Випуски $\rightarrow$ Том 24, випуск 4 (2023)

Новий підхід до виготовлення металоматричних композитів Ti–6Al–4V+40%TiC 3D-друком із використанням конічного електронного променя та порошкового дроту. Ч. 2: Багатошарові матеріяли MMК/стопи, їхні основні характеристики та можливе застосування як балістично стійких матеріялів

П. Є. Марковський$^{1}$, Д. В. Ковальчук$^{2}$, Я. Янішевський$^{3}$, Б. Фікус$^{3}$, Д. Г. Саввакін$^{1}$, О. О. Стасюк$^{1}$, Д. В. Оришич$^{1}$, М. А. Скорик$^{1}$, В. І. Невмержицький$^{2}$, В. І. Бондарчук$^{1}$

$^1$Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна
$^2$ПрАТ НВО «Червона хвиля», вул. Дубровицька, 28, 04114 Київ, Україна
$^3$Військовий технологічний університет імені Генерала Ярослава Домбровського, вул. Генерала Сильвестра Каліського, 2, 00-908, Варшава, Польща

Отримано 21.09.2023; остаточна версія — 31.10.2023 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Двошарові зразки, що складалися з твердого верхнього шару металоматричного композиту та пластичної 10 мм-пластини Ti–6Al–4V, було виготовлено за допомогою методу 3D-друку конічним електронним променем з використанням спеціяльно підготовленого порошкового дроту. Це дало змогу сформувати твердий верхній шар композиту (ММК), який складається з металевої матриці (Ti–6Al–4V), армованої дрібними частинками TiC розміром до 4 мкм. Балістичні випробування, проведені з боєприпасами 7,62×51, показали високу балістичну стійкість цієї захисної конструкції, яку не було перфоровано. Лише незначне проникнення та часткові руйнування відбулися виключно в поверхневому шарі MMК. Ані на межі з металом основи, ні всередині пластини Ti–6Al–4V не виявлено слідів пластичної деформації, що свідчить про те, що всю енергію удару кулі було поглинуто шаром ММК. На підставі досліджень тонкої структури та текстури межі поділу між шарами було зроблено обґрунтоване припущення, що хвилеподібна геометрія межі між ними забезпечує додаткове відхилення та розсіяння хвиль, що виникають під час удару. Через порівняння результатів балістичних випробувань різних металевих матеріялів було зроблено висновок, що 3D-друкований двошаровий матеріял, який складається з верхнього шару Ti–6Al–4V + 40% TiC і базового шару Ti–6Al–4V, має незаперечну балістичну перевагу під час тестування набоями цього типу.

Ключові слова: адитивне виробництво, 3D-друк, титанові стопи, металоматричний композит, мікроструктура, текстура, балістичні характеристики.

DOI: https://doi.org/10.15407/ufm.24.04.741

Citation: P. E. Markovsky, D. V. Kovalchuk, J. Janiszewski, B. Fikus, D. G. Savvakin, O. O. Stasiuk, D. V. Oryshych, M. A. Skoryk, V. I. Nevmerzhytskyi, and V. I. Bondarchuk, New Approach for Manufacturing Ti–6Al–4V+40%TiC Metal-Matrix Composites by 3D Printing Using Conic Electron Beam and Cored Wire. Pt. 2: Layered MMC/Alloy Materials, Their Main Characteristics, and Possible Application as Ballistic Resistant Materials, Progress in Physics of Metals, 24, No. 4: 741–763 (2023)

Цитована література   
  1. L.E. Murr, Metallogr. Microstruct. Anal., 7, No. 2: 103–132 (2018); https://doi.org/10.1007/s13632-018-0433-6
  2. N. Li, S. Huang, G. Zhang, R. Qin, W. Liu, H. Xiong, G. Shi, and J. Blackburn, J. Mater. Sci. & Technol. 35, No. 2: 242–269 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jmst.2018.09.002
  3. A. Bandyopadhyay and B. Heer, Mater. Sci. Eng., 129: 1–16 (2018); https://doi.org/10.1016/j.mser.2018.04.001
  4. K. Markandan, R. Lim, P. Kumar Kanaujia, I. Seetoh, M.R. bin Mohd Rosdi, Z.H. Tey, J.S. Goh, Y.C. Lam, and C. Lai, J. Mater. Sci. & Technol., 47: 243–252 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.12.016
  5. S. Liu and Y.C. Shin, Mater. & Des., 164: 107552 (2019); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.107552
  6. A.R. Balachandramurthi, J. Olsson, J. Ålgårdh, A. Snis, J. Moverare, and R. Pederson, Results Mater., 1, 100017 (2019); https://doi.org/10.1016/j.rinma.2019.100017
  7. D.V. Kovalchuk, V.I. Melnik, I.V. Melnik, and B.A. Tugaj, Automatic Welding, 2017, No. 12: 26–33 (2017); https://doi.org/10.15407/as2017.12.03
  8. D. Kovalchuk, and O. Ivasishin, Profile Electron Beam 3D Metal Printing, Additive Manufacturing for the Aerospace Industry (Elsevier: 2019), p. 213–233; https://doi.org/10.1016/b978-0-12-814062-8.00012-1
  9. M.O. Vasylyev, B.M. Mordyuk, and S.M. Voloshko, Prog. Phys. Met., 24, No. 1: 5–37 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.005
  10. M.O. Vasylyev, B.M. Mordyuk, and S.M. Voloshko, Prog. Phys. Met., 24, No. 1: 38–74 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.038
  11. A.V. Zavdoveev, T. Baudin, D.G. Mohan, D.L. Pakula, D.V. Vedel, and M.A. Skoryk, Prog. Phys. Met., 24, No. 3: 561–592 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.03.561
  12. D. Kovalchuk, O. Ivasishin and D. Savvakin, MATEC Web Conf., 321: 03014 (2020); https://doi.org/10.1051/matecconf/202032103014
  13. D. Kovalchuk, V. Melnyk, I. Melnyk, D. Savvakin, O. Dekhtyar, O. Stasiuk, and P. Markovsky, J. Mater. Eng. Perform 30, No. 7: 5307–5322: (2021); https://doi.org/10.1007/s11665-021-05770-9
  14. D. Kovalchuk, V. Melnyk, and I. Melnyk, J. Mater. Eng. Perform., 31, No. 8: 6069–6082 (2022); https://doi.org/10.1007/s11665-022-06994-z
  15. P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, S.H. Sedov, V.A. Golub, D.V. Kovalchuk, and S.V. Prikhodko, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 43, No. 12: 1573–1588 (2021); https://doi.org/10.15407/mfint.43.12.1573
  16. P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, O.M. Ivasishin, V.I. Bondarchuk, and S.V. Prikhodko, J. Mater. Eng. Perform., 28, No. 9: 5772–5792 (2019); https://doi.org/10.1007/s11665-019-04263-0
  17. P.E. Markovsky, O.M. Ivasishin, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, V.I. Bondarchuk, D.V. Oryshych, D.V. Kovalchuk, S.H. Sedov, V.A. Golub, and V.V. Buznytskyi, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 44, No. 10: 1361–1375 (2022); https://doi.org/10.15407/mfint.44.10.1361
  18. O.M. Ivasishin and V.S. Moxson, Low-Cost Titanium Hydride Powder Metallurgy, Titanium Powder Metallurgy: Past, Present and Future (New York: Elsevier: 2015), p. 117–148; https://doi.org/10.1016/B978-0-12-800054-0.00008-3
  19. O.M. Ivasishin, P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, M.N. Rad, and S.V. Prikhodko, J. Mater. Process. Technol., 269: 172–181 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.02.006
  20. P. Markovsky, J. Janiszewski, D. Savvakin, O. Stasiuk, B. Fikus, V. Samarov, and S. Prikhodko, Materials (2023) (in press).
  21. P.E. Markovsky, D.V. Kovalchuck, S.V. Akhonin, S.L. Schwab, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, D.V. Oryshych, D.V. Vedel, M.A. Skoryk, and V.P. Tkachuk, Prog. Phys. Met., 24, No. 4: 715–740 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.04.715
  22. A.E. Davis, J.R. Kennedy, D. Strong, D. Kovalchuk, S. Porter, and P.B. Prangnell, Materialia, 20: 101202: (2021); https://doi.org/10.1016/j.mtla.2021.101202
  23. Nammo: 7.62 mm × 51 Armor Piercing 8 (M993); https://www.nammo.com/product/our-products/ammunition/small-caliber-ammunition/7-62mm-series/7-62-mm-x-51-armor-piercing-8-m993/
  24. I. Szachogłuchowicz, B. Fikus, K. Grzelak, J. Kluczyński, J. Torzewski, and J. Łuszczek, Materials, 14, No. 10: 2681 (2021); https://doi.org/10.3390/ma14102681
  25. R.D. Woods, J. Soil Mech. Found. Div., 94, No. 4: 951–979 (1968); https://doi.org/10.1061/jsfeaq.0001180
  26. J.K. Lee, Analysis of Multi-Layered Materials under High Velocity Impact Using CTH (PhD Thesis on Master of Science in Aeronautical Engineering, Air Force Institute of Technology: 2008); https://scholar.afit.edu/etd/2685
  27. P.E. Markovsky, J. Janiszewski, D.G. Savvakin, O. Stasiuk, Kamil Cieplak, P. Baranowski, and S.V. Prikhodko, Materials & Design, 223: 111205–111205 (2022); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111205
  28. J.C. Fanning, J. Mater. Eng. Perform., 14, No. 6: 686–690 (2005); https://doi.org/10.1361/105994905x75457
  29. J. Fanning, Proceedings of Titanium World Conference ‘Titanium 99, Science and Technology’ (1999).
  30. I. Horsfall, N. Ehsan, W. Bishop, J. Battlefield Technology, 3: 5–8 (2000).
  31. P. Peralta and C. Laird, Fatigue of Metals, Physical Metallurgy (Elsevier: 2014), p. 1765–1880; https://doi.org/10.1016/b978-0-444-53770-6.00018-6
  32. T.L. Jones, Ballistic Performance of Titanium Alloys: Ti–6Al–4V Versus Russian Titanium, US Army Research Laboratory Report ARL-CR-0533, p. 19 (2004).
  33. S.E. Alkhatib and T.B. Sercombe, Mater. & Des., 217: 110664 (2022); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110664
  34. P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, S.V. Prikhodko, O.O. Stasyuk, S.H. Sedov, V.A. Golub, V.A. Kurban, and E.V. Stecenko, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 42, No. 11: 1509–1524 (2020); https://doi.org/10.15407/mfint.42.11.1509
  35. O.M. Іvasishin, P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, V.A. Golub, V.I. Mirnenko, S.H. Sedov, V.А. Kurban, and S.L. Antonyuk, Prog. Phys. Met., 20, No. 2: 285–309 (2019); https://doi.org/10.15407/ufm.20.02.285
  36. D.E. Carlucci, Ballistics: Theory and Design of Guns and Ammunition (New York: CRC Press: 2007).
  37. L. Ding, C. Li, B. Pang, and W. Zhang, Int. J. Impact Eng., 35, No. 12: 1490–1496 (2008); https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2008.07.005
  38. M. Walicki, J. Janiszewski, and K. Cieplak, J. Theor. Appl. Mech., 60, No. 1: 129–140 (2022); https://doi.org/10.15632/jtam-pl/144793
  39. J.P.F. Broos, S.N. van Trigt, and M.C.P. Peijen, Specialists’ Meeting on Cost Effective Application of Titanium Alloys in Military Platforms, for NATO AVT Panel (2001); https://www.researchgate.net/publication/268740375
  40. M.L. Bekci, B. H. Canpolat, E. Usta, M. S. Güler та Ö.N. Cora, Eng. Sci. Technol. Int. J., 24, No. 4: 990–995 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.01.001
  41. SSAB, Armox Protection Plate, Protection Steel Buildings Data Sheet; https://ssabwebsitecdn.azureedge.net/-/media/files/en/armox/armox-protectionsteel-in-buildings-en.pdf?m=20170619110513
  42. O.M. Ivasishin, D.V. Kovalchuk, P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, V.I. Bondarchuk, D.V. Oryshych, S.G. Sedov, and V.A. Golub, Prog. Phys. Met., 24, No. 1: 75–105 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.075
  43. M.E. Backman and W. Goldsmith, Int. J. Eng. Sci., 16, No. 1: 1–99 (1978); https://doi.org/10.1016/0020-7225(78)90002-2
  44. L. Jones, R.D. DeLorme, M.S. Burkins, and W.A. Gooch, 23rd Int. Symposium on Ballistics (Tarragona, Spain, 16–20 April 2007); https://www.researchgate.net/publication/268379604
  45. B. Cheeseman, W. Gooch, and M. Burkins, Preprint 24th Int. Ballistics Symposium (New Orleans, LA, USA, 22–26 September 2008); https://www.researchgate.net/publication/292393974_Ballistic_Evaluation_of_Aluminum_2139-T8
  46. E. Medvedovski, Ceram. Int., 36, No. 7: 2103–2115 (2010); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2010.05.021
  47. F. Cui, G. Wu, T. Ma, and W. Li, Def. Sci. J., 67, No. 3: 260 (2017); https://doi.org/10.14429/dsj.67.10664
  48. E. Medvedovski, Ceram. Int., 36, No. 7: 2117–2127 (2010); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2010.05.022
  49. Chobham Armour, Wikipedia (2022); https://en.wikipedia.org/wiki/Chobham_armour

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,