โลหะผสมไทเทเนียมในปืนใหญ่

ปืนใหญ่เป็นอุปกรณ์หลักของกองทัพในการดำเนินการปราบปรามการโจมตีระยะไกลอย่างแม่นยำต่อศัตรู และมีบทบาทสำคัญในกระบวนการต่อสู้ ในสงครามในอนาคต ปืนใหญ่จะยังคงเป็นอุปกรณ์การต่อสู้หลักของกองทัพ ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของวัสดุขั้นสูง เช่น โลหะผสมไททาเนียม อลูมิเนียมอัลลอยด์ และเทคโนโลยีการผลิตส่วนประกอบ อนาคตของปืนใหญ่ในแง่ของความแม่นยำ ระยะ กำลัง และความคล่องตัวจะมีการปรับปรุงที่สำคัญ ปืนใหญ่เบาพิเศษ M777 ของสหรัฐฯ เป็นกรณีทั่วไปของการใช้โลหะผสมไทเทเนียมและโลหะผสมอลูมิเนียมและปรับปรุงประสิทธิภาพของปืนใหญ่
ปืนสนามน้ำหนักเบาพิเศษ (UFH) M777 ได้รับการเสนอโดยกองทัพสหรัฐฯ และนาวิกโยธินในปี 1997 เพื่อแทนที่ปืนลากจูงขนาด M198 155 มม. และเป็นครั้งแรกที่ M777 ใช้โลหะผสมเบาจำนวนมาก และด้วยการออกแบบที่เป็นนวัตกรรมและกระบวนการผลิตขั้นสูง น้ำหนักของ M777 จึงลดลงจาก 16,000 ปอนด์ของ M198 เหลือน้อยกว่า 9,000 ปอนด์ ซึ่งประมาณครึ่งหนึ่งของน้ำหนักปัจจุบัน M198 ทำให้ง่ายต่อการขนส่งและลากจูงด้วยความเร็วสูง และช่วยให้ขนย้ายและลากจูงได้ง่ายด้วยความเร็วสูง ทำให้ง่ายต่อการขนส่งและลากจูงด้วยความเร็วสูง
1) การใช้โลหะผสมไทเทเนียมอย่างกว้างขวาง
เมื่อเทียบกับ M198 แล้ว M777 ใช้โลหะผสมไทเทเนียม การหล่อไทเทเนียม และโลหะผสมอลูมิเนียมจำนวนมาก ทำให้น้ำหนักลดลงได้ 3,175 กก. (7,000 ปอนด์) หรือ 44% โลหะผสมไทเทเนียมได้รับการจัดหาโดย RTI International Metals และ M777 มีน้ำหนัก 3,745 กก. และสามารถขนส่งได้โดยเฮลิคอปเตอร์ เครื่องบินขนส่ง และเรือ ปืนลากจูงสามารถลากจูงได้ด้วยยานพาหนะ 4 ◇4 คันที่มีขนาดใหญ่กว่า 2.5 ตัน ปืนครก M777 ได้รับการอัปเกรดด้วยดีไซน์ใหม่ ปืนครก M777 ได้รับการอัพเกรดด้วยดีไซน์ใหม่ M777A1 พร้อมระบบควบคุมการยิงแบบดิจิทัล และ M777A2 พร้อมการอัพเกรดซอฟต์แวร์และความสามารถในการใช้กระสุนเอ็กซ์คาลิเบอร์
ปืนน้ำหนักเบาพิเศษ M777 ที่มีต้นทุนต่ำและน้ำหนักเบาเกิดจากการใช้โลหะผสมและส่วนประกอบไทเทเนียมและอะลูมิเนียมอย่างกว้างขวาง โลหะผสมไทเทเนียมที่มีต้นทุนต่ำเพียงอย่างเดียวไม่สามารถบรรลุเป้าหมายเหล่านี้ได้
2) การนำเทคโนโลยีการผลิตขั้นสูงมาใช้
NCEMT ได้ผลิตท่อโยกและท่อหดไทเทเนียมที่มีรูปทรงไหลที่ใหญ่ที่สุดในโลก
FlowForming เป็นกระบวนการขึ้นรูปเย็นที่ผลิตกระบอกสูบกลวงที่มีขนาดที่แม่นยำมาก ชิ้นส่วนไทเทเนียม FlowFormed สามารถมีรูปร่างใกล้เคียงตาข่าย ช่วยลดเศษในการผลิตชิ้นส่วนโลหะผสม กระบวนการที่มีความแม่นยำสูงทำให้สามารถนำไปใช้ในการใช้งานด้านการบินและอวกาศและการทหารได้หลากหลาย NCEMT กำลังตรวจสอบการผลิตท่อแบบโยกด้วยต้นทุนที่ลดลงและของเสียที่ลดลง เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการอัดขึ้นรูปและการตัดเฉือนในปัจจุบัน Dynamic Machine Works (DMW) ในเมืองบิลเลริกา รัฐแมสซาชูเซตส์ กำลังค้นคว้ากระบวนการไหลขึ้นรูปสำหรับท่อโยก ท่อไทเทเนียมที่มีรูปทรงไหลที่ใหญ่ที่สุดถูกผลิตขึ้น โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5.6 นิ้วและความยาว 72 นิ้ว (ประมาณ 1.8 ม.)
โดยการไหลขึ้นรูป ท่ออัลลอยด์ Ti-6Al- 4V ที่มีความหนาจะถูกอัดขึ้นรูปรอบๆ แกนหมุนที่หมุนได้และลูกกลิ้งที่หมุนได้เพื่อให้ได้ขนาดที่ต้องการ เนื่องจากวัตถุดิบถูกเก็บไว้เกือบ 100% ในระหว่างกระบวนการอัดขึ้นรูป ในปี พ.ศ. 2547 NCEMT ได้จัดหาอุปกรณ์โยกขนาด 45 ฟุตให้กับหน่วยงานบริหารจัดการโครงการร่วม กระบวนการนี้ถูกนำไปใช้ในการตรวจสอบการสาธิตเทคโนโลยีปืนใหญ่ LW155 ตัวอย่างที่ประสบความสำเร็จของการใช้งานและการลดต้นทุนของกระบวนการขึ้นรูปการไหลคือท่อโยกและหดตัวไทเทเนียมสำหรับปืนน้ำหนักเบา M777 ขนาด 155 มม. ต้นทุนท่อโยกที่เกิดจากการไหลน้อยกว่ากระบวนการผลิตเดิมถึง 68 เปอร์เซ็นต์
2 การหล่อที่แม่นยำ - ลดจำนวนชิ้นส่วน
ชิ้นส่วนจำนวนมากในอาวุธทหารจำนวนมากส่งผลให้ต้นทุนการผลิตสูง ชิ้นส่วนที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบต่างๆ จำนวนมากยังช่วยเพิ่มระยะเวลาในวงจรการผลิตอีกด้วย กองทัพสหรัฐฯ ได้ทำงานเพื่อลดต้นทุนพร้อมทั้งให้ผลประโยชน์ที่มากขึ้น กระทรวงกลาโหมสหรัฐฯ (DOD) ได้นำกระบวนการที่เป็นนวัตกรรมมาใช้เพื่อให้บรรลุเป้าหมายเหล่านี้ การหล่อแบบแม่นยำเป็นหนึ่งในกระบวนการที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการลดจำนวนชิ้นส่วน

กระบวนการหล่อแบบแม่นยำมีข้อดีดังต่อไปนี้: ลดต้นทุนการผลิต ลดเวลาในการผลิต; ปรับปรุงความน่าเชื่อถือ และน้ำหนักที่ลดลง การหล่อที่แม่นยำสามารถนำไปใช้ในการใช้งานทางทหารหลายอย่าง เช่น อาวุธยุทโธปกรณ์ ลำตัวเครื่องบิน ขีปนาวุธ และอุปกรณ์ขับเคลื่อน เมื่อเทียบกับกระบวนการแบบดั้งเดิม โดยการใช้โลหะผสมไทเทเนียมและกระบวนการหล่อที่มีความแม่นยำ ส่วนประกอบปืนใหญ่เบา M777 ลดลงอย่างมาก ศูนย์แปรรูปโลหะของกองทัพเรือสหรัฐฯ ใช้กระบวนการหล่อที่แม่นยำเพื่อทำให้ปืน M777 น้ำหนักเบา 155 มม. ประจำการอยู่ในจอบของจำนวนชิ้นส่วน จาก 120 ชิ้นลดลงเหลือ 2 ชิ้น
ศูนย์โลหะขั้นสูงแห่งชาติ (NCEMT) ดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับกระบวนการผลิตใหม่และเทคนิคการขึ้นรูปที่เป็นนวัตกรรมใหม่ เพื่อลดจำนวนชิ้นส่วนและลดเศษวัสดุและต้นทุนการผลิตลง ร่วมกับสำนักงานบริหารจัดการปืนใหญ่เบาร่วม (JPMO), BAE และโรงงานไทเทเนียม ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับจอบหล่อแบบชิ้นเดียวที่มีความแม่นยำสำหรับปืน M777 น้ำหนักเบา 155 มม. (LW155) ในอดีตจอบถูกผลิตขึ้นโดยการกลึงและเชื่อม ส่วนประกอบที่ท้าทายอีกประการหนึ่งคืออาน ซึ่งแต่เดิมได้รับการกลึงและเชื่อมเข้าด้วยกันจากชิ้นส่วนมากกว่า 100 ชิ้น NCEMT ร่วมกับ JPMO, BAE และโรงงานโลหะผสมไทเทเนียม ได้พัฒนาเฟืองพวงมาลัยหล่อแบบชิ้นเดียวที่มีความแม่นยำ
นอกจากนี้ เฟืองบังคับเลี้ยวยังผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการตีขึ้นรูป ซึ่งช่วยลดเศษวัสดุลงได้ 50 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับกระบวนการตัดเฉือนแผ่นรีด ตัวเรือนเบลล์ราคาประหยัดได้รับการปลอมแปลงสำเร็จแล้วจากช่องว่าง Single Melt Plasma Arc Melting (SM PAM) Ti-6Al- 4V ราคาประหยัด ความต้านทานแรงดึงของการตีขึ้นรูปเปลือกหอยรูประฆังอยู่ระหว่าง 965 MPa ถึง 1,034 MPa ความแข็งแรงของผลผลิตอยู่ระหว่าง 910 ถึง 972 MPa; การยืดตัวอยู่ระหว่าง 14.9% ถึง 5.9%; และการหดตัวของส่วนอยู่ระหว่าง 36.2% ถึง 40.9% คุณสมบัติแรงดึงของการตีขึ้นรูป SM PAM ทั้งหมดเป็นไปตามข้อกำหนดของมาตรฐาน AMS 4928 และ ASTM B 381
3 สถาบัน Edison Welding Institute (EWI) วิจัยเกี่ยวกับกระบวนการเชื่อมที่ใช้ในการผลิตปืนน้ำหนักเบา M777
กองทัพบกสหรัฐกำลังวิจัยการใช้วัสดุน้ำหนักเบา เช่น อลูมิเนียมอัลลอยด์ ไทเทเนียมอัลลอยด์ และวัสดุผสมในส่วนประกอบโครงสร้างขั้นสูงเพื่อลดน้ำหนักของฐานอาวุธ นอกจากนี้ การประดิษฐ์ส่วนประกอบโครงสร้างไฮบริดจากวัสดุเหล่านี้ยังต้องใช้กระบวนการเชื่อมจำนวนมาก ซึ่งรวมถึงการเชื่อมด้วยแรงเสียดทานแบบกวน การเชื่อมอาร์กด้วยเลเซอร์ไฮบริด (HLAW) การเชื่อมอาร์กโลหะด้วยแก๊สแบบพัลซิ่ง (GMAW) เป็นต้น แขนลำแสงกันโคลง M777 ถูกเชื่อม จากแผ่นโลหะผสม Ti-6Al- 4V และการหล่อโดยกระบวนการเชื่อมแก๊สทังสเตนอาร์ค (GTW) เป้าหมายหลักของงาน EWI คือการบูรณาการวัสดุที่มีประสิทธิภาพ วัตถุประสงค์หลักของงานของ EWI คือการบูรณาการ เทคนิคการเชื่อมวัสดุที่มีประสิทธิภาพสำหรับการเตรียมชิ้นส่วนโครงสร้าง Ti-6Al- 4V ที่ซับซ้อน 80-85% ของการเชื่อม GTA ถูกแทนที่ด้วย GMAW-P หรือการเชื่อมตอไม้ด้วยเลเซอร์ และ EWI ยังสนับสนุน Joint Project Management Office (JPMO) ของ ARDEC และ BAE Systems ในการดำเนินการศึกษาโครงการอีกด้วย วัตถุประสงค์คือเพื่อใช้เทคนิคการเชื่อมโลหะผสมไททาเนียมขั้นสูงในการสาธิตและการตรวจสอบระบบอาวุธปืนใหญ่ M777
④ กระบวนการหลอมโลหะผสมไทเทเนียมในขั้นตอนเดียวราคาประหยัด
โลหะผสมไทเทเนียม (Ti-6Al- 4V) เป็นวัสดุหลักสำหรับปืนใหญ่น้ำหนักเบา 155 มม.NCEMT ประสบความสำเร็จในการดำเนินการผลิตนำร่องโลหะผสมไทเทเนียม PAM ขนาด 31- นิ้ว เทคโนโลยีดังกล่าวได้ถูกถ่ายโอนไปยังอุตสาหกรรม และกำลังถูกใช้งานเป็นครั้งแรกในปืน LW155 ผ่านทางผู้รับเหมาหลัก, BAE Systems และสำนักงานบริหารโครงการร่วม LW155 (JPMO) PAM หลอมเหลวขั้นตอนเดียวช่วยลดต้นทุนการจัดซื้อแท่ง Ti-6Al- 4V ที่ใช้ในปืน LW155 ได้มากถึง 27 เปอร์เซ็นต์ เทคโนโลยีต้นทุนต่ำนี้ยังจะเป็นประโยชน์ต่อระบบอาวุธ DOD อื่นๆ ที่ใช้ส่วนประกอบโลหะผสมไททาเนียม เช่น Extended Field Combat Vehicle (EFV) ของนาวิกโยธินสหรัฐฯ กระบวนการ PAM หลอมละลายขั้นตอนเดียวของ NCEMT ช่วยให้แท่งโลหะมีพื้นผิวสูง คุณภาพ แม้กระทั่งเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 31 นิ้ว ซึ่งช่วยลดหรือขจัดความจำเป็นในการเตรียมพื้นผิวก่อนการปลอม