Αλουμίνιο σε αμυντικά συστήματα: κράματα, πλάκες θωράκισης και ναυτικές εφαρμογές

Γιατί τα κράματα αλουμινίου έχουν κεντρική θέση στα σύγχρονα αμυντικά συστήματα

Το αλουμίνιο είναι ένα δομικό υλικό στο στρατιωτικό υλικό από τη δεκαετία του 1930 και εξακολουθεί να κατέχει μια θέση που κανένα άλλο μέταλλο δεν ταιριάζει σε αρκετούς-κρίσιμους ρόλους βάρους. Η πυκνότητά του περίπου 2,70 g/cm3 είναι περίπου το ένα τρίτο αυτής του ανθρακούχου χάλυβα, ενώ τα σωστά επιλεγμένα tempers φτάνουν σε αντοχές εφελκυσμού από 300 MPa έως περισσότερα από 550 MPa. Αυτός ο συνδυασμός επιτρέπει στους σχεδιαστές να μειώσουν το βάρος της πλατφόρμας χωρίς να εγκαταλείψουν την ακαμψία ή τη βαλλιστική απόδοση.

Τέσσερα χαρακτηριστικά εξηγούν τη συνεχιζόμενη ζήτηση από αμυντικά προγράμματα:

Αναλογία δύναμης-προς-βάρους:Η πλάκα 5083-H116 στα 2,66 g/cm3 προσφέρει τυπική αντοχή εφελκυσμού 317 MPa, δίνοντας ειδική αντοχή σχεδόν διπλάσια από αυτή του ήπιου δομικού χάλυβα.

Απόδοση διάβρωσης:το αυτοανανεούμενο στρώμα οξειδίου του αλουμινίου αντιστέκεται στον ψεκασμό αλατιού, την υγρασία και την επαφή με το καύσιμο, κάτι που έχει σημασία για τον εξοπλισμό που αποθηκεύεται σε παράκτια ή τροπικά θέατρα.

Μη-μαγνητικό και μη-σπινθήρα:κρίσιμης σημασίας για σκάφη αντιμέτρων ναρκών και για εξοπλισμό που λειτουργεί παράλληλα με ευαίσθητους μαγνητικούς αισθητήρες.

Ανακυκλωσιμότητα:Το δευτερογενές αλουμίνιο χρειάζεται περίπου το 5% της ενέργειας που χρησιμοποιείται για την πρωτογενή τήξη, γεγονός που μειώνει-το κόστος διατήρησης ζωής.

Αλουμίνιο σε κατασκευές στρατιωτικών αεροσκαφών και αεροδιαστημικής

Τα στρατιωτικά αεροσκάφη παραμένουν η μοναδική μεγαλύτερη αμυντική εφαρμογή. Οι επιφάνειες φτερών και τα πάνελ ατράκτου παράγονται συνήθως από το φύλλο 2024-T3 (Al-Cu-Mg), ενώ το 7075-T6 (Al-Zn-Mg-Cu) καθορίζεται για εξαρτήματα υψηλής αντοχής, εξαρτήματα προσγείωσης και εξαρτήματα υψηλής αντοχής πτερυγίων Απαιτούνται 500 MPa. Το Extruded 6061-T6 εξυπηρετεί βραχίονες, δοκούς δαπέδου και ράφια εξοπλισμού.

Το υλικό παραγγέλνεται συνήθως σε ASTM B209/B209M για φύλλο και πλάκα ή ASTM B221 για εξωθημένα προφίλ. Οι δοκιμές αποδοχής καλύπτουν τη χημική σύνθεση, τις ιδιότητες εφελκυσμού και την επιθεώρηση με υπερήχους παχύτερης πλάκας και η συμπεριφορά ανοχής σε κόπωση και ζημιά-προσδιορίζεται μέσω δοκιμής κουπονιού πριν από την κυκλοφορία ενός επιτρεπόμενου σχεδιασμού.

Οι ποιότητες αλουμινίου{0}}λιθίου των οικογενειών 2099 και 2195 μειώνουν την πυκνότητα κατά περίπου 3% και αυξάνουν την ακαμψία κατά περίπου 10% σε σχέση με τα συμβατικά κράματα 2xxx, γι' αυτό εμφανίζονται στις κρίσιμες πρωτογενείς δομές βάρους-. Το αντίτιμο-είναι ο αυστηρότερος έλεγχος της διαδικασίας, επειδή αυτά τα κράματα χρειάζονται ελεγχόμενο σχηματισμό τάνυσης και ειδική θερμική επεξεργασία για να διατηρήσουν την αντοχή σε θραύση εντός των προδιαγραφών.

Ελαφριά πανοπλία για οχήματα μάχης και τακτικής

Η συγκολλήσιμη πλάκα θωράκισης προσδιορίζεται στις Ηνωμένες Πολιτείες με την ένδειξη MIL-DTL-46027 για κράματα 5083, 5086 και 5059 και MIL-DTL-46063 για κράμα 7039. Τα ευρωπαϊκά προγράμματα και τα προγράμματα του ΝΑΤΟ αναφέρονται στο STANAG 4569 κατά τον καθορισμό των επιπέδων προστασίας για τους επιβάτες των τεθωρακισμένων οχημάτων και στη συνέχεια επιλέγεται ο βαθμός πινακίδας ώστε να πληροί το απαιτούμενο επίπεδο σε μια καθορισμένη πυκνότητα περιοχής.

Δύο σημεία σχεδίασης διέπουν τη θωράκιση αλουμινίου. Πρώτον, απαιτείται μεγαλύτερο πάχος από ό,τι για μια ισοδύναμη λύση χάλυβα, επομένως ο χώρος συσκευασίας στο εσωτερικό του οχήματος πρέπει να προγραμματιστεί νωρίς στη διάταξη. Δεύτερον, οι συγκολλημένες αρθρώσεις σε θωράκιση 5xxx χάνουν αντοχή στη ζώνη-που επηρεάζεται από τη θερμότητα, επομένως τα επιτρεπόμενα πρέπει να προέρχονται από συγκολλημένες δοκιμές κουπονιών και όχι από δεδομένα μητρικού μετάλλου-. Συχνά προστίθενται πυρήνες αφρού αλουμινίου, πάνελ σάντουιτς και χιτώνια για την απορρόφηση της ενέργειας έκρηξης και τη μείωση του κατακερματισμού πίσω από την πανοπλία.

Ναυτικές και Αμφιβιακές Εφαρμογές

Πλάκα με υψηλό-μαγνήσιο όπως 5083, 5086 και 5383 έως ASTM B928/B928M σχηματίζει γάστρα, καταστρώματα, διαφράγματα και υπερκατασκευές. Η χαμηλή πυκνότητα αυξάνει το ωφέλιμο φορτίο και την ταχύτητα ή επιτρέπει περισσότερα καύσιμα και αποθήκες για την ίδια μετατόπιση και η μη μαγνητική υπογραφή ταιριάζει στα σκάφη αντιμέτρων και στα σκάφη έρευνας ναρκών.

Η συγκόλληση πραγματοποιείται συνήθως με πληρωτικό μέταλλο ER5183 ή ER5556 στο AWS A5.10, ενώ η αντίσταση στο αλάτι{3}}στο ψεκασμό επαληθεύεται μέσω δοκιμής ASTM G85 ή ISO 9227. Το αλουμίνιο λιώνει στους 660 βαθμούς περίπου, πολύ κάτω από τον χάλυβα, επομένως η μόνωση των δομικών μελών και η προσεκτική λεπτομέρεια των ορίων πυρκαγιάς είναι υποχρεωτική στο ναυτικό σχεδιασμό. Όπου η ακαμψία παρά η αντοχή καθοδηγεί το σχέδιο, τα εξωθημένα προφίλ ακαμψίας συχνά ενσωματώνονται απευθείας στη δομή του καταστρώματος.

Κατασκευή, επιθεώρηση και τέλος-της-Ανάκτησης ζωής

Οι διαδρομές παραγωγής κυμαίνονται από την πλάκα θερμής-έλασης έως την εξώθηση, τη σφυρηλάτηση με κλειστή{1}}μήτρα και την κατασκευή πρόσθετων βραχιόνων AlSi10Mg με σύντηξη λέιζερ σε σκόνη. Η επιθεώρηση συνήθως συνδυάζει τη δοκιμή υπερήχων της πλάκας, την επαλήθευση διαστάσεων και την πιστοποίηση μηχανικής ιδιοκτησίας με τις προδιαγραφές αγοράς.

Οι σκληρυμένες ιδιοσυγκρασίες με παραμόρφωση-όπως τα H116 και H321 προτιμώνται για τη θαλάσσια πλάκα επειδή αντιστέκονται στη διάβρωση λόγω απολέπισης.

Η θερμική επεξεργασία των 7xxx τεθωρακισμένων και αεροδιαστημικών βαθμών πρέπει να ελέγχεται αυστηρά για να διατηρηθεί η αντοχή στη διάβρωση λόγω καταπόνησης.

Οι μήτρες μηχανικής κατεργασίας, οι αποκοπές και οι δομές τέλους--ζωής ανακυκλώνονται σε διαχωρισμένα ρεύματα κράματος, έτσι ώστε η χημεία να παραμένει εντός των προδιαγραφών.

Η βαλλιστική πιστοποίηση επαναλαμβάνεται κάθε φορά που αλλάζει το κράμα, η ιδιοσυγκρασία ή η διαδικασία συγκόλλησης, επειδή η απόδοση προστασίας εξαρτάται από τη διαδικασία.

Συχνές Ερωτήσεις

Ε: Ποιο κράμα αλουμινίου χρησιμοποιείται ευρύτερα για θωράκιση στρατιωτικών οχημάτων;
Το 5083-H116 είναι το πιο συνηθισμένο συγκολλήσιμο κράμα θωράκισης, που χρησιμοποιείται για πλάκες κύτους, δάπεδα εκτόξευσης και δομική θωράκιση. Το κράμα 7039-T64 επιλέγεται όταν απαιτείται υψηλότερη αντοχή και το 5059-H131 καθορίζεται όλο και περισσότερο για συγκολλημένες κατασκευές που εκτίθενται στη διάβρωση.

Ε: Μπορεί η θωράκιση από αλουμίνιο να νικήσει τις ίδιες απειλές με τη θωράκιση από χάλυβα;
Ναι, σε συγκρίσιμο επίπεδο προστασίας, αλλά η πλάκα αλουμινίου πρέπει να είναι παχύτερη. Το πλεονέκτημα είναι η χαμηλότερη μάζα για μια δεδομένη προστατευμένη περιοχή, η οποία βελτιώνει την κινητικότητα χωρίς να μεγεθύνει το powerpack.

Ε: Γιατί χρησιμοποιείται αλουμίνιο σε σκάφη αντιμέτρων ορυχείων;
Τα κράματα αλουμινίου δεν είναι-μαγνητικά, επομένως δεν ενεργοποιούν ορυχεία μαγνητικής επιρροής. Η χαμηλή πυκνότητα βελτιώνει επίσης τη σταθερότητα και επιτρέπει μεγαλύτερο ωφέλιμο φορτίο για την ίδια μετατόπιση.

Ε: Ποια πρότυπα ισχύουν για τα αμυντικά προϊόντα αλουμινίου;
Το ASTM B209/B209M καλύπτει φύλλα και πλάκες, το ASTM B221 καλύπτει τις εξωθήσεις, το ASTM B928/B928M καλύπτει τη θαλάσσια πλάκα και το MIL-DTL-46027 plus MIL-DTL-46063 ορίζουν τις ποιότητες και τις ιδιότητες των πλακών θωράκισης.

Ε: Τι περιορίζει το αλουμίνιο σε στρατιωτικές εφαρμογές υψηλών-θερμοκρασιών;
Η αντοχή πέφτει απότομα πάνω από περίπου 150 μοίρες και το σημείο τήξης είναι περίπου 660 μοίρες, επομένως το αλουμίνιο δεν χρησιμοποιείται για γειτονικές κατασκευές εξάτμισης ή εξαρτήματα κάννης πιστολιού, όπου προτιμώνται οι ποιότητες χάλυβα ή τιτανίου.

Ε: Είναι το αλουμίνιο-οικονομικό σε σύγκριση με τις σύνθετες κατασκευές;
Το αλουμίνιο συνήθως κοστίζει λιγότερο ανά κιλό από τα ελασματοποιημένα υλικά από ανθρακονήματα-, είναι πιο εύκολο να επισκευαστεί στο χωράφι και μπορεί να συγκολληθεί, γεγονός που το καθιστά την προεπιλεγμένη επιλογή για μεγάλα οχήματα και κατασκευές ναυτικού.