TIIVISTELMÄRAPORTTI METALLIVAAHTOLUJITTEISET BALLISTISET SUOJAUS- MATERIAALIT, OSA II

Transkriptio

1 2010/780 ISSN (verkkojulkaisu) ISBN (PDF) TIIVISTELMÄRAPORTTI METALLIVAAHTOLUJITTEISET BALLISTISET SUOJAUS- MATERIAALIT, OSA II Tuomo Tiainen, professori Tampereen teknillinen yliopisto TTY Materiaaliopin laitos PL Tampere puh Mikko J. Nieminen, DI, tutkija TTY Materiaaliopin laitos Tomi Lindroos, DI, tutkija VTT Uudet materiaalit- osaamiskeskus Tampere Tiivistelmä Loppuraportissa esitetään kolmivuotiseksi suunnitellun hankkeen toisen tutkimusvuoden keskeiset tulokset ja niistä tehtävät johtopäätökset. Toisen tutkimusvuoden aikana saatettiin loppuun avosoluisesta metallivaahdosta ja keraamimateriaalista valuteitse integroidun rakenteen valmistamiseen tähtäävät tutkimukset. Kyseinen reitti todettiin siinä määrin työlääksi, tuloksiltaan epävarmaksi sekä laajamittaiseen teolliseen tuotantoon huonosti soveltuvaksi, että tämän tutkimushaaran kartoittaminen päätettiin lopettaa. Tutkimuspanokset keskitettiin sen sijaan hankkeen ensimmäisen vaiheen aikana esille nousseeseen lupaavaan tutkimushaaraan eli keraamiluonteisen suojausmateriaalin ja liitospinnaltaan strukturoidun metallilevyn liittämiseen toisiinsa metallurgisella liitoksella keraamiluonteisen suojausmateriaalin reaktiivisen synteesin aikana vapautuvan lämmön avulla. Hankkeen aikana suoritettiin loppuun ensimmäisen tällä tavalla valmistetun rakenteen (tehokkaimmalla mahdollisella panssariluodilla suoritetussa) ampumakokeessa saatujen tulosten analysointi. Tulosten perusteella voitiin todeta, että vaikka liittyminen ei ollutkaan täydellinen koko liitospinnan alueella, oli liitos kuitenkin riittävän hyvä pitämään keraamiluonteisen suojausmateriaalin koossa osumakohdan läpäisyä lukuun ottamatta ja parantamaan siten olennaisesti suojausmateriaalin moniosumakestävyyttä. Tehtyjen havaintojen perusteella valmistettiin eri tavalla strukturoituja metallisia taustalevyjä, liitettiin ne keraamiluonteiseen suojausmateriaaliin reaktiivisessa synteesissä, karakterisoitiin syntyneitä liitoksia ja suoritettiin ampumakokeita näin saaduille suojausmateriaaleille. Viimeksi valmistetussa kahdeksan koelevyn sarjassa ei teräsytimisellä panssariluodilla ammuttaessa saatu yhtään läpäisyä ja parhaimmillaan suojausmateriaalilevy pysyi ehjänä kokonaisuutena osumakohdasta lähteviä muutamia keraamiluonteisen materiaalin säröjä lukuun ottamatta. Kaikissa tapauksissa aikaansaadun liitoksen lujuus ei kuitenkaan ollut riittävä pitämään keraamiluonteista materiaalia koossa, vaan se irtosi alueittain taustalevystä paljastaen alla olevan pelkän taustalevyn. Ampumakokeessa saatujen tulosten analysointi antoi kuitenkin selkeitä viitteitä menetelmän onnistumispotentiaalista sekä parhaan tuloksen antavasta pintastrukturoinnista. Hankkeen kolmantena tutkimusvuonna on tarkoitus keskittyä taustalevymateriaalin ja sen pintastrukturoinnin sekä reaktiivisen synteesin prosessiparametrien optimointiin tavoitteena pysäyttää kaikki mahdolliset kiväärikaliiberin panssariluodit näin aikaansaadun, moniosumakestävyydeltään riittävän hyvän suojausmateriaalin avulla. VTT:n Uudet materiaalit- osaamiskeskuksen tutkimuksissa keskityttiin syntaktisen metallivaahdon sekä titaanilevyn integrointiin keraamiluonteisen suojausmateriaalin taustalevyksi. Vaahtorakenteiden integroinnissa ei onnistuttu, mutta titaanilevymateriaalilla saatiin NiTi- välikerrosta käytettäessä aikaan lupaavia liitoksia, joiden testaus ampumakokeissa on käynnissä. Postiosoite: MATINE PL HELSINKI Puhelin (vaihde): Käyntiosoite: Pääesikunta Fabianinkatu HELSINKI Pääsihteeri Laskutusosoite: Pääesikunta ja sen alaiset laitokset Suunnittelusihteeri Pääesikunta / Materiaaliosasto / MATINE Toimistosihteeri PL 5512 Telekopio LASKUTUS Sähköposti matine@mil.fi WWW-sivusto

2 1. Johdanto Kolmivuotiseksi suunnitellun tutkimushankkeen tavoitteena on kehittää kiväärikaliiberin panssariluodit pysäyttävä, moniosumakestävyydeltään hyvä ballistinen suojausmateriaali, jota voitaisiin käyttää sekä henkilökohtaiseen suojaukseen että erityisesti panssaroitujen ajoneuvojen nykyistä tehokkaampaan suojaukseen. Tällaisella suojausmateriaalilla on runsaasti käyttökohteita sekä maa- että vesikuljetuskalustossa ja sen käytön avulla voidaan merkittävästi vähentää sekä elävään voimaan että kalustoon kohdistuvia menetyksiä kriisitilanteissa. 2. Tutkimuksen tavoite ja suunnitelma Kiväärikaliiberin panssariluoteja vastaan suunniteltu suojausmateriaali koostuu yleensä kahdesta komponentista: kovasta keraamisesta tai keraamiluonteisesta pintamateriaalista, jonka tehtävänä on särkeä panssariluodin kova ja läpäisykykyinen ydin sekä lujasta ja sitkeästä taustamateriaalista, jonka tehtävänä on pysäyttää muodostuneet sirpaleet ja estää niiden läpäisy. Ongelmana tähänastisissa ratkaisuissa on ollut varsinaisen suojausmateriaalin ja taustalevyn liittäminen toisiinsa siten, että liitos kestäisi särkymättä luodin korkeaenergisen iskun. Metallivaahdoilla eli solustetuilla metallimateriaaleilla on keveyden ja jäykkyyden lisäksi hyvä energian absorptiokyky. Energia- absorptio tapahtuu lisäksi pitkällä matkalla vaahdon kokoonpuristumisen myötä. Hankkeen lähtökohtana oli ajatus yhdistää kova keraamimateriaali ja avosoluinen metallivaahto integroiduksi rakenteeksi, jonka avulla luodin iskuenergia saataisiin kulutetuksi ilman suojausmateriaalin läpäisyä. Ensimmäisenä hankevuonna keskityttiin tämän tutkimushaaran tarkasteluun soveltaen valupohjaisia menetelmiä keraamimateriaaliin integroidun avosoluisen metallivaahdon tuottamiseen. Tämä reitti osoittautui kuitenkin liian työlääksi, tuloksiltaan epävarmaksi sekä teolliseen tuotantoon huonosti soveltuvaksi, joten tämän haaran tutkimukset lopetettiin toisen hankevuoden alkupuoliskolla. Ensimmäisenä hankevuonna oli kuitenkin noussut esille uusi lupaava tutkimushaara, jossa tarkasteltiin liitospinnaltaan vaahtomaiseksi strukturoidun metallilevyn liittämistä keraamiluonteiseen suojausmateriaaliin suoraan suojausmateriaalin reaktiivisessa syntetisointiprosessissa. Ensimmäisenä hankevuonna tällä tavoin valmistettu koelevy osoittautui ampumakokeessa lupaavaksi sekä läpäisyominaisuuksiensa että syntyneen liitospinnan ominaisuuksien suhteen. Se antoi selviä viitteitä siitä, että optimaalisella pinnan strukturoinnilla sekä reaktiivisen synteesin oikeilla parametreilla on mahdollista muodostaa metallurginen liitos keraamiluonteisen suojausmateriaalin ja taustamateriaalin välille. Se osoitti myös, että metallurginen liitos mahdollistaa moniosumakestävyyden merkittävän parantamisen. Tutkimushankkeen toisen vuoden suunnitelmaksi otettiinkin optimaalisen pintastrukturoinnin sekä reaktiosynteesimenettelyn kehittäminen, syntyneiden suojausmateriaalien testaus ampumakokein sekä muodostuneiden liitosten ja ampumakokeiden tulosten karakterisointi ja analysointi. VTT:n Uudet materiaalit-yksikössä tutkittiin ensimmäisenä hankevuonna käynnistettyä metallivaahtorakenteisen taustalevyn integrointia keraamiluonteiseen suojausmateriaaliin sekä loppuvuonna myös titaanilevyn integrointia keraamiluonteiseen suojausmateriaaliin reaktiivisen synteesin ja sopivan välikerrosmateriaalin välityksellä. 2

3 3. Aineisto ja menetelmät Tutkimuksen hypoteesina oli se, että keraamiluonteisen suojausmateriaalin ja liitospinnaltaan sopivasti strukturoidun metallilevyn välille saadaan muodostumaan metallurginen liitos hyödyntämällä suojausmateriaalin reaktiivisessa synteesissä syntyvää korkeaa lämpötilaa ja rakenteen tiivistämiseen käytettyä puristuspainetta. Toisena hypoteesina oli se, että syntyvä metallurginen liitos parantaa merkittävästi yhdistelmämateriaalin läpäisy- ja moniosumakestävyyttä, kuten ensimmäisen hankevuoden aikana saadut tulokset myös osoittivat. Tutkittavana suojausmateriaalina hankkeessa oli reaktiivisen synteesin kautta valmistettu kaupallinen metallimatriisikomposiitti. Taustalevymateriaaleina tutkittiin sekä erkaumalujitettua martensiittista ruostumatonta terästä, joka valmistettiin pintastrukturointeineen metallipulverin lasersintrausta käyttäen, että kuuma- ja kylmävalssattuja rakenneteräksiä, joihin tutkittava pintastrukturointi tehtiin koneistamalla tai ruuveja hyväksikäyttäen. VTT:n tutkimuksissa suojausmateriaalina oli sama komposiittimateriaali ja taustalevyinä tutkittiin sekä erilaisia syntaktisia metallivaahtoja että titaanista valmistettua levymateriaalia. Tutkimusmenetelminä olivat pintalevyn valmistus ja strukturointi joko koneistusta tai metallipulverin lasersintrausta käyttäen sekä yhdistelmämateriaalin valmistaminen reaktiivista synteesiprosessia hyödyntäen. Ampumakokeissa käytettiin joko teräs- tai volframikarbidiytimisiä panssariluoteja. Materiaalien karakterisointi suoritettiin optista ja elektronimikroskooppia sekä siihen liitettyä mikroanalysaattoria käyttäen. Kovuusmittauksia suoritettiin mahdollisten koostumusmuutosten vaikutusten selvittämiseksi. 4. Tulokset ja pohdinta Suoritettujen kokeiden ja karakterisointien tuloksena voitiin osoittaa, että keraamiluonteisen materiaalin ja metallisen taustalevyn välille on mahdollista saada aikaan metallurginen liitos reaktiosynteesin yhteydessä. Hyvän liitoksen muodostuminen edellyttää kuitenkin pinnan strukturointia sulamisen paikalliseksi ydintämiseksi ja epäpuhtauksia poistavan materiaalivirtauksen aikaansaamiseksi (kuvat 1 ja 2) 3

4 a) b) Kuva 1. Keraamiluonteisen materiaalin (kuvan yläosa) ja lasersintratun martensiittisen ruostumattoman teräksen (kuvan alaosa) välille muodostunut liitos: a) tasopinnan kohdalla muodostunut epätäydellinen liitos, b) strukturoidun pinnan kohdalla muodostunut metallurginen liitos. Särö kuvassa 1b on muodostunut ampumakokeessa. SEM- mikroskooppikuva. Pinnan oikeanlaisen strukturoinnin avulla on mahdollista saada aikaan metallurginen liitos koko liitettävien pintojen alueelle (kuva 3). Tällöin liitoksen rajapinta muodostuu lisäksi eitasomaiseksi, jolloin sen kestävyys myös taipumisesta aiheutuvaa leikkauskuormitusta vastaan on hyvä. Sopivan sulamisasteen saavuttaminen ja riittävän materiaalivirtauksen 4

5 Kuva 2. Suuremmalla suurennuksella otettuja SEM- mikroskooppikuvia kuvan 1b metallurgisesta liitoksesta, jossa on nähtävissä gradienttityyppistä rakennetta. aikaansaaminen edellyttävät pintastrukturoinnin oikeaa mittakaavaa sekä puristussuuntaan nähden viistoja pintoja pintageometriassa. 5

6 Kuva 3. Sopivan pintastrukturoinnin avulla aikaansaatu aaltomainen liitospinta keraamiluonteisen materiaalin (kuvan alaosa) ja kylmävalssatun rakenneteräksen (kuvan yläosa) välillä. Reaktiosynteesin yhteydessä näyttää teräksen puolelta liukenevan jossain määrin rautaa keraamiluonteisen materiaalin matriisiin, mutta päinvastaiseen suuntaan ei seosaineiden liikettä juurikaan tapahdu. Reaktiosynteesin tuottama lämpösykli on ilmeisesti myös niin nopea, ettei teräksessä tapahdu juurikaan merkittäviä rakenne- tai ominaisuusmuutoksia (kuva 4). Keraamiluonteisen materiaalin matriisiin liuennut rauta saattaa saada aikaan lievää kovuuden laskua rajapinnan läheisyydessä; tämä voi kuitenkin olla yhdistelmärakenteen muodonmuutoskäyttäytymisen ja kestävyyden kannalta pelkästään hyvä asia. Ampumakokeissa kaikki eri tavoin (kahdeksan eri versiota) strukturoidut yhdistelmämateriaalit pysäyttivät teräsytimisen panssariluodin (kuva 5). Pullistumaa taustalevyn puolelle syntyi levystä riippuen 0-7mm. Parhaissa tapauksissa myös keraamiluonteinen materiaali säilyi yhtenä kappaleena säröytymisestään huolimatta ja yhdistelmämateriaali pysyi koossa iskusta hajoamatta. Kaikilla pintastrukturoinneilla näin ei tapahtunut, vaan säröytynyt keraamiluonteinen materiaali lohkeili irti taustalevystä, vaikka läpäisyä ei tapahtunut. Kuvan 5 kaltaiset tulokset ovat kuitenkin varsin rohkaisevia moniosumakestävyyden kannalta, sillä kuvan esittämään levyyn voitaisiin todennäköisesti ampua vielä 2-3 lisälaukausta ilman läpäisyä. Yhdistelmämateriaalin kovuusprofiili Kovuus [HV5] Etäisyys rajapinnasta [mm] (<0 =Exote, >0 =kylmävalssattu teräs)

7 a) b) Kuva 4. Keraamiluonteinen materiaali/kylmävalssattu rakenneteräs- rajapinnasta (kuva 4a) mitattu kovuusprofiili (kuva 4b). Teräksen puolella kovuusarvoissa ei rajapinnan läheisyydessä esiinny merkittävää muutosta yhtä yksittäistä mittauspistettä lukuun ottamatta. Kuva 5. Ampumakokeessa erääseen strukturoituun yhdistelmämateriaaliin pysähtynyt luoti sekä sen taustalevyyn aiheuttama pullistuma. VTT:n Uudet materiaalit- yksikön suorittamissa tutkimuksissa kartoitettiin sekä syntaktisten alumiinipohjaisten metallivaahtojen käyttömahdollisuuksia suojausmateriaalin taustalevyinä että mahdollisuuksia liittää suojausmateriaali titaaniseen taustalevyyn metallurgisella liitoksella. Molempia mahdollisuuksia kartoitettiin suojausmateriaalin reaktiosynteesin yhteydessä. Syntaktisen metallivaahdon valmistuksessa tutkittiin Leca-soran, huokoisen alumiinioksidikeramiikan ja mikrolasipallojen käyttömahdollisuuksia. Alumiinin matala sulamispiste sai aikaan sen, että alumiini pursui ulos muotista reaktiosynteesin yhteydessä eikä ehjää taustalevyä saatu syntymään. Sen sijaan titaanilevyn liittäminen suojausmateriaaliin saatiin onnistumaan sopivan koostumuksen mukaisen välikerroksen avulla 7

8 (kuva 6). Välikerros tosin pursui ulos muotista synteesin aikana, mutta jätti kuitenkin jälkeensä metallurgisen liitoksen. Näiden yhdistelmärakenteiden ampumakokeet ovat vielä suorittamatta. a) b) Kuva 6. Metalluginen liitos titaanisen taustalevyn (kuvan 6a yläosa) ja keraamiluonteisen suojausmateriaalin (kuvan 6a alaosa) välillä. Kuvassa 6b on esitetty suojausmateriaalin mikrorakenne suuremmalla suurennuksella tarkasteltuna. Yllä esitetyt tulokset osoittavat sen, että tutkittu keraamiluonteinen suojausmateriaali on mahdollista liittää metallurgisella liitoksella erilaisiin metallisiin taustalevymateriaaleihin suoraan suojausmateriaalin reaktiivisen synteesin yhteydessä. Hyvän liitoksen muodostuminen edellyttää metallilevyn sopivaa pintastrukturointia sekä reaktiosynteesin prosessiparametrien optimointia. Parasta mahdollista ratkaisua ei kumpaankaan kohtaan ole vielä löydetty, mutta vaikuttaa siltä, että käytettävissä oleva parametri-ikkuna on kuitenkin kohtuullisen laaja. Tämä helpottaa menetelmän käyttöä myöhemmässä teollisessa tuotannossa. Aikaansaatu yhdistelmärakenne näyttää myös toimivan ajatellulla tavalla ja tarjoavan merkittävää parannusta nyt käytössä oleviin ratkaisuihin verrattuna sekä läpäisyneston että moniosumakestävyyden osalta. Tähän mennessä saadut tulokset eivät kuitenkaan ole vielä riittävän kattavia kehitetyn menetelmän kokonaispotentiaalin arviointiin. Metallinen taustalevy kiinnitettynä metallurgisella liitoksella keraamiluonteiseen suojausmateriaaliin tarjoaa suojausten rakentamisen kannalta merkittäviä etuja. Reaktiosynteesin kautta valmistetuilla yhdistelmämateriaaleilla on aina rajallinen koko pinta-alan suhteen. Metallinen taustalevy tarjoaa kuitenkin mahdollisuuden suurempien kokonaisuuksien rakentamiseen siten, että yhdistelmämateriaalilevyt liitetään suuremmiksi kokonaisuuksiksi hitsaamalla taustalevyt kiinni toisiinsa ja suojattaviin rakenteisiin. 8

9 5. Loppupäätelmät Saatujen tulosten perusteella voidaan päätellä, että hyvän metallurgisen liitoksen aikaansaaminen metallisen taustalevyn ja keraamiluonteisen suojausmateriaalin välille on mahdollista hyödyntäen suojausmateriaalin reaktiosynteesissä syntyvää lämpöä. Hyvän liitoksen aikaansaaminen edellyttää kuitenkin pinnan oikeanlaista strukturointia. Muodostuvan metallurgisen liitoksen voidaan myös päätellä toimivan ajatellulla tavalla suojausmateriaali/taustalevy-yhdistelmämateriaalissa ja mahdollistavan yhdistelmärakenteen pysäytyskyvyn sekä moniosumakestävyyden merkittävän lisääntymisen. Metallurgisen liitoksen ja sen myötä moniosumakestävyyden optimoimiseksi on tarpeen selvittää paras pintastrukturoinnin tyyppi sekä mittakaava ja reaktiosynteesissä käytettävät prosessiyksityiskohdat. Pysäytyskyvyn maksimointi eli läpäistävyyden minimointi puolestaan edellyttää oikeanlaista taustalevyn metallimateriaalin ja sen käsittelytilan valintaa maksimaalisen muodonmuutos- ja muokkauslujittumiskyvyn ja sitä kautta energiaabsorption aikaansaamiseksi. Nämä ovat hankkeen kolmannen tutkimusvuoden pääasialliset tavoitteet. Kolmantena vuonna on myös tarkoitus kartoittaa mahdollisuudet optimaalisesti strukturoidun taustalevymateriaalin valmistamiseksi teollisen tuotannon menetelmin. 6. Tutkimuksen tuottamat raportit Tutkimushankkeen toisena vuonna on tuotettu seuraavat raportit, jotka täydentävät tätä tiivistelmäraporttia: 1. Mikko J. Nieminen ja Tuomo Tiainen: Metallivaahtolujitteiset ballistiset suojausmateriaalit, osa II, väliraportit: 1. väliraportti ajalta sekä täydennys ajalle väliraportti ajalta väliraportti ajalta Mikko J. Nieminen ja Tuomo Tiainen: Metallivaahtolujitteiset ballistiset suojausmateriaalit, MATINE tutkimusseminaariesitelmä, Pääesikunta Tomi Lindroos: Metallivaahtolujitteiset ballistiset suojausmateriaalit 2010, VTT osaraportti Hankkeen seuraajan lausunto raportista Hankkeen johtoryhmän puheenjohtaja TkL Jukka Merikoski: Hanke on uutta luova suojaballistinen materiaalikehitelmä, missä on onnistuttu yhdistämään keraami ja metalli metallurgisella liitoksella. Tämä avaa mahdollisuuden näiden rakenteiden liittämisen esim ajoneuvon metallirunkoon tavanomaisilla hitsausmenetelmillä. Nykyisin suojakeraamit on liitettävä näihin rakenteisiin liimaamalla tai ruuviliitosten avulla. Hanke niveltyy saumattomasti PV:n teknologiahankkeeseen 2010 Ballistiset hybridirakenteet. Tämä teknologiahanke pystyy hyödyntämään suoraan tämän MATINEN hankkeen tuloksia ja etenee merkittävästi nopeammin ja pidemmälle. Hanke on myös saanut runsaasti positiivista palautetta sekä v.2010 hankepäivillä ja MATINE tutkimusseminaarissa 9

10 Kokonaisuudessaan kotimaiset SHS- suojakeraamihankkeet on valittu yhdeksi MATINEN vaikuttavuutta lisääväksi tekijäksi. 10