SAVTEK 2006 BOR KARBÜR - ALÜMİNYUM KOMPOZİTLERİN BALİSTİK PERFORMANSI ÖZET

Transkript

1 SAVTEK 2006 BOR KARBÜR - ALÜMİNYUM KOMPOZİTLERİN BALİSTİK PERFORMANSI Gürsoy ARSLAN (a), Ferhat KARA (a), Servet TURAN (a), Ayşe KALEMTAŞ (a), Nihan TUNÇER (a) (a) Anadolu Üniversitesi, Malz. Bilimi ve Müh. Böl., 26555, Eskişehir, garslan@anadolu.edu.tr ÖZET Bor karbür-alüminyum kompozitleri gözenekli bor karbür altlıklara 2024 alüminyum alaşımlarının argon ortamında basınçsız olarak emdirilmesi yöntemi ile üretilmiştir. Üretilen kompozitlerdeki seramik-metal oranı emdirme öncesi ısıl çevirimler, emdirme koşulları ve başlangıç tozlarının tane boyut ve dağılımı ve emdirme sonrası ısıl çevirimler ile ayarlanarak nihai kompozitlerin içyapı, mekanik ve balistik özellikleri geniş bir yelpazede kontrol edilmiştir. İçyapısı ve mekanik özellikleri optimize edilen, kalınlığı yaklaşık 1 cm olan kompozit plakaları 1 cm kalınlığındaki cam elyaf örgülü destek plakası ile birleştirilerek elde edilen zırh sistemi, askeri standartlara uygun olarak yapılan balistik testlerde 4. seviye tehditlere (hızı m/sn olan tungsten çekirdekli mermi) karşı tam koruma sağlamıştır. Anahtar kelimeler: Bor Karbür, Kompozit, Zırh, Balistik Test BALLISTIC PERFORMANCE OF BORON CARBIDE-ALUMINUM COMPOSITES Boron carbide-aluminum composites were produced by pressueless melt infiltration of 2024 aluminum alloys into porous boron carbide preforms under an argon atmosphere. The microstructure, mechanical and ballistic properties of the final composites were controlled in a wide range by adjusting the preinfiltration heat treatment conditions, the infiltration conditions, the grain size and grain size distribution of the starting powders, and the post-infiltration heat treatment conditions. 1

2 The armour system composed of composite plates with optimized microstructure and mecahnical properties, and having a thickness of about 1 cm, joined with a 1 cm thick glass fiber woven backing plate showed full protection against level 4 threads ( armor piercing with a tungsten core having a speed of m/sec) as determined by ballistic testing according to the millitary standards. Keywords: Boron Carbide, Composite, Armour, Ballistic Testing 1. GİRİŞ Seramik zırhlar 20. yüzyılın başlarından itibaren kullanılmakta olup I. ve II. Dünya Savaşını da kapsayan karanlık çağ döneminde ilk seramik zırhlar Almanlar tarafından kullanılmıştır. I. Dünya savaşında Almanlar, tankları küçük silahlardan ve mermi parçalarından koruyabilmek için onları sert bir emaye tabakası ile kaplamışlardır. II. Dünya savaşı sırasında çeşitli hafif ve metalik olmayan zırhlar uçaklarda kullanılmıştır yılları arasındaki Rönesans döneminde yer alan Kore Savaşında, tankları çeşitli kinetik enerji tehditlerinden korumak için, silikat çekirdek üzerine dökülmüş çelik zırhlar üzerine çalışmalar yapılmıştır [1]. O dönemde, uçuşlar genelde yerden ateş açan kısa menzilli silahların menzili dışında yapıldığından, uçak mürettebatının yaralanması veya ölmesi şarapnel parçalarının askerlerin vücuduna isabet etmesinin bir sonucuydu. Yoksa, bu yeleklerin balistik tehditlere karşı herhangi bir koruması yoktu. Bu yeleklerin çok ağır olması ayrı bir dezavantaj oluşturuyordu. Yine aynı dönemdeki Vietnam Savaşı sırasında, ilgi daha çok personel ve uçakların korunmasında kullanılabilecek hafif zırh malzemelerine yönelmiştir. Balistik tehditlere karşı geliştirilen ilk hafif zırh sistemleri, genellikle alüminyum ya da cam fiber takviyeli plastikten oluşan bir destek plakası ve ona yapıştırılmış olan yaklaşık 0,8 mm kalınlığında sinterlenmiş Al 2 O 3 seramik plakalardan meydana geliyordu lı yılların başlarında, Norton firması sıcak preslenmiş B 4 C zırh sistemi ile monolitik (tek fazlı) seramik zırhların geliştirilmesinde öncü rol oynamıştır. B 4 C nin özgül ağırlığının Al 2 O 3 e göre daha düşük olması, zırhın ağırlığında göreceli olarak % 30 luk bir kazanç sağlamıştır. Hem B 4 C hem de Al 2 O 3 zırhları askeri helikopterlerde kullanılmak üzere tasarlandığından ve hareketli parçalarda ağırlık en önemli kriterlerden biri olduğundan, bu tür uygulamalar için B 4 C zırhlarına yönelik güçlü bir tercih doğmuştur [2] li yıllardan beri, B 4 C ve Al 2 O 3 nın dışında bir çok seramik zırh malzemesi başarılı bir şekilde çok karmaşık zırh sistemlerinde dahi uygulama alanı bulmuştur. Bunlar arasında bazı nitrürler (örneğin Si 3 N 4 ), borürler (örneğin TiB 2 ), spineller, karbür karışımları, SiC ve Si sayılabilir [2]. Türk Savunma Sanayii nin 2023 Vizyonu içerisinde, Küresel düzeyde ülke çıkarlarının korunmasını gözeten; ulusal güvenlik gereksinimlerini karşılayan 2

3 sistem ve teknolojileri özgün olarak araştırıp, geliştiren ve üreten; bu sistem ve teknoloji alanlarında dünya ölçeğinde rekabet, işbirliği veya karşılıklı bağımlılık gücü yaratan; ülkenin bilim ve teknoloji düzeyinin gelişmesinde öncü bir rol oynayan; toplumsal refaha katkısı tartışılmaz bir ulusal savunma sanayiine sahip olmaktır. ifadesi benimsenmiştir [3]. Zırhlar tank, helikopter, personel taşıyıcı araçları, savaş gemileri ve personel korumasında geniş bir kullanım alanına sahip olması nedeniyle gizli ve stratejik teknolojiler arasında yer almaktadır ve Vizyon 2023 belgesinde de vurgulandığı üzere mutlaka yurt içinde geliştirilmesi gereken teknolojilerdir. Bu tür teknolojilerin bazı politik ortamlarda para karşılığında bile temininin güç olduğu dikkate alındığında henüz bu teknolojiye sahip olmayan ülkemizin kendi zırh teknolojisini ulusal kaynaklarını kullanarak bir an önce üretmesinin bir zorunluluk olduğu açıktır. Ülkemizin kendi zırh teknolojisini ulusal kaynaklarını kullanarak bir an önce üretmesinin bir zorunluluk olduğu gerçeğinden hareketle, Anadolu Üniversitesinde 1997 yılında Bor Karbür-Alüminyum Kompozitlerinin Üretimi ve Karakterizasyonu konulu doktora çalışması başlatılmıştır [2]. Bu doktora çalışmasının yanı sıra üniversitemizce desteklenen Bor Karbür-Alüminyum Seramik-Metal Kompozitler projesi [4] tamamlanmış ve Bor Karbür ve Silisyum Karbür Esaslı Zırhların Üretimi ve Karakterizasyonu projesi [5] tamamlanmak üzeredir. Ayrıca yine bor karbür-alüminyum kompozit sisteminde bir adet yüksek lisans tezi tamamlanmıştır [6] Amaç Anadolu Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü nde 1997 yılından bu yana zırh sistemleri üzerinde yapılan çalışmalar ile üretim koşulları, mekanik ve balistik özellikleri optimize edilmiş prototiplerin balistik performansının istatistiki olarak belirlenmesi, üretim sürecinin seri üretime uygun hale getirilmesi ve nihayetinde geliştirilen bu zırh sistemlerinin ordunun ihtiyaçlarını karşılayacak şekilde (personel ve askeri araçların korunmasında) milli bir ürüne dönüştürülmesi hedeflenmektedir. 2. DENEYSEL Bölümümüz laboratuarlarında, yüksek kırılma tokluğuna sahip, yapısal işlevi de olan, hafif ve çoklu çarpmalara dayanıklı seramik-metal kompozitlerinin üretimi saf Al veya Al alaşımlarının gözenekli seramik altlıklara C arasında değişen sıcaklıklarda literatürde belirtilen ve pahalı olan vakum ortamından farklı olarak Ar atmosferinde infiltrasyon yöntemi ile yapılmaktadır. İnfiltrasyon yöntemi süreç koşullarının kolaylığı, seri üretime uygunluğu ve sıcak preslemeye kıyasla daha düşük sıcaklıklarda yapılabilmesi açısından düşük maliyetli bir üretim yöntemidir. Şekil 1 de seramik-metal kompozitlerinin üretiminin yapıldığı deney düzeneği gösterilmektedir. Balistik testler askeri standartlara uygun olarak yapılmıştır. Kompozitlerin balistik performansının belirlenmesinde 7.62 mm lik G3 mermileri (hızı m/sn) kullanılmıştır. G3 mermileri ile hedefe 15 m mesafeden ateş 3

4 edilmiştir. Merminin hedefe çarpmadan önceki hızı bir sensör yardımı ile elektronik olarak kaydedilmiştir. Al alaşımı Argon Gazı Gaz akış kontrol ünitesi Gözenekli B 4 C altlık Atmosfer kontrollü tüp fırın Şekil 1. İnfiltrasyon deney düzeneği 3. BULGULAR 3.1. Bor Karbür-Alüminyum Kompozit Zırh Plakaları B 4 C-Al kompozitler üzerine yapılan 8 yıllık çalışma neticesinde, seramik tozlarının ve Al alaşımlarının kompozisyonları, tane boyutları ve dağılımları ayarlanarak, seramik tozların yüzey kimyası kontrol edilerek, seramik ile metal arasındaki tepkime hızı kontrol edilerek ve üretim koşulları optimize edilerek nihai kompozitin kimyasal kompozisyonu, mikroyapısı ve mekanik özellikleri ilave ısıl işlemlerden de faydalanmak üzere geniş bir aralıkta ihtiyaca göre ayarlanabilmektedir. Bu çalışmalar neticesinde, örneğin tamamı seramik fazlardan oluşan kompozitler üretilebildiği gibi, neredeyse hiç tepkime ürünü içermeyen seramik-metal kompozitler de üretilebilmektedir (Çizelge 1). Çizelge µm B 4 C tozu, üçlü toz karışımı ve pasifleştirilmiş üçlü toz karışımından üretilen kompozitlerdeki başlangıç bileşenlerinin ve tepkime ürünlerinin toplam miktarları (% ağırlıkça) [7] Başlangıç bileşenler (B 4 C + Al) Tepkime ürünleri 47 µm B 4 C Üçlü karışım Pasifleştirilmiş üçlü karışım 94 6 İnfiltrasyon yöntemi ile 10 dakika gibi çok kısa sürelerde bile ve düşük sıcaklıklarda (<1200 C) 4 cm kalınlığında zırh plakaları kolaylıkla üretilebilmektedir (Şekil 2). Benzer şekilde büyük tüp fırınları kullanılarak daha 4

5 büyük zırh plakaları (örneğin 12 cm x 12 cm x 1 cm boyutlarında) da aynı üretim yöntemi ile üretilebilmektedir SIZDIRMA DERİNLİĞİ (mm) TUTMA SÜRESİ (DAKİKA) Şekil µm B 4 C tozundan hazırlanan peletlere 1225 C de farklı sürelerle Al sızdırılarak elde edilen sızdırma derinliği-tutma süresi grafiği [7] Balistik Test Sonuçları Anadolu Üniversitesi bünyesinde üretimiş olduğumuz kompozitlerin balistik performans testleri üç aşamada yapılmıştır. Üretilen kompozitlerin balistik performansına ilişkin ilk veriler 2000 yılının sonlarına doğru elde edilmiştir. Ancak o zamanlarda balistik testler ilgili askeri standartlara uygun olarak yapılamadı. Mermiyi tutan bir macun üzerine, destek plakası olmadan bant ile yapıştırılan kompozitlere G3 (840 m/s) mermileri ile ateş edildi. Şekil 3 ve 4 te sırasıyla, Anadolu Üniversitesinde üretilen B 4 C-Al kompozitlerinin ve dışarıdan temin edilmiş ve zırh plakası olarak kullanılan reaksiyon bağlamalı silisyum karbür (RBSC) plakasının aynı koşullar altında G3 mermisi ile atış sonrası görünümleri gösterilmektedir. Her ne kadar B 4 C-Al kompoziti G3 mermisini durduramamış ise de, aynı koşullar altında reaksiyon bağlamalı silisyum karbür (RBSC) plakasının toz haline geldiği görülmektedir. Özellikle, destek plakasının merminin kinetik enerjisinin % ını emdiği göz önünde bulundurulduğunda B 4 C-Al kompozitinin çoklu çarpmalara dayanıklı zırh malzemesi olarak kullanım potansiyeli daha iyi anlaşılabilir. 5

6 Şekil 3. Üçlü toz karışımından üretilen B 4 C-Al kompozitinin (10.4 mm kalınlığında) G3 mermisi ile atış sonrası görünümü [7].. Şekil 4. Reaksiyon bağlamalı silisyum karbür (RBSC) (12.4 mm kalınlığında) malzemesinin G3 mermisi ile atış sonrası görünümü [7]. İlk kez 2004 yılında 1 cm kalınlığındaki B 4 C-Al kompozitlerinin balistik performansı destek plakası ile birlikte sınanmıştır. Destek plakası olarak yaklaşık 1 cm kalınlığında Kevlar kullanılmıştır. Her ne kadar numunelerin incelenmesi sonucu bazı kompozisyonların bakır çekirdekli G3 mermilerini durdurmada başarılı olduğu görülmüş ise de kullanılan mermilerin hızlarının 6

7 askeri standartların altında kalması nedeniyle ( m/sn) malzemelerin balistik performansı hakkında güvenilir bir sonuca varmak mümkün olmamıştır yılının ortalarında ise, B 4 C-Al kompozitlerinin balistik performansı tekrarlanmıştır. Bu balistik testlerde standartlara uygun olarak tungsten çekirdekli G3 mermisi (hızı m/sn) kullanılmıştır. Destek plakası olarak Kevlar yerine 1 cm kalınlığında ve 7 kattan oluşan E-camı örgülü elyaf destek plakası kullanılmış olmasına rağmen, içyapısı ve mekanik özellikleri optimize edilmiş kompozisyonların seviye 4 tehditlere karşı tam koruma sağladığı tespit edilmiştir. Zırh sisteminin atış öncesi ve atış sonrası görünümü Şekil 5 de gösterilmektedir numaralı zırh plakasının atış sonrası önden görünüşü 2 numaralı zırh plakasının atış sonrası önden görünüşü 2 1 arka ön 1 ve 2 numaralı zırh plakalarının atış sonrası arkadan görünüşü 1 ve 2 numaralı zırh plakalarının atış sonrası yandan görünüşü Şekil 5. E-camı örgülü elyaf destek plakalı B 4 C-Al kompozitlerin (11 mm kalınlığında) W-çekirdekli G3 mermisi ile atış öncesi ve sonrası görünümleri 7

8 4. SONUÇLAR Süreç koşulları ayarlanarak nihai kompozitlin içyapısı ve mekanik özellikleri geniş bir yelpazede kontrol edilmiştir. İçyapısı ve mekanik özellikleri optimize edilmiş kompozit plakalarının cam elyaf örgülü destek plakalarının birleştirilmesiyle elde edilen zırh sistemi, askeri standartlara uygun olarak yapılan balistik testlerde 4. seviye tehditlere (hızı m/sn olan tungsten çekirdekli mermi) karşı tam koruma sağlamıştır. 5. TEŞEKKÜR Çalışmalarımızı, ve nolu Bilimsel Araştırma Projeleri kapsamında destekleyen Anadolu Üniversitesine çok teşekkür ederiz. 6. KAYNAKÇA 1. D. J. Viechniki,, M. J. Slavin, ve M. I. Kliman, Development and Current Status of Armor Ceramics, Ceram. Bul., 70, , B. Matchen, Applications of Ceramics in Armor Products, Key Engng. Mat., , , F. Kara, S. Turan, ve G. Arslan, Bor Karbür-Alüminyum Seramik-Metal Kompozitler, Anadolu Üniversitesi, Araştırma Fonu Saymanlığı (AFS) Projesi, Proje No: , G. Arslan, F. Kara, S. Turan, N. Tuncer ve A. Kalemtaş, Bor Karbür ve Silisyum Karbür Esaslı Zırhların Üretimi ve Karakterizasyonu, Anadolu Üniversitesi, Genel Amaçlı Bilimsel Araştırma Projesi (BAP), Proje No: , B. Taşdelen, Isıl İşlenebilir Alüminyum Alaşımların Bor Karbür- Alüminyum Kompozitlerinin Mekanik Özelliklerine Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Müh. Böl., Eskişehir, Arslan, G., Bor Karbür-Alüminyum Kompozitlerinin Üretimi ve Karakterizasyonu, Doktora Tezi, Anadolu Üniversitesi, Malzeme Bilime ve Müh. Böl., Eskişehir,