Сучасна концепція розвитку засобів захисту бронетехніки і захисних споруд прагне переходу від пасивних гомогенних структур до інтелектуальних метаматеріалів, здатних активно протидіяти динамічним навантаженням. Одним із перспективних напрямів у цій сфері є спосіб виготовлення армованого легковагого виливка методом лиття за моделями, що газифікуються (ЛГМ). Разові полімерні моделі, виготовлені з пінополістиролу чи (останнім часом) з залученням 3D-друку, можуть служити монтажною основою або носієм для розміщення в їх тілі армувальних елементів, які після газифікації моделі інтегруються в тіло виливка.

В роботі [1] описано виготовлення метало-піщаного композиту методом ЛГМ. Особливість застосованої технології полягає у виготовленні з пінополістиролу ливарної полімерної моделі у вигляді двох половинок-оболонок, що дещо нагадують за зовнішнім видом лотки для яєць чи блістери для цукерок. Також описано виготовлення таких оболонок методом термоформування із термопластичного полімерного листа, наприклад, товщиною від 0,2 до 2,0 мм, що включає нагрівання листа до досягнення пластичного стану з температурою, відповідною до типу полімеру, з подальшим формуванням у прес-формі під дією вакууму або тиску. Для поширених видів полімерів ця температура знаходиться в інтервалі 85-170 °C. Перспективним є також 3D-друкування таких оболонок.

Уявімо, що замість яєць у такий багатомісний полімерний контейнер з двох оболонок кладуть ливарні піщані стрижні [1]. А після заливання такої армованої цими стрижнями моделі за ЛГМ-процесом отримують виливок, наповнений стрижнями, піщана суміш яких спікається, а стрижні залишаються в металі у складі метало-піщаного композиту, або вибиваються з виливка, що надає йому каркасно-комірчасту конструкцію. По суті, піщані стрижні разом з вставками-прокладками між оболонками виконують роль розпірок для «наповнення повітрям» моделі і регулювання її газотвірності при термодеструкції у ливарній формі. Останнє відкриває додаткові можливості ЛГМ-процесу за рахунок використання друкованих моделей, між друкованим оболонками яких утворюється простір (зазор), який зменшує масу моделі на одиницю об’єму разом з її питомою газотвірністю, а також відбувається вільний вихід газів при встановленні вентиляційних випорів на моделі. Армування металовиробу неметалевими елементами надає йому додаткових функціональних властивостей, зокрема підвищення опору проникненню – збільшенню протидії імпульсному руйнуванню за рахунок каркасно-комірчастої конструкції металевої основи (зі стрижнями чи без) із стінками «різнокутного» розташування відносно напрямку дії силового вектора руйнування, що часто застосовують для бронеперешкод.

В процесі подальших досліджень армування у розвиток методу [1] було запропоновано спосіб одержання армованого легковагого виливка з підвищеними механічними властивостями, переважно для бронеперешкод, за рахунок створення в структурі активного поля попереднього напруження та реалізації ефекту трансформаційної пластичності. Цей спосіб включає (рис. 1) виготовлення разової полімерної моделі 1 з порожнинами, розміщення в них металевих армувальних елементів у вигляді попередньо напружених пружин (пружних модулів) 2, зафіксованих у стиснутому стані легкоплавкими фіксаторами 8, з подальшим заливанням форми матричним металом при одночасному вакуумуванні.

Дві половинки полімерної оболонкової моделі 1 скріплюються формувальними гвіздками 4, що проходять крізь локальні розпірки (прокладки) 3 з пінополістиролу (кілька подібних прокладок також можуть встановлювати для контролювання товщини моделі не лише у вузлах армування) та рулон (валик) 6 із муліто-кремнеземного волокна.

а                                                б                                      в

1 – оболонкова модель; 2 – пружина; 3 – розпірки з пінополістиролу;

4 – фіксувальний гвіздок; 5 – вентканал (накол); 6 – валик з муліто-кремнеземного волокна; 7 – вільний простір; 8 – фіксатор стиснутої пружини; 9 – метал виливка Рисунок 1. Схема установки арматури в модель (а), частина виливка навколо одної пружини (б) та приклад подібного виливка (в)

На рис. 1, а показано зібрану з двох оболонок ділянку моделі, але таких оболонок може бути три і більше. Наприклад, при трьох оболонках у стик до середньої армувальні пружини 2 у стиснутому вигляді за допомогою фіксаторів 8 можуть встановлювати по обидві сторони. Між полімерними оболонками 1 знаходиться вільний простір 7. На рис. 1, б показано ділянку виливка з розтиснутою пружиною 2 та валик 6, що в моделі був вставлений в середину гвинтової пружини, яка знаходиться в литому металі 9. Така компоновка забезпечує локальну анізотропію властивостей у заданих (опуклих) зонах модуля бронеплити.

Вивільнення пружної енергії пружин відбувається в інтервалі температур вище солідусу, що супроводжується їх розпрямленням до упору в поверхневу кірку матричного сплаву, сформовану вакуумованою формою, що створює зони попереднього напруження стиску та механічне ущільнення матриці. Внутрішні порожнини стиснутих гвинтових пружин заповнюють муліто-кремнеземним волокном (вата, повсть або картон) для підвищення вогнетривкості, зменшення маси виливка та посилення демпфувальних властивостей при поглинанні енергії удару.

Як матрицю використовують залізовуглецевий сплав, причому охолодження виливка рекомендовано виконувати у піщаній формі до температури 1000-900 ℃ для видалення його в аустенітному стані і виконання такого режиму ізотермічного гартування, щоб отримати 25-35 % залишкового аустеніту у матричному металі. При цьому метал отримує здатність до TRIP-ефекту (перетворення в мартенсит деформації). Виготовлення оболонкової моделі здійснюють з пінополістиролу традиційним спіканням у прес-формі, шляхом 3D-друку або термоформування, а при збиранні оболонок проміжки між оболонками регулюють вставками з пінополістиролу аналогічно [1], чим контролюють об'ємну щільність виливка.

Ключовим технологічним рішенням є фіксація пружинних модулів (можуть застосовуватись пружини не лише гвинтового типу) у стиснутому стані за допомогою легкоплавких фіксаторів, матеріал і товщина яких підбираються таким чином, щоб їх руйнування відбувалося саме в інтервалі температур між ліквідусом і солідусом матричного металу. Після розміщення моделі у формі з сухим піском та її вакуумування здійснюється заливання розплавом. Вакуумування забезпечує інтенсивний відвід тепла, що гарантує швидке утворення поверхневої кірки за рахунок ефекту присмоктування металу до стінки форми. Коли тепло розплаву руйнує фіксатори, пружини починають розпрямлятися всередині напівтвердої матриці, спираючись на вже сформовану кірку. Це перетворює виливок на напружену конструкцію ще до завершення кристалізації всього об'єму, забезпечуючи здрібнення кристалічного зерна матриці за рахунок дії арматури як  внутрішнього холодильника і тепловідводу до валика 6.

Особливого значення набуває синергетичний ефект при використанні як матриці залізовуглецевих сплавів, «передчасного» видалення гарячого виливка з форми і подальшого охолодження в режимі ізотермічного гартування з досягненням структури, придатної до TRIP-ефекту (Transformation Induced Plasticity). У такій системі пружини виступають не просто як арматура, а як акумулятори фазового перетворення. Внутрішні мікродеформації від зусилля пружини сприяють перетворенню аустеніту в мартенсит ще до початку зовнішнього впливу – ефекту «самозагартування». Якщо пружина розпрямилася не повністю, вона залишається постійним джерелом енергії. При виникненні тріщини від вибуху пружина намагається дотиснути матрицю, що знову провокує утворення мартенситу прямо в «голові» тріщини, працюючи як «інтелектуальний пластир».

Практичне застосування цієї технології, наприклад, при створенні секцій протимінного захисту днища з високоміцного аустенітного чавуну, дозволяє отримати дворівневу систему захисту: макроскопічну пружність пружин та мікроскопічну міцність мартенситу. Пружини «зшивають» структуру, запобігаючи відколюванню внутрішніх шарів броні, а попереднє напруження стиску змушує ударну хвилю витрачати енергію на подолання внутрішнього тиску. Це робить такий метаматеріал майже невразливим до крихкого розколювання, що є інноваційним кроком у створенні активних бронеперешкод з інтегрованими системами накопичення внутрішньої енергії.

Додаткову функціональність метаматеріалу забезпечує заповнення внутрішніх порожнин гвинтових (циліндричних) пружин муліто-кремнеземним волокном у вигляді вати або волокна. Це дозволяє створювати легковагі конструкції з підвищеною вогнетривкістю та сприяє демпфувальним властивостям. Таким чином, поєднання ЛГМ-процесу з механізмом самозміцнення на стадіях кристалізації та зовнішнього деформування з метою створення адаптивного захисту техніки дозволяє отримувати активні бронеструктури складної геометрії, які за рівнем захисту та питомою міцністю перевершують класичну гомогенну броню.

Література:

1.  Дорошенко В. C. Виготовлення метало-піщаного композиту методом лиття за моделями, що газифікуються // Нові матеріали і технології в машинобудуванні. – 2025. – № 7. – С. 27-36. https://doi.org/10.20535/2519-450X.7.2025.349068.