1 前言

    各類地面武器裝備在戰(zhàn)斗部署過(guò)程中，需要采用火車(chē)、船舶、汽車(chē)、飛機(jī)甚至采用直升機(jī)運(yùn)輸，各類運(yùn)輸工具對(duì)地面武器裝備的體積與重量均有明確的限制，所以地面武器裝備的輕量化對(duì)其運(yùn)輸與吊裝均有十分重要的意義。對(duì)于沒(méi)有鐵路、公路、港口、機(jī)場(chǎng)等交通設(shè)施的山區(qū)，地面武器裝備最快捷的部署方式就是采用直升機(jī)吊運(yùn)，由于直升機(jī)的單次吊運(yùn)能力十分有限，所以對(duì)于山區(qū)作戰(zhàn)使用的地面武器裝備如火炮等的輕量化意義十分重大，甚至可能直接影響到戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)。地面武器裝備輕量化就是在滿足戰(zhàn)斗威力和安全性的前提下，解決軍方對(duì)火炮體積和重量的要求，提高裝備的機(jī)動(dòng)性能，并取得良好的作戰(zhàn)使用效果。地面武器裝備的輕量化是提高其機(jī)動(dòng)性的主要措施之一，機(jī)動(dòng)性能的提升可顯著提升裝備部署運(yùn)輸?shù)哪芰εc運(yùn)輸方式的適配性，可提升武器裝備快速部署戰(zhàn)場(chǎng)與打擊敵人，同時(shí)在完成打擊后裝備迅速轉(zhuǎn)移陣地提升自身戰(zhàn)場(chǎng)生存能力[1,2] 。

    為了使用未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)地面武器裝備機(jī)動(dòng)靈活性的要求，各軍事強(qiáng)國(guó)都在積極開(kāi)展地面武器裝備輕量化的研究工作。

    地面武器裝備的輕量化解決技術(shù)途徑包括：優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化制造工藝與選用高性能輕質(zhì)材料等技術(shù)途徑。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括采用更加合理的布局和構(gòu)件外形、優(yōu)化斷面形狀、選擇更加合理的受力結(jié)構(gòu)等，如火炮武器加裝合理的炮口制退器，減輕炮座配重等。優(yōu)化制造工藝包括采用性能優(yōu)異的變形件 +合理的焊接工藝 + 先進(jìn)的熱處理工藝等替代以往的性能較低、笨重的整體鑄造件等實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重。選用高性能輕質(zhì)材料包括在技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)許可的前提下，選用鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料等替代傳統(tǒng)的鋼材，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，下面就典型地面武器裝備輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中使用輕質(zhì)高強(qiáng)鈦合金材料進(jìn)行綜述[3] 。

    2 鈦合金在典型地面武器裝備中的應(yīng)用

    2.1鈦合金材料在牽引火炮中的應(yīng)用

    為了適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，火炮武器系統(tǒng)的發(fā)展朝著不斷提高機(jī)動(dòng)性能、作戰(zhàn)威力、精確打擊能力以及自身防護(hù)與生存能力的方向發(fā)展。傳統(tǒng)意義上，火炮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)威力的提升需要以犧牲機(jī)動(dòng)性為前提，即裝備作戰(zhàn)威力的提升通常需要通過(guò)增加裝備體積與重量而實(shí)現(xiàn)，體積與重量的增加必然會(huì)降低裝備的快速機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力。所以，在滿足火炮武器系統(tǒng)一定作戰(zhàn)威力的前提下，盡可能減輕裝備重量提升其機(jī)動(dòng)能力是目前火炮武器系統(tǒng)發(fā)展的主要方向與研究熱點(diǎn)。

    冷戰(zhàn)后，美軍積極調(diào)整全球軍事戰(zhàn)略，用“兵力投送”替代了過(guò)去的“前沿部署”，即發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)，采用空運(yùn)為主的戰(zhàn)略機(jī)動(dòng)方式快速部署部隊(duì)，十分重視發(fā)展輕型師部隊(duì)的快速部署能力和作戰(zhàn)能力，并將“快速部署能力”列為“未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)”的主要特點(diǎn)之一，要求火炮武器“個(gè)頭要小、火力要猛”，所以性能更好、重量更輕的火炮武器裝備是美軍 21 世紀(jì)發(fā)展與裝備的重點(diǎn)武器裝備。基于實(shí)戰(zhàn)的需求，火炮輕量化問(wèn)題早已為各軍事強(qiáng)國(guó)所重視與發(fā)展，在炮體結(jié)構(gòu)選材時(shí)，適當(dāng)考慮采用輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料是實(shí)現(xiàn)火炮輕量化的必由之路。鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，是非常理想的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料，可替代密度高的結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)用于火炮系統(tǒng)的制造，以實(shí)現(xiàn)火炮系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)要求。

    M198 牽引式 155mm 口徑火炮是美國(guó)陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的主要支援火炮，由于炮重超過(guò) 7t，導(dǎo)致其機(jī)動(dòng)性能不夠理想。在上世紀(jì) 80 年代，根據(jù)美軍第 82 空降師、第 101 空中突擊師和輕步兵師的要求，提出發(fā)展一種重量不超過(guò) 4082kg（以滿足“黑鷹”直升機(jī)的吊運(yùn)）、性能優(yōu)于 M198 的榴彈炮，這一計(jì)劃同時(shí)得到美國(guó)海軍的積極支持。在此背景下，美國(guó)與英國(guó)的軍工部門(mén)決定聯(lián)合研制一種機(jī)動(dòng)性能良好的 155mm口徑的輕型榴彈炮，英國(guó)的維克斯造船與工程有限公司（后并入英國(guó) BAE宇航系統(tǒng)公司）于 1989 年研制出了首門(mén) 155mm 口 徑 UFH（Ultra-lightweightField Howitzer，“超輕型野戰(zhàn)榴彈炮”）樣炮，1994 年該炮初步設(shè)計(jì)定型，后期交付部隊(duì)進(jìn)行工程檢驗(yàn)與改進(jìn)工作。1997 年美國(guó)陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)選定該炮作為未來(lái)主要支援火炮裝備以取代老舊沉重的 M198 牽引式火炮，工程發(fā)展性UFH 正式命名為 XM777 聯(lián)合輕型 155mm榴彈炮，經(jīng)過(guò) 5 年的工程制造與試驗(yàn)改進(jìn)，2002 年 11 月美軍方與英國(guó) BAE 系統(tǒng)公司正式簽訂小批量供貨合同，2004年美軍開(kāi)始對(duì)該火炮批產(chǎn)型號(hào) M777 式155mm 口徑輕型牽引榴彈炮進(jìn)行作戰(zhàn)試驗(yàn)和評(píng)估。

    M777 式 155mm 口徑輕型牽引榴彈炮是世界上第一種在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造中大量使用輕質(zhì)鈦合金材料的火炮系統(tǒng)，從而使得該炮的重量較傳統(tǒng)的野戰(zhàn)火炮大幅度減輕，M777 全炮總重僅為3745kg，是目前世界上最輕的 155mm 口徑野戰(zhàn)榴彈炮。同時(shí) M77 榴彈炮結(jié)構(gòu)輪廓低、易于裝載吊運(yùn)與機(jī)動(dòng)部署。美軍作戰(zhàn)環(huán)境試驗(yàn)表明，M777 榴彈炮戰(zhàn)斗行動(dòng)時(shí)的操作性比 M198 系列火炮更靈便，M777 牽引榴彈炮以 50km/h 越野牽引速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，在接到己方火力支援要求的 2min 內(nèi)，便可對(duì)目標(biāo)實(shí)施精確打擊，隨后僅用 2min 的時(shí)間便可迅速更換作戰(zhàn)陣地或繼續(xù)轉(zhuǎn)入繼續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，具有很強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)打擊能力與生存能力。該炮遠(yuǎn)距離空運(yùn)可采用 C-130、C-17等運(yùn)輸機(jī)，近距離部署可采用 UH-60I/H“黑鷹”直升機(jī)、MV-22“魚(yú)鷹”傾旋翼機(jī)吊運(yùn)。地面機(jī)動(dòng)時(shí)，近距離可使用“悍馬”車(chē)牽引，遠(yuǎn)距離機(jī)動(dòng)時(shí) 20t級(jí)的卡車(chē)便可拖行，M777 榴彈炮當(dāng)之無(wú)愧是當(dāng)今大口徑輕型牽引式火炮的典范之作。

    鈦合金材料的大量使用是 M777 榴彈炮實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重的關(guān)鍵技術(shù)之一，該炮的大架、射擊坐盤(pán)、搖架、鞍型安裝部、駐鋤、車(chē)輪輪轂等關(guān)鍵承力部件均用鈦合金材料制造。

    據(jù)報(bào)道，M777 榴彈炮制造過(guò)程中共使用了 960kg 的鈦合金材料，占到全炮結(jié)構(gòu)總重的 25.63%。雖然鈦合金的價(jià)格比較昂貴，但是研制單位在對(duì)各種金屬?gòu)?fù)合材料、非金屬?gòu)?fù)合材料、鈦合金材料等進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)后，認(rèn)為鈦合金材料的技術(shù)成熟度高、剛性好、耐腐蝕性優(yōu)異，最終決定大量使用鈦合金材料制造 M777 榴彈炮主要承力結(jié)構(gòu)部件。英國(guó) BAE 系統(tǒng)公司研制的 M777 式155mm 口徑榴彈炮的鈦合金零部件主要由美國(guó)的 RMI 公司生產(chǎn)提供，RMI 的母公司 RTI 國(guó)際有限公司曾稱，2003 年至 2010 年總共要生產(chǎn)出 821 門(mén) M777 榴彈炮，其中美國(guó)軍隊(duì)將得 686 門(mén)、意大利軍隊(duì) 70 門(mén)、英國(guó)軍隊(duì) 65 門(mén)，2016 年美國(guó)《防務(wù)新聞》報(bào)道，印度獲批采購(gòu)145 門(mén) M777 超強(qiáng)榴彈炮，用于裝備部署在中印、中巴邊界附近的山地師。

    2014 年的珠海航展上，我國(guó)研制的AH-4 型 155mm 口徑超輕型榴彈炮作為空降兵裝備進(jìn)行了公開(kāi)靜態(tài)展出，具宣傳 AH-4 型 155mm 口徑超輕型榴彈炮的總重量也在 4t 左右。目前世界上傳統(tǒng)的 155mm 口徑的榴彈炮重量大都在 7至 8t 之間，能夠達(dá)到 4t 左右的一個(gè)是M777 榴彈炮、一個(gè)就是我國(guó)的 AH-4型榴彈炮。展出實(shí)物與公開(kāi)資料表明，AH-4 型輕型榴彈炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路類似美軍 M777 式榴彈炮，同樣采用 H 型整體炮架與四腳大架設(shè)計(jì)，大架在行軍過(guò)程中可向上折疊，前部的兩個(gè)助鋤能夠在兩側(cè)折疊，以在運(yùn)輸過(guò)程中縮小跑的外形尺寸；炮口裝有炮口制退器，以有效降低射擊過(guò)程中的反作用力。

    與 M777 榴彈炮一樣，為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，AH-4 型榴彈炮設(shè)計(jì)過(guò)程中同樣采用了一定數(shù)量的輕質(zhì)高強(qiáng)的鈦合金材料與鋁合金材料制造承力部件，如搖架、上架均由鈦合金焊接（鑄造）成型。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝方面，設(shè)計(jì)師創(chuàng)造性地提出鑄焊混合的搖架結(jié)構(gòu)，圓滿解決了搖架剛強(qiáng)度與重量和工藝性的矛盾，在國(guó)內(nèi)首次突破了鈦合金用于制造大口徑火炮架體的技術(shù)瓶頸，取得了關(guān)鍵性的研究成果，鈦合金材料約占全炮重量的 20%。AH-4 型榴彈炮同樣具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，可采用直升機(jī)吊運(yùn)部署，具有很好的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)性能，對(duì)增強(qiáng)山地部隊(duì)和快反部隊(duì)的火力支援能力大有裨益。

    2.2鈦合金材料在自行火炮中的應(yīng)用

    大口徑自行火炮是國(guó)內(nèi)外地面部隊(duì)主力壓制武器系統(tǒng)，目前主流的第三代大口徑自行火炮主要有 155mm 口徑的德國(guó) PZH2000、英國(guó)的 AS-90、俄羅斯的2S19M1、中國(guó)的PLA-05、韓國(guó)的K-9等，這些主力的自行式火炮具有遠(yuǎn)射程、高射速、大威力等突出優(yōu)勢(shì)，但是這些自行火炮均存在結(jié)構(gòu)重量過(guò)大的缺點(diǎn)，目前這些履帶式自行火炮的全重基本都在 40t 以上，如美國(guó)上世紀(jì) 90 年代研制的“十字軍戰(zhàn)士”自行火炮的全重達(dá)到了 60t。過(guò)大的結(jié)構(gòu)重量嚴(yán)重影響自行火炮的遠(yuǎn)距離投送和戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)能力。美國(guó)國(guó)際預(yù)測(cè)公司武器組在《自行火炮系統(tǒng)市場(chǎng)》分析報(bào)告中提出，未來(lái)自行火炮的發(fā)展趨勢(shì)是輕量化、高機(jī)動(dòng)性方向。

    為了解決第三代自行式火炮結(jié)構(gòu)過(guò)重、不利于戰(zhàn)略投送與戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)的缺點(diǎn)，各國(guó)都在積極研制開(kāi)發(fā)第四代自行火炮系統(tǒng)。一是采用新型的汽車(chē)式底盤(pán)取代傳統(tǒng)的履帶式底盤(pán)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，如英國(guó) BAE 系統(tǒng)公司正在以 M777 輕型榴彈炮為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)機(jī)動(dòng)性能與現(xiàn)代化程度更高的車(chē)載自行式榴彈炮，即將 M777輕型榴彈炮安裝到輕型卡車(chē)的底盤(pán)上，形成“輕型機(jī)動(dòng)式火炮系統(tǒng)”，該“輕型機(jī)動(dòng)式火炮系統(tǒng)”全重在 12t 至 13t，可使用 C-130、C-17 等運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行戰(zhàn)略投送，也可分解為卡車(chē)和火炮兩部，采用直升機(jī)快速吊運(yùn)部署。

    二是采用新型的設(shè)計(jì)理念與輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，具體的技術(shù)方案有采用鈦合金材料被管的輕質(zhì)復(fù)合身管、采用高效能的鈦合金材料炮口制退器等，通過(guò)減輕火炮起落部分質(zhì)量并降低后坐力的方式實(shí)現(xiàn)火炮減重。這些設(shè)計(jì)思想已經(jīng)在美國(guó)“非瞄準(zhǔn)線火炮”、俄羅斯“聯(lián)盟”火炮上進(jìn)行了部分驗(yàn)證。以炮口制退器為例，傳統(tǒng)的為鑄鋼件，由于重量大使得炮管發(fā)生重力彎曲變形，影響到火炮的射擊角度與穩(wěn)定性。采用鈦合金材料制造炮口制退器可較傳統(tǒng)的鋼質(zhì)材料減重 30% 至 40%，由于炮口制退器重量的減輕可明顯降低炮管的重力變形撓度，提高火炮的射擊精度，同時(shí)對(duì)應(yīng)的炮座配重也可大幅度減輕。另外，美國(guó)陸軍在“十字軍戰(zhàn)士”自行火炮研制項(xiàng)目中，采用 Ti-6Al-4V 鈦合金材料制造榴彈炮的炮座，重量較鋼制材料減輕 31%。

    2.3鈦合金材料在裝甲車(chē)輛中的應(yīng)用

    隨著反裝甲武器的快速發(fā)展，各類穿甲能力優(yōu)異的火炮武器不斷推出，對(duì)裝甲車(chē)輛的防護(hù)能力提出了越來(lái)越高的要求，即戰(zhàn)車(chē)的裝甲厚度和重量不斷增加，有數(shù)據(jù)顯示裝甲戰(zhàn)車(chē)的重量在十余年的時(shí)間內(nèi)增加了 15% 至 20%，整車(chē)重量的不斷增加嚴(yán)重影響其機(jī)動(dòng)能力。以美國(guó)的 M1A1 艾布拉姆斯坦克為例，該坦克裝備有 120mm 口徑的滑膛炮，因其出類拔萃的超常性能（火力與防護(hù)能力）揚(yáng)威于世，但是也是世界上最重的坦克之一，巨大的重量使其在松軟的沙漠上遠(yuǎn)不能像在硬地上馳騁自如，降低了戰(zhàn)術(shù)性能。

    針對(duì)裝甲車(chē)輛的減重問(wèn)題，為了提高車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性以及裝甲的抗彈能力，美國(guó)水城兵工廠曾對(duì)鈦合金的抗彈性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，試驗(yàn)表明鈦合金材料防彈性能和標(biāo)準(zhǔn)的鋼裝甲相當(dāng)，其抗破片性能較鋼裝甲優(yōu)異，在防彈性能相同的條件下，鈦裝甲較鋼裝甲可減重25%。由此可見(jiàn)，采用鈦合金替代鋼質(zhì)材料制造裝甲車(chē)輛防護(hù)裝甲及其它部件是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛減重的有效途徑之一。所以，后期美國(guó)針對(duì) M1A1 艾布拉姆斯坦克減重問(wèn)題開(kāi)展了大量的以鈦代鋼的研究和現(xiàn)役裝備的工程改造工作，第一階段生產(chǎn)和鑒定了兩組鈦合金部件，每組七件：回轉(zhuǎn)炮塔、生化武器對(duì)抗系統(tǒng)護(hù)蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)頂蓋、炮塔樞軸架、指揮艙蓋、炮手主瞄準(zhǔn)具罩、熱成像觀察儀罩等，可實(shí)現(xiàn)減重 475kg，見(jiàn)表 1。

    美國(guó)也針對(duì) M2“布萊德雷”戰(zhàn)車(chē)上開(kāi)展了大量鈦合金部件的應(yīng)用研究工作，M2 戰(zhàn)車(chē)的指揮艙蓋原本采用變形鋁合金制造，后來(lái)美國(guó)陸軍改用變形Ti-6Al-4V 鈦合金制造，每個(gè)指揮艙蓋實(shí)現(xiàn)減重 35%，同時(shí)大大提高其防彈能力。海軍兩棲裝甲車(chē)輛在渡海搶灘過(guò)程中，需要在海水中涉水快速行駛登陸作戰(zhàn)，一是要求戰(zhàn)車(chē)的車(chē)體外部表面及內(nèi)部構(gòu)件具有良好的抗海水腐蝕性能，以滿足日常高批次訓(xùn)練及保養(yǎng)，二是要求車(chē)體盡可能的輕量化，以實(shí)現(xiàn)高速高機(jī)動(dòng)渡海搶灘作戰(zhàn)要求。美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)積極尋求和論證的先進(jìn)兩棲突擊車(chē)輕量化設(shè)計(jì)制造方案之一，就是采用輕質(zhì)高強(qiáng)的鈦合金材料替代傳統(tǒng)的鋼質(zhì)材料制造車(chē)輛的負(fù)重輪、平衡臂、負(fù)重齒輪箱等部件。俄羅斯也在裝甲車(chē)輛的輕量化方面積極開(kāi)展以鈦代鋼的工程化研究工作，如 52t 級(jí)別的 T-80 主戰(zhàn)坦克中使用 BT6、BT1-0 等鈦合金材料制造其發(fā)動(dòng)機(jī)外殼門(mén)、炮塔回轉(zhuǎn)支架等，較傳統(tǒng)的鋼質(zhì)材料減重 40% 以上。

    高機(jī)動(dòng)性、輕量化、高防御能力以及高可靠性是未來(lái)裝甲車(chē)輛發(fā)展的必然方向，為了提高作戰(zhàn)部隊(duì)的機(jī)動(dòng)能力，其裝甲車(chē)輛就需要實(shí)現(xiàn)輕量化。鈦合金材料比強(qiáng)度、抗彈能力、耐腐蝕能力等均優(yōu)于軋制均質(zhì)裝甲鋼，是裝甲車(chē)輛制造中具有發(fā)展前途的金屬結(jié)構(gòu)材料。將鈦合金材料用于兩棲戰(zhàn)車(chē)結(jié)制造，不但能夠減輕裝備重量、增加裝備機(jī)動(dòng)性，同時(shí)能夠有效防止結(jié)構(gòu)腐蝕。

    2.4 鈦合金材料在彈藥中的應(yīng)用

    美軍為了精確打擊能力，以 MK-80系列常規(guī)炸彈為基礎(chǔ)，發(fā)展出了精確制導(dǎo)的聯(lián)合攻擊武器（JDAM），即 GBU-39、GBU-38、GBU-32、GBU-31 等系列精確制導(dǎo)彈藥。

    據(jù)報(bào)道，美國(guó)聯(lián)合攻擊武器（JDAM）系列中的 GBU-38、GBU-32、GBU-31 彈藥的主承力結(jié)構(gòu)件采用了 10% 至 20%的鈦合金材料，主要部件包括戰(zhàn)斗部支撐座、彈翼接頭、掛架、艙體對(duì)接框等，所采用的鈦合金牌號(hào)是 Timet 公司研制開(kāi)發(fā)的一種低成本鈦合金 Timetal LCB合金，使用狀態(tài)為固溶 + 時(shí)效態(tài)，其屈服強(qiáng)度在 900MPa 以上，較傳統(tǒng)的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)減重 40% 左右。

    末端敏感彈藥是一種能夠在彈道末段探測(cè)出目標(biāo)并實(shí)施攻擊的精確打擊彈藥，具有作戰(zhàn)距離遠(yuǎn)、命中概率高、毀傷效果好、效費(fèi)比高和發(fā)射后不管等優(yōu)點(diǎn)，一般采用大口徑火炮發(fā)射，主要用于攻擊裝甲車(chē)輛的頂端等薄弱部位。我國(guó)某型號(hào)的炮射末端敏感彈藥研制過(guò)程中，由于受到空間小、過(guò)載高的服役工況要求，其上的關(guān)鍵部件要求其材質(zhì)屈服強(qiáng)度不能小于 1140MPa，研制初期采用 D6BA 高強(qiáng)度鋼材制造該部件，后期發(fā)現(xiàn)由于重量過(guò)重不能滿足全彈質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣性等設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)計(jì)算，確定該部件在強(qiáng)度指標(biāo)不變的情況下需要減重 40% 才能滿足設(shè)計(jì)要求，最終采用 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe 高強(qiáng)高韌鈦合金材料取代最初的 D6BA 高強(qiáng)度鋼制造該部件，使得部件單重由原來(lái)的0.37kg降低到0.22kg，滿足了工程需求。

    2.5鈦合金材料在單兵武器中的應(yīng)用

    M107 步槍是在美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)大量使用的 12.7mm 口徑狙擊步槍，有效精確射程可達(dá) 2000m，但是由于屬于大口徑步槍其重量較大，為了減輕重量降低單兵作戰(zhàn)的負(fù)荷，巴雷特公司發(fā)展出了M107A1 改進(jìn)型狙擊步槍，采用鈦合金材質(zhì)的制退器和槍管實(shí)現(xiàn)減重約1.8kg。同樣，由美國(guó)巴雷特公司研發(fā)生產(chǎn)的M82 重型阻擊步槍，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)減重，也在改進(jìn)型的 M82A1LW 中包括槍口制退器在內(nèi)部一些小部件由鋼材改為鈦合金材料。我國(guó)采用純鈦和 Ti-451鈦合金材料制造的噴火器，較傳統(tǒng)的鋼件重量減輕 3kg，大幅度降低了士兵的攜帶負(fù)荷，提高了單兵行軍機(jī)動(dòng)能力。采用 TA7 鈦合金制造的防彈衣薄裝甲也較鋼質(zhì)裝甲重量減輕，降低了士兵的穿戴負(fù)荷、提高士兵作戰(zhàn)的敏捷度。

    3 地面武器裝備應(yīng)用鈦合金面臨的問(wèn)題與解決途徑

    鈦合金具有高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性能以及良好的抗彈性能等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，使其在火炮、裝甲車(chē)輛等地面武器裝備方面具有廣泛的應(yīng)用潛力，受到世界軍事工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的關(guān)注與典型應(yīng)用。但是，鈦合金材料的成本至少是傳統(tǒng)火炮、裝甲車(chē)輛制造用鋼材的兩倍以上，如結(jié)構(gòu)大量采用鈦合金材料的M777 輕型榴彈炮的單價(jià)是傳統(tǒng) M198 榴彈炮的 1.5 倍；美國(guó)陸軍“十字軍戰(zhàn)士”自行火炮研制項(xiàng)目采用鈦合金材料制造其榴彈炮座后實(shí)現(xiàn)減重 31%，但是成本增加了 14%；俄羅斯在 T-80 主戰(zhàn)塔克中使用的鈦合金材料代替鋼材以滿足減重要求，但是由于鈦合金成本高，僅在其發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、炮塔回轉(zhuǎn)支架等典型防護(hù)單元局部使鈦合金材料。可以看出，鈦合金材料成本過(guò)高是限制其在地面武器裝備中廣泛應(yīng)用的最主要原因。

    武器裝備結(jié)構(gòu)材料選用的一般原則：一是高性能，即各項(xiàng)性能指標(biāo)適應(yīng)使用環(huán)境工況；二是工藝性，即在材料各項(xiàng)性能滿足零件設(shè)計(jì)要求的前提下，其加工工藝性（鍛壓、焊接、熱處理等工藝性能）應(yīng)滿足零件加工制造成型要求；三是經(jīng)濟(jì)性，一種材料的大面積工程應(yīng)用，不僅要靠它的性能和質(zhì)量，還要看它經(jīng)濟(jì)性及性價(jià)比。從上述內(nèi)容可以看出，從鈦合金材料自身的性能來(lái)考慮，是一種非常理想的地面武器裝備結(jié)構(gòu)用金屬材料。但是，要想在裝備數(shù)量眾多的地面武器裝備中大量使用鈦合金材料，必須要想方設(shè)法降低其綜合成本，以獲取最大程度的性價(jià)比。

    3.1鈦合金材料合金化的低成本途徑

    美國(guó)在低成本軍用鈦合金方面開(kāi)展了大量研究和工程應(yīng)用工作，如 Timet公司以低廉的 Al-Fe 中間合金取代較貴的 Al-Mo 中間合金開(kāi)發(fā)出了 Timetal62S 低成本鈦合金，在同等的性能水平 下 成 本 較 Ti-6Al-4V 降 低 15% 至20%。RMI 公司增加了 Ti-6Al-4V 鈦合金的氧含量制造出了性能高的鈦合金材料，在成本不變的情況下提高了材料的強(qiáng)度與抗彈性能。另外日本及我國(guó)也在積極開(kāi)展低成本鈦合金的研制開(kāi)發(fā)工作，同樣是采用低成本的 Fe 元素取代價(jià)格較貴的 Mo、V 元素進(jìn)行合金化。

    3.2鈦合金零部件成型工藝選擇的低成本途徑

    美國(guó)針對(duì)鈦合金零部件加工成型工藝的低成本化開(kāi)展了一系列工作，依據(jù)具體的地面武器裝備零部件制造要求，從鈦合金的熔煉、鑄造、焊接等成型工藝方面進(jìn)行了工程應(yīng)用研究。如采用電子束冷床爐一次熔煉取代傳統(tǒng)的真空自耗二次或三次熔煉以降低熔煉制造成本；采用熔模精密鑄造成型技術(shù)取代鍛造成型 + 機(jī)械加工成型工藝，以提高原材料的利用率而降低制造成本。有報(bào)道稱，M777 榴彈炮原設(shè)計(jì)的鈦合金結(jié)構(gòu)小零件數(shù)量時(shí) 973 件，后采用整體鑄造成型工藝后，其數(shù)量減少到 419 件，其焊接點(diǎn)由原 2458 處減少至 483 處，改成整體精鑄件后因?yàn)榱慵?shù)量的減少，取消了大量繁瑣的裝配工作從而提高了工作效率、降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)，材料的有效利用率也增加不少，進(jìn)一步降低了制造成本，采用整體鑄造成型技術(shù)制造的鈦合金牽引架可降低成本 47%。

    3.3鈦合金材料加工制造成本的發(fā)展方向

    從鈦合金材料的特性來(lái)看，非常適用于地面武器裝備對(duì)高機(jī)動(dòng)性能、耐環(huán)境腐蝕性能等的要求。過(guò)去將鈦列入稀有金屬的范疇，主要是其冶煉困難、造成材料成本過(guò)高，同時(shí)由于其熔煉、鍛造、軋制、焊接等熱加工技術(shù)復(fù)雜，以及缺乏系統(tǒng)全面的概念認(rèn)識(shí)及相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)等技術(shù)文件體系支撐，制約了其在地面武器裝備中的大面積推廣應(yīng)用。其實(shí)鈦在地殼中的豐度很高（豐度在地殼所有元素中排名第九，占質(zhì)量的 0.16%），近年來(lái)隨著其冶煉技術(shù)和熱加工技術(shù)的大幅度進(jìn)步，鈦的價(jià)格已經(jīng)大幅度下降，鈦合金目前已經(jīng)具備地面武器裝備的經(jīng)濟(jì)性（資源多、工藝逐件成熟、生產(chǎn)成本逐年降低，海綿鈦從最早的不低于 20 萬(wàn)元 / 噸降低到現(xiàn)在的 5 萬(wàn)元 / 噸左右）的要求。近幾十年隨著航空航天用鈦工作的開(kāi)展，鈦合金的熔煉鑄造工藝性、鍛造工藝性、焊接工藝性能、熱處理工藝性、表面處理工藝性以及切削加工性等工藝技術(shù)成熟度越來(lái)越高，具備裝備制造對(duì)其工藝性的要求。

    隨著鈦原材料冶煉技術(shù)與合金加工技術(shù)的日趨成熟，鈦合金材料的加工制造成本向總體降低的方向發(fā)展，其在輕量化地面武器裝備中應(yīng)用的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)較其它材料也日趨明顯。

    4 結(jié)論

    鈦合金材料出現(xiàn)于二十世紀(jì)中葉，因其具有高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性以及無(wú)磁性等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)出現(xiàn)就在航空航天等對(duì)重量要求敏感的領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)幾十年的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與工程應(yīng)用研究等工作，我國(guó)航空航天領(lǐng)域鈦合金材料的研究與工程應(yīng)用工作已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，與美國(guó)、俄羅斯等并駕齊驅(qū)。但是在火炮、裝甲車(chē)輛等地面武器裝備方面，鈦合金材料的研究與工程應(yīng)用水平與美國(guó)還存在很大差距。目前，我國(guó)還沒(méi)有形成地面武器裝備制造用鈦合金材料體系，針對(duì)地面武器裝備的鈦合金材料標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等較為匱乏。

    建議裝備主管部門(mén)組織進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，借鑒美國(guó)的做法，將裝備減重與腐蝕防護(hù)在設(shè)計(jì)時(shí)引入，在設(shè)計(jì)階段就要充分考慮裝備服役環(huán)境的特殊性，在成本可接受的前提下更多選擇一些輕質(zhì)、耐腐蝕的鈦合金材料。同時(shí)，統(tǒng)籌建立地面武器裝備鈦合金材料體系并形成系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和數(shù)據(jù)庫(kù)，推進(jìn)鈦合金材料在地面武器裝備中的大范圍應(yīng)用，以其提升我國(guó)地面武器裝備整體戰(zhàn)術(shù)性能和服役壽命指標(biāo)！

    參考文獻(xiàn)

    [1] 《世界火炮手冊(cè)》編輯部編。世界火炮手冊(cè) [M].北京：兵器工業(yè)出版社，1991.

    [2] 張相炎。新概念火炮技術(shù) [M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2014.

    [3] 張相炎，鄭建國(guó)，楊軍榮。火炮設(shè)計(jì)理論 [M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

（來(lái)源：知網(wǎng)）