Metallivaahtolujitteiset ballistiset suojausmateriaalit, osa III Tilanne Mikko Nieminen ja Tuomo Tiainen

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Metallivaahtolujitteiset ballistiset suojausmateriaalit, osa III Tilanne 31.10.2011 Mikko Nieminen ja Tuomo Tiainen"

Timo-Jaakko Hänninen
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Metallivaahtolujitteiset ballistiset suojausmateriaalit, osa III Tilanne Mikko Nieminen ja Tuomo Tiainen 1 Kolmivuotinen Matinen rahoittama tutkimushanke, käynnissä kolmas vuosi Toteuttajatahot: Tampereen teknillinen yliopisto, Materiaaliopin laitos VTT Uudet materiaalit, Tampere Aalto- yliopisto Valimotekniikan laboratorio (vaiheet I ja II) Yritysosapuolet: Exote Oy EOS Finland Oy Hankkeen Matine- rahoitus: 1. vuosi euroa 2. vuosi euroa 3. vuosi euroa

2 2 Hankkeen historia ja tähänastiset tulokset Hankkeen perusajatus: Saada integroiduksi keraamiseen tai keraamiluonteiseen suojausmateriaaliin avosoluiseen metallivaahtoon perustuva lujiteverkko, joka pysäyttää eteneviä murtumia ja toisaalta pitää keraamirakennetta koossa valmistusvaiheen generoimilla puristusjännityksillä - vaihtoehtoisesti umpisoluisen metallivaahdon tai vaahtoytimisen kerroslevyn käyttö keraamiluonteisen suojamateriaalin backing- levynä alustavat kokeet tällä yhdistelmällä (backing-levynä liimaamalla kiinnitetty 15 mm paksu ja liimaamalla koottu alumiinipohjainen kerroslevy) lupaavia Metallivaahdon integrointia keraamimateriaaliin tutkittiin valupohjaisin menetelmin: valmistettiin sopivaa polymeerivaahtoa käyttäen keraaminen muotti, josta polymeerimateriaali poistettiin polttamalla ennen keraamin sintrausta lopulliseen lujuuteensa - jäljelle jäänyt vaahtorakenteinen kanavisto pyrittiin täyttämään sulalla metallilla integroidun metallivaahtoverkon generoimiseksi keraamimateriaaliin

3 3 Hankkeen historia ja tähänastiset tulokset (jatkuu) Metallivaahtopohjaisen lujiteverkon integroiminen keraamiseen suojausmateriaaliin valuteitse osoittautui sekä teknisesti hankalaksi että monimutkaiseksi ja myös toistettavuudeltaan huonoksi menetelmäksi teollista tuotantoa ajatellen (vaiheen I lopputulema) vaiheessa I heräsi ajatus backinglevyn kiinnittämisestä suojausmateriaalina käytettävään metalli-keraamikomposiittiin suojausmateriaalin reaktiivisen synteesin (SHS- prosessi) yhteydessä - liittäminen saatiin onnistumaan käyttämällä backinglevyn oikeanlaista strukturointia ja backinglevyn materiaalina normaalia perusrakenneterästä - ampumakokeissa yhdistelmämateriaali pysäytti toistuvasti NATO P80- tyyppisen kiväärikaliberisen panssariluodin (vaiheen II lopputulema) - VTT tutki mahdollisuuksia erilaisten metallivaahtojen ja titaanin käyttämiseksi backinglevyn materiaalina

4 4 Taustaa: yhdistelmämateriaalin ammuntakokeet Exote 8mm mm backing NATO P , 9.8 g, 850 m/s pullistuma 0 kuumavalssatussa levyssä 3 mm urat yhdessä suunnassa hyvät ainekset moniosumakestävyyteen ja liitettävyyteen poikkeuksellisen hyvä liitos ulkokehälle asti

5 5 Taustaa: yhdistelmämateriaalin liitosalue Liitosalueella: ei paikallista sulamista tai sekoittumista liitokset ovat paikallisia, mutta rakenne on silti kestänyt iskun joidenkin urien pohjalla on rako urien syvyys (n. 3 mm) estää pintojen liukumisen iskun aikana liitosalueen kovuusprofiileissa ja mikrorakenteissa ei löytynyt merkkejä faasimuutoksista

6 6 Uutta tutkimustietoa: lämpöshokin vaikutukset teräksiin Faasimuutokset ja rekristallaatio pienentävät kovuutta lämpötilan noustessa panssariteräksen tapauksessa faasimuutos ja rekristallaatio pienentävät kovuutta merkittävästi esim. Ramor 500: HV 540 (martensiitti HV 110 (ferriitti + perliitti) myös kylmämuokatulla teräksellä muokkauksella saavutettuja ominaisuuksia menetetään kuumavalssattu teräs pehmenee hieman lämpöshokin vaikutuksesta Muokatut kohdat (Kuva) muokkauslujittuvat iskun vaikutuksesta (esim. HOTluotiREUNA vs. HOTsulaREUNA)

7 7 Lämpöshokin vaikutukset teräksiin Ramor 500 ennen lämpöshokkia (HV2- kovuus 540) Ramor 500 lämpöshokin jälkeen (HV2- kovuus 110)

8 8 Lämpöshokin vaikutukset teräksiin Hienorakeisen kuumavalssatun teräksen uudelleenkiteytyminen SHS-prosessin tuottaman lämmön vaikutuksesta: kuvan näyte ei ole altistunut lämpösokille HV2-kovuus n. 160 mikrorakenne on ferriittiä (vaaleat rakeet) ja perliittiä (mustat rakeet) nauhamaisina muodostumina

9 9 Lämpöshokin vaikutukset teräksiin Kuvassa samasta teräksestä otettu näyte lämpösokille altistumisen jälkeen mikrorakenne edelleen ferriittiä ja perliittiä nauhamaisena rakenteena ferriitin raekoko kasvanut perliitti muuttunut osittain palloutuneemmaksi HV2-kovuus n. 120

10 10 Austeniittinen ruostumaton teräs ja Exote Tavoitteena oli saada sitkeämpi paremmin muokkauslujittuva teräslaji backing-levyyn tarkoituksena sitoa enemmän energiaa backing-levyn muodonmuutoksen yhteydessä liittäminen onnistui vain levyjen kulmista NATO P m/s pysähtyi, mutta Exote irtosi kokonaan teräksestä ei moniosumakestävyyttä CG 922 m/s (WC-ydin) läpi, Exote irtosi kokonaan teräksestä

11 11 Austeniittinen ruostumaton teräs ja Exote Liitosalueella saavutetaan samankaltainen liitos kuin aikaisemmin kuumavalssatulla teräksellä ei seka-alueita Valmistusprosessin jälkeisen jäähtymisen aikana suojausmateriaali irtoaa teräksestä kaikkialla muualla paitsi kulmista tiukastikin kiinni olevat levyt olivat onttoja sisältä

12 12 Uusi koesarja toimivaksi todetulla urituksella Keskityttiin kuumavalssattuun rakenneteräkseen jyrsittiin 3 mm ja 5 mm leveitä uria 100x100 mm teräslevyihin urien väliin jätettiin aina 3 mm uloke levypaksuudet 5 mm ja 6 mm, urasyvyys puolet ainepaksuudesta Exotea n. 2/3 ainepaksuudesta saavutettiin erittäin hyvin toisiinsa kiinnittyneitä yhdistelmälevyjä

13 13 Uusi koesarja toimivaksi todetulla urituksella (jatkuu) kaksi levyä suoraan lankasahaukseen ja liitostutkimuksiin ampumakokeessa NATO P m/s pysähtyi iskukohdasta irtosi vain 1 mm siivu Exotea ja yhdistelmämateriaali pysyi täysin kasassa lisäksi havaittavissa vain muutama särö etupinnassa pullistuma 0 yhdistelmämateriaalin massa 780 g CG (WC-ydin) 927 m/s läpi yhdistelmämateriaali pysyi kasassa iskualueella iskemäkartion alueelta liitokset eivät kestäneet backing-levy murtui hauraasti

14 14 Liitosalue rajapinta on kauttaaltaan kiinni EDS-analyysien perusteella teräksestä liukenee rautaa Exoteen liitosalueella teräksestä ei löydy Exoten komponentteja kuvassa teräs alapuolella

15 15 Kovuusprofiilit liitosalueella Kovuusprifiili 51 kovuusprofiilit ovat samankaltaisia liitosalueen eri kohdissa (urat, huiput) uudelleenkiteytyneen teräksen kovuusprofiili on tasainen aina rajapintaan asti läpi koko materiaalipaksuuden kovuus laskee hieman alkuperäiseen verrattuna Exoten kovuus nousee luokkaan HV 1000 noin 2 mm etäisyydellä rajapinnasta rautaa löytyy Exotesta vähintään 1 mm etäisyydelle rajapinnasta Kovuus [HV2] Kovuus [HV2] Etäisyys rajapinnasta [mm] (<0 =teräs) Kovuusprofiili 6L Etäisyys rajapinnasta [mm] (<0 =teräs) 51 Ura 51 Huippu 6L1 Ura 6L1 Huippu

16 16 Yhdistelmämateriaalin laserhitsauskokeet laserhitsaukset suoritettiin Tuotantotekniikan laitoksella (TTY) Nd: YAG, 4 kw, 1064 nm säteen ø 600 µm maksimitunkeuma n. 6 mm ylemmässä kuvassa teräksen puolelta hitsatun levyn hitsisauma alemmassa kuvassa samojen levyjen etupuoli (ei hitsattu) hitsauksia suoritettiin myös Exoten puolelle, mutta sauman ominaisuuksia ei vielä tunneta

17 17 Yhdistelmämateriaalin laserhitsauskokeet (jatkuu) hitsattiin 4 kpl 100x100 mm levyjä yhteen backing- levystä hitsausteho 3 kw, nopeudella 25 mm/s (koska terästä ohuimmillaan 2,5 mm) kuvassa (vas.) teräksen puolelta hitsatun levyn hitsisauma kuvassa (oik.) samojen levyjen etupuoli (ei hitsattu) vastinpinnat hiottiin tasoon ennen hitsausta, jotta rako jäisi alle 0,1 mm Exoten vastinpinnat olisivat toisiaan vasten hitsauksen jälkeen

18 18 Laserhitsatun yhdistelmämateriaalin ampumakokeet ampumakokeet suoritettiin PvTT:n tiloissa Ammus NATO P80, m/s Hitsisauma kestää iskun, kun ammutaan levyn keskelle ammus nro 3 n. 3 cm etäisyydellä saumasta läpäisy ammuttaessa aivan sauman viereen suojausmateriaalista lohkeaa sirpale ja backing murtuu hauraasti

19 19 Yhdistelmämateriaalin moniosumakestävyys

20 20 Jatkotutkimukset Yhdistelmämateriaalin valmistaminen kokoluokassa 100 x 100 mm onnistuu hyvin - liitosalueen tutkimuksia jatketaan edelleen - ensimmäiset koetulokset saatu kokoluokassa 200 x 200 mm Tutkitaan erilaisia hitsaustekniikoita suurempien kokonaisuuksien valmistamiseksi - tutkitaan, kuinka materiaalien väliset liitokset kestävät lämpöshokin - tutkitaan, kuinka hitsisaumat toimivat ampumakokeissa Urageometrian vaikutus yhdistelmämateriaalin liitoksen kestävyyteen sekä levyn tasossa että kohtisuorassa sitä vastaan - mekaaninen lukittuminen etenkin z-suunnassa - lasersintrattu maraging- teräs backing- materiaalina Tavoitteena valmistaa yhdistelmämateriaalista levyjä, jotka - suojaavat 7.62 x 51 AP (WC-ydin) luotia vastaan - painavat enintään 65 kg/m² - ovat hitsattavissa suuremmiksi kokonaisuuksiksi

Samankaltaiset tiedostot

TIIVISTELMÄRAPORTTI. Metallivaahtolujitteiset ballistiset suojausmateriaalit

TIIVISTELMÄRAPORTTI. Metallivaahtolujitteiset ballistiset suojausmateriaalit 2011/801 ISSN 1797-3457 (verkkojulkaisu) ISBN (PDF) 978-951-25-2284-2 TIIVISTELMÄRAPORTTI Metallivaahtolujitteiset ballistiset suojausmateriaalit Postiosoite MATINE Puolustusministeriö PL 31 00131 HELSINKI