отмечено, что деформация протекает сначала от фронта уплотнения, т.е. от деформированной к недеформированной области образца.  Примерный вид кривой сжатия показан на рис. 2.

Как и любой другой новый материал, пеноалюминий потребовал создания нового методического аппарата по оценке его служебных характеристик, поскольку проводить оценку только на натурных образцах бронетехники  дорого и малоинформативно.

Ударно-волновое воздействие на преграду при минном подрыве является комбинацией сферического растяжения, сферического сдвига и плоского сдвига волновых фронтов. Алюминиевая пена с округлыми водородонаполненными порами увеличивает время нарастания волнового напряжения и задерживает разрушающее воздействие ВВ при подрывах.

При анализе результатов испытаний минным подрывом обычно
оценивается:

Встреченная или так называемая «поверхностная плотность».

Результирующая топография пеноалюминиевых плит (ПАП) (толщина в очаге поражения, моно— или поликратность поражения).

Геометрия лицевых и тыльных пластин-накладок и подкладок с фотофиксацией мишенной ситуации.

Сравнительная оценка защитных характеристик ПАП с различной химией матрицы, пористостью и полученных путём закалки с разным температурным режимом проводится вначале на малом стенде, где выбираются наиболее энергоемкие ПАП, затем эффективность этих плит оценивается на большом стенде, имитирующим реальное днище легкобронированной техники.

Испытания на взрывопоглощение («живучесть» и «стойкость») проводятся в строгом соответствии с «Методикой оценки служебных свойств пеноалюминиевых плит противоминного назначения», разработанной АО «НИИ стали» и ФКП «НИИ Геодезия» (г. Красноармейск).

При использовании так называемой «наземной» схемы подрыва, роль наковальни принимает на себя стальная плита, размещённая на грунте, на поверхности которой устанавливается испытуемый образец. Сверху укладывался маркер из стального листа толщиной 1 мм.

Названная схема является основой оценки живучести подрываемого пеноалюминиевого материала (рис. 3–4).

Критерием живучести является наличие или отсутствие динамического разрушения испытуемого материала (от трещин до полной деструкции), при этом единичные мелкие трещины признаются удовлетворительной характеристикой, а протяжённые раскалывающие трещины и полная деструкция, естественно, считаются признаком низкой живучести.

Второй характеристикой служебных свойств защитного материала является характеристика его стойкости.

Поставленная задача может быть решена через величину реального энергопоглощения при динамическом воздействии с верхней полусферы определённым зарядом ВВ. Задача эта решается через приём базовой тарировки на специальном скамеечном стенде (рис. 5.).

Рассматриваемый приём состоит в использовании специального скамеечного рамного стенда с открытым проёмом. В проём устанавливается стальной тарировочный лист (плита) толщиной 8-15 мм с установочной плоскостью 500х500 мм, который подвергается ряду последовательных подрывов с нарастающей массой ВВ с верхней полусферы на клиренсном (450 мм) удалении до достижения визуально наблюдаемой остаточной пластической деформации с дугой прогиба 10-15 мм. На этом этапе фиксируется масса ВВ, приведшая к подобным результатам, после чего деформируемая плита извлекается из стендового проёма и заменяется аналогичной новой, на которой устанавливается экспериментально исследуемый материал.

Затем следует серия подрывов со стартовым значением массы ВВ, равной массе, приведшей к заданной пластической деформации тарировочной стальной плиты. Испытания продолжаются до момента достижения деформации стальной тарировочной плиты с дугой прогиба, аналогичной полученной в эксперименте подрыва тарировочной плиты. После этого  фиксируется масса ВВ, приведшая к данному результату. Полученная масса ВВ сопоставляется с массой ВВ, приведшей к пластической деформации исходного тарировочного стального листа. Зафиксированная разница представляет собой прямую характеристику энергопоглощения испытуемого образца пеноалюминия. Так, например, согласно нашим экспериментальным данным, использование пеноалюминиевой плиты (40х500х500 мм, плотность
0,7 г/см³) способно увеличить противоминную стойкость на 50% (в 1,5 раза) в соответствии с равновесомым 3 мм стальным листом.

Следующим этапом работ являлась оценка коррелируемости результатов подрыва на большом макете с нижним подрывом (рис. 6) с ранее проведёнными работами на малом стенде с верхним подрывом.

Целью этих испытаний является оценка стойкости днища макета при подрыве безоболочного взрывного устройства.

Фрагмент защиты днища площадью 2000х2000 мм представлял собой бронепреграду из алюминиевой лицевой плиты, пеноалюминия (толщиной 40 мм) и тыльного слоя из алюминиевого сплава. Фрагмент днища устанавливался в специальный стапель (стенд) и закреплялся на стенках стапеля. Заряд ВВ массой 6 кг помещали в деревянный ящик, засыпали слоем песка 80 мм и установили на металлическую плиту толщиной 60 мм. Расстояние от маскировочного слоя песка до закреплённого фрагмента защиты (днища) составило 450 мм.

Результаты подрыва макета днища  приведены на рис. 7–8.

Данные испытания показали, что целостность конструкции фрагмента днища не нарушена (без трещин, расколов, смятий и разрушений), стрела остаточного прогиба незначительна.

Таким образом, можно констатировать, что  разработанные элементы методики испытаний пеноалюминиевых материалов броневого назначения можно использовать для выбора материалов и оценки их противоминных характеристик. Эта методика включает пять основных этапов:

Оценка динамической живучести путём наземного подрыва пеноалюминиевых материалов на стальной платформе.

Тарировочные испытания на лёгком стенде, как качественно-количественная оценка эффективности преград.

Тарировочные испытания на усиленном тяжёлом стенде с проёмом.

Стендовые тензометрические испытания, как метрологическая характеристика эффективности пеноалюминиевых плит.

Укрупнённые испытания на макете днища БТВТ для подтверждения результатов.

Кроме того, результаты проведенных испытаний показали, что в перспективе целесообразно шире использовать пеноалюминий в интегральных схемах бронирования БТВТ ЛКМ.

Вышеизложенное ещё раз подчёркивает роль пеноалюминия как весьма перспективного материала для нужд бронезащиты.

Алюминий даже в виде простейшей защитной структуры — монолитной плиты дает выигрыш по противоминной стойкости до 65%. Это обусловлено жесткостью конструкции  и уникальной противоосколочной стойкостью алюминия.

Однако значительно более высокого эффекта можно достичь, используя высокие пластические свойства алюминиевых сплавов. Так одно из решений, защищенных авторским свидетельством, предлагает использовать специальные алюминивые профили, которые за счет деформации поглощают энергию взрыва.

Поглощение энергии взрыва здесь происходит за счет деформации достаточно толстых U или W образных профилей, обращенных зеркально друг к другу и смещенных на полшага друг относительно друга (см. рис. 10).

Принципиальная схема противоминного днища энергопоглощающими профилями приведена на рис.11.

В отличие от пеноматериалов и сотовых структур, которые сегодня применяются в противоминных защитных структурах, в этой конструкции  энергопоглощение с увеличением деформации увеличивается, что ведёт к увеличению и противоминной стойкости конструкции днища.

Коррозионная стойкость

Анализ коррозионной стойкости алюминиевых сплавов и железа начнём с рассмотрения довольно ёмкой сравнительной таблицы, заимствованной из первого тома классического справочного труда И.В. Кудрявцева «Материалы в машиностроении. Выбор и применение», представляющей оценку влияния свыше тридцати коррозионных сред (см. табл. 1).

Таким образом из 31-ой представленных сред алюминиевые сплавы характеризуются как стойкие в 7 средах, мало реагирующие в 14 средах, плохо реагирующие в 9 средах, и 1 среда (минеральная вода) особо неблагоприятная.

В то время как железо: стойко только в 3-х средах, мало реагирует в 8 средах, плохо реагирует также в 8 средах, и 4 среды отмечаются как особо неблагоприятные.

Как видим, наблюдается абсолютное превосходство коррозионной стойкости алюминиевых сплавов.

При этом дополнительно можно отметить, что алюминиевые броневые сплавы за счёт особенностей химсостава (исключение меди и марганца в составе) и специальной термической обработки (перестаривание) заметно повышают свою коррозионную стойкость.

Понятно, что и стальная броня тоже заметно активизирует борьбу с коррозией.

Здесь особую роль выполняют специальные защитные, маскирующие лакокрасочные покрытия.

В обычной атмосфере наиболее неблагоприятным для коррозии алюминиевых сплавов является контакт их с медью и медными сплавами, с никелем, никелевыми сплавами и никелевыми покрытиями, с серебром.

В условиях погружения в морскую или пресную воду недопустим контакт с медью и медными сплавами, титаном и титановыми сплавами, нержавеющей сталью, никелем и никелевыми покрытиями, оловом и оловянными покрытиями, свинцом, серебром, магнием и магниевыми сплавами. В этих же условиях допустим контакт с алюминиевыми сплавами различного состава, цинком и цинковыми покрытиями, кадмием и кадмиевыми покрытиями.

Защита от коррозии. Алюминиевые сплавы защищают от коррозии металлическими покрытиями (плакирование, гальванические покрытия) и неметаллическими покрытиями (оксидные плёнки, лакокрасочные покрытия, смазки).

Для защитно-декоративных целей, а также для повышения износостойкости используют хромовые или никель-хромовые гальванические покрытия. Применение оксидных плёнок, полученных химическим или электрохимическим методом, является одним из основных способов защиты от коррозии алюминиевых сплавов. Оксидные плёнки обладают также хорошими адгезионными свойствами, и поэтому их применяют как основу при нанесении лакокрасочных покрытий.

Анодные плёнки применяют также в качестве декоративных покрытий. В этом случае их наполняют специальными органическими или неорганическими красителями. Систему или способ защиты с применением различных лакокрасочных покрытий с предварительным оксидированием или без него выбирают применительно к условиям работы данной детали или изделия. Для защиты алюминиевых сплавов при транспортировке и хранении применяют специальные консервационные смазки.

Среда	Алюминий	Алюминиевые сплавы	Железо
Вода (болотная, содержащая углекислоту)	+	+	–
Морская и минеральная вода	+–	+=	–
Водный пар сухой	+	+	+–
Насыщенный водяной пар	+–	+-	+–
Атмосфера большого города	+	+-	=
Чистый, но сырой воздух при 40 °С	+-	+-	=
Азот, сера	+	+
Йод, хром, бром, фтор	–	–	+–
Неорганические кислоты (соляная, серная, фосфорная, кремнивая, сернистая)	–	–	–
Двуокись углерода, доменный газ, дымовые газы	+	+–	–
Водные растворы	–	–	–
Азотная кислота	+–	+–	+–
Водные растворы сульфатов (сульфат алюминия, квасцы железные, цинковые, медные)	–	–	–
Углекислый калий	–	–	–
K2CrO4, K2Cr2O7 — растворы	+	+	+–
Окись цинка и окись хрома	+	+–
Соли ртути	–	–
Аммиак (растворы)	+–	+–
Щелочи	–	–
Цемент, бетон, гипс	+–	+–	+
Нейтральные жиры и масла, углеводороды (сахар, целлюлоза), глицерин, олифа	+	+	+
Бензин, бензол	+	+	+–
Смеси бензина и спирта, бензин низкого качества	–	+–	+–
Мыло, парафин, воск, стеарин, молочная кислота	+	+–
Муравьиная кислота, анилин, чернила	–	–
Нитроглицерин, нафтол, цианистые соединения	+–	+–	+–
Продукты питания вообще	+	+–	+=
Алкоголь, виноградный сахар	+	+
Лимонная кислота, пиво, уксусная кислота, вино	+–	+–	–
Молоко, фруктовый сок, сыр	+	+–	=
Винная кислота	–	–	=
Примечания:. Знак (+) означает хорошее сопротивление металла данному реагенту; знак (–) – плохое; знак (+–) означает слабое действие данного реагента; знак (=) плохую стойкость 2. В графе «Алюминивые сплавы» подразумевается главным образом дуралюмин. Для сравнения в последней графе указана стойкость железа в тех же средах

Хладостойкость

Хладостойкость или прочность и пластичность металлов при низкой температуре, или, иначе говоря, его криогенные характеристики, являются основным ключевым параметром сопоставительной оценки традиционных стальных и алюминиевых броневых материалов.

Многие стальные сплавы, особенно конструкционные, при низких температурах обнаруживают склонность к хрупкому разрушению. Весьма важное свойство многих конструкционных сталей состоит в том, что склонность к хрупкому разрушению они обнаруживают лишь в условиях ударного нагружения с сочетанием низких температур. При этом стартовой температурой является температура, начинающаяся с минус 20-ти градусов Цельсия (см. рис. 12).

Здесь, памятуя климатические особенности Заполярья и наличие в качестве типичных длиннопериодных условий температурные значения до минус 50–70°С, обозначим основную особенность алюминиевой брони — алюминиевая броня, как и все алюминиевые сплавы, не имеет склонности к охрупчиванию при низких температурах (см. таблицы 2-5).  Последнее резко контрастирует с известными данными по охрупчиванию достаточно тонкой (до трёх раз более тонкой при равном с алюминием весе) катаной стальной брони, где, начиная с температуры уже в минус 20 °С, известно понятие — полухрупкости, то есть  на 50% потеря потеря таких важнейших характеристик брони как её бронестойкость и  живучесть.

Детальное рассмотрение представленных таблиц 2–5 позволяет с безусловной определённостью констатировать полное превосходство алюминия и его сплавов, начиная с роста модуля упругости при пониженных температурах (см. рис.13), и заканчивая устойчивым ростом прочности и пластичности всех алюминиевых сплавов, в отличии от обратной тенденции характерной для всех вариантов сталей как конструкционных, так и броневых в условиях их применения в низкотемпературных зонах использования, не говоря о прочих, как нам думается, детально рассмотренных преимуществах алюминия и его сплавов.

Имеющиеся графические формы представления материалов (см. рис. 14) при сопоставлении низкотемпературных характеристик сплавов так называемых дюралюминиевой группы Al-Cu-сплавов с броневыми сплавами системы Al-Zn-Mg свидетельствуют о принципиально важном превосходстве алюминиевых броневых сплавов по характеристикам пластичности d, а значит и «живучести» алюминиевой брони практически в 2–3 раза превосходящую группу дюралей.

Антимагнитность

Характеристика антимагнитности достаточно очевидна в случае использования алюминиевой брони при изготовлении цельноалюминиевых корпусов и башен. Имеющее место в последнее время методика антимагнитной защиты стальной бронетехники специальными покрытиями оставляют вопросы удорожания стоимости эксплуатации боевых машин и ещё раз подтверждает эффективность алюминиевого бронекорпусного производства.

Тепломаскируемость

Тепломаскируемость является одной из важнейших характеристик маскировки боевых машин. В случае алюминиевых бронемашин вопрос может быть решён путём использования в составе материала бронекорпуса специальных теплоизолирующих материалов пеноалюминия с закрытыми газонаполненными порами (см. раздел порошки). При этом побочным эффектом использования пеноалюминия является заметно возрастающая характеристика плавучести объекта защиты.

Глубоководность

Последние 50 лет ознаменовались крупнейшими достижениями в освоении космических глубин вселенной. При этом ещё одна проблема человечества — освоение океанических морских глубин — осталась как бы вне сферы внимания. А между тем эта проблема является одной из стратегических проблем обороноспособности любой приморской страны и может быть сформулирована достаточно просто — борьба за глубину подводного плавания.

Подводный флот серьёзно заявил о себе в начале ХХ века, и его появление явилось определяющим фактором почти полного разгрома трёх эскадр флота и серьёзных человеческих потерь Российской Империи в Русско-японской войне 1904-1905 гг. А ведь Японии понадобилось всего, казалось бы, малый отряд и 12 подводных лодок, чтобы полностью уничтожить мощнейший российский флот: высокопрофессиональный, глубокопатриотичный и, как показали военные действия, воистину беззаветно героический.

Итак, борьба за глубины и проблемы материаловедения, и здесь мы вынуждены обратиться к сравнительному анализу нашей классической материаловедческой триады, описанной в первых разделах нашей публикации (см. раздел 2 «перечня параметров оценки» опубликованные в первой части публикации — сталь-титан-алюминий) и заявить об абсолютном первенстве алюминия в этой триаде по его характеристике жёсткости, зависящей от куба толщины — это делает сплавы алюминия весьма перспективным материалом для создания глубоководных аппаратов.

Экспериментально-теоретические ис­сле­до­вания полностью подтвердили высокий потенциал использования алюминиевых броневых сплавов для объёмно нагружаемых подводных аппаратов с расчётным давлением до 400 атм. (глубин до 4 км). Это достигается за счёт уникальной возможности получения основного нагруженного тела в виде толстостенной, монолитной, трубной заготовки большого диаметра, получаемой методом горячей экструзии — продавливанием через фильеру — технологии, присущей только алюминиевым сплавам, разумеется с использованием мощных прессов. Названные основные толстостенные элементы сочетались с кольцевыми полусферами той же толщины, получаемые штамповкой и кованными (или раскатными) соединительными монтажными кольцами.

Предложенное решение может представлять интерес для подводных глубоководных аппаратов слежения, аппаратов беспилотного типа, обретающих в последнее время всё возрастающую популярность в разработке подводных аппаратов.

Радиопрозрачность

Радиопрозрачность — прохождение радиоволн через анализируемый объект защиты без ограничений с малыми потерями. У алюминиевых корпусов заметно возрастает с использованием пеноалюминиевых материалов с замкнутыми порами. Вспененный материал характеризуется как высокоэффективная защита от электромагнитных волн, наряду с уже упоминавшимися теплоизолирующими и звукопоглощающими свойствами, что приводит материаловедов к разработке «сандвич структур» с использованием пеноалюминия — это резко отличает радиопрозрачность алюминиевых бронекорпусов от стальных и служит благоприятным элементом маскируемости.

Возвращаясь к эпиграфу, представленному в начале настоящей публикации, содержащему буквально провидческую формулу  М.В. Ломоносова, авторы публикации считают своим вполне обоснованным правом на её дополнение до следующей развёрнутой формулировки:

«Российское могущество прирастать будет Сибирью и Северным океаном и их защиту обеспечит Российская Алюминиевая броня» на чём собственно и завершить настоящую публикацию.

А.А. Арцруни к.т.н.,
А.А. Зажилов,
Р.И. Юнацкевич, к.т.н.
АО «НИИ стали», г. Москва, Россия.