電爆炸噴涂技術(shù)用于提高炮管的抗燒蝕性分析

蔣嘯林 王燕妮 陸 辛

1.中國兵器工業(yè)規(guī)劃研究院，北京，100053 2.北京聯(lián)合大學(xué)，北京，100101 3.北京理工大學(xué)，北京，100081 4.北京機(jī)電研究所，北京，100831

0 引言

隨著現(xiàn)代火炮技術(shù)的快速發(fā)展，彈藥效能、膛壓和射速等指標(biāo)不斷提高，使得炮管內(nèi)膛的疲勞損傷和燒蝕等問題更為突出。目前國內(nèi)外正努力開發(fā)更高性能的火炮，這些新武器的膛壓和射速等參數(shù)都顯著高于常規(guī)火炮的指標(biāo)，如何延長炮

管的疲勞壽命并提高抗燒蝕性是當(dāng)今研究和未來應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問題[1]。

大多數(shù)研究結(jié)果認(rèn)為，火炮內(nèi)膛主要是在機(jī)械－熱－化學(xué)作用下而失效的，而燒蝕、磨損和疲勞裂紋是炮膛失效的主要原因。自20世紀(jì)90年代中期開始，電渣重熔[2]和液壓自緊技術(shù)[3]在我國趨于成熟，現(xiàn)已普遍應(yīng)用于大中口徑火炮身管加工制造，有效地延長了身管的疲勞壽命，相比之下，火炮身管抗燒蝕性能差的問題卻相當(dāng)突出。

目前，國內(nèi)外火炮身管增壽最成熟、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)是采用身管內(nèi)膛電鍍鉻工藝。該工藝對延長身管的壽命有一定效果。但鍍鉻層在發(fā)射一定數(shù)量的炮彈后，鍍層便逐漸剝落，出現(xiàn)嚴(yán)重的燒蝕和疲勞裂紋，當(dāng)鍍層破壞發(fā)展到一定程度時，火炮的性能急劇下降而需更換炮管。隨著更高性能火炮的研究趨于成熟，炮管電鍍鉻增壽將會無法滿足更高膛壓、更高射速等參數(shù)要求。高熔點(diǎn)材料的強(qiáng)度、抗燒蝕和抗化學(xué)作用性能顯著優(yōu)于鉻，是理想的火炮內(nèi)膛抗燒蝕、抗磨損材料，但目前還沒有成熟的在火炮內(nèi)膛制備高熔點(diǎn)金屬或合金涂層的技術(shù)。

電爆炸噴涂技術(shù)是在自由爆炸噴涂技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的可進(jìn)行工件表面噴涂的一種新興的熱噴涂技術(shù)。該技術(shù)是指在一定的氣體介質(zhì)氛圍下通過對金屬導(dǎo)體（絲、箔）沿軸向施加瞬間直流高電壓，在金屬導(dǎo)體內(nèi)部形成106～107A／cm2的電流密度，使金屬導(dǎo)體在短時間內(nèi)爆炸，金屬粒子以極高的速度噴射到基體表面，急劇冷卻而形成具有優(yōu)良力學(xué)性能的涂層[4]。與其他噴涂工藝相比，電爆炸噴涂技術(shù)主要的特點(diǎn)有：①由于利用高密度的電能，所以噴涂材料可以是任何高熔點(diǎn)的金屬、合金；②噴涂過程在金屬導(dǎo)體爆炸氣體中完成，可以在大氣中實(shí)施，涂層的氧化層極?。虎蹏娡繉拥目紫堵实?，結(jié)合強(qiáng)度高，比火焰噴涂和等離子噴涂高數(shù)倍[5]。電爆炸噴涂技術(shù)在制備高熔點(diǎn)金屬涂層方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。

本文通過分析電爆炸噴涂工藝參數(shù)對涂層性能的影響，確定合理工藝參數(shù)制備涂層，與火炮身管內(nèi)膛電鍍鉻層進(jìn)行多項(xiàng)性能對比試驗(yàn)，以此判斷利用電爆炸噴涂技術(shù)制備出的高熔點(diǎn)金屬涂層的抗燒蝕性能。

1 火炮身管內(nèi)膛的抗燒蝕性特點(diǎn)

為延長火炮身管內(nèi)膛的抗燒蝕壽命，通過對其燒蝕磨損機(jī)理的初步分析可知，應(yīng)用表面改性技術(shù)后，身管內(nèi)膛表面涂層應(yīng)具備以下特點(diǎn)[6－7]：

（1）涂層應(yīng)抗燒蝕，因此有高的熔點(diǎn)。

（2）高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性要高。火炮射擊時，膛內(nèi)具有很高的溫度，并且會產(chǎn)生CO、CO2、N2、O2等氣體，涂層不應(yīng)該在高溫下與這些氣體發(fā)生有害的反應(yīng)，應(yīng)保持其化學(xué)穩(wěn)定性。

（3）不高于身管的彈性模量。火炮射擊時的高膛壓使得身管在徑向有一個瞬間的擴(kuò)張，因此涂層與基體也要產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形，而涂層并不能單獨(dú)承受這個徑向力，必須把這個力能有效傳給身管，這就要求涂層的彈性模量不高于身管的彈性模量，以使涂層更容易變形，這樣涂層中的裂紋才能被有效減小。

（4）熱膨脹系數(shù)應(yīng)與鋼基體相適應(yīng)。

（5）應(yīng)有較高的硬度。涂層要與炮彈產(chǎn)生摩擦磨損，為了使涂層具有耐磨性，應(yīng)該有一定的硬度。

（6）涂層與基體要用高的結(jié)合強(qiáng)度。

2 電爆炸噴涂設(shè)備工藝參數(shù)對涂層性能的影響分析

涂層的厚度、硬度、結(jié)合強(qiáng)度、耐蝕性和磨損性等性能是表征涂層性能的重要指標(biāo)，涂層性能主要受涂層與基體間以及涂層內(nèi)扁平粒子間的結(jié)合控制，涂層的主要結(jié)合方式包括機(jī)械結(jié)合、物理結(jié)合和冶金結(jié)合。影響電爆炸噴涂涂層性能的主要工藝參數(shù)有表面預(yù)處理、噴涂電壓、噴涂距離、噴涂次數(shù)[8]，并且上述參數(shù)存在交互影響作用。

根據(jù)電爆炸噴涂原理，結(jié)合噴涂設(shè)備的特點(diǎn)，選擇不同的材料、噴涂電壓、噴涂距離、噴涂次數(shù)等進(jìn)行試驗(yàn)，通過對涂層性能進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)：

（1）隨著噴涂電壓的增加，涂層的孔隙率減小，涂層的厚度增加，但增加幅值減小。

（2）隨著噴涂距離的增加，涂層厚度減小，涂層孔隙率增大，但并不是噴涂距離越小涂層性能越好。

（3）當(dāng)噴涂距離和噴涂電壓相同時，隨著噴涂次數(shù)的增加，涂層厚度增大，均勻性增加，但孔隙率減小。

3 鍍層與涂層的制備

在初步掌握部分改性材料的特性基礎(chǔ)上，選擇合適的噴涂材料和工藝參數(shù)，利用現(xiàn)有電爆炸噴涂設(shè)備，設(shè)計必要的工裝，對炮鋼材料PGrNi3MuVA樣片（150mm×150mm×5mm）進(jìn)行噴涂，運(yùn)用與目前國內(nèi)火炮身管內(nèi)膛電鍍鉻完全相同的工藝，對相同材料、規(guī)格的炮鋼樣片表面電鍍鉻。

3.1 鍍層制備

鍍層制備前樣片材料表面如圖1所示，對樣片進(jìn)行鍍亮鉻后表面如圖2所示。

3.2 電爆炸噴涂涂層制備

根據(jù)火炮身管內(nèi)膛抗燒蝕鍍鉻層規(guī)范要求[9]，結(jié)合電爆炸噴涂設(shè)備工藝參數(shù)對涂層性能的影響分析結(jié)果，主要從硬度、熔點(diǎn)、彈性模量、膨脹系數(shù)等方面考慮，分別選擇7Cr13＋B和FeCrBSiB兩種材料，運(yùn)用電爆炸噴涂技術(shù)將其在炮鋼樣片表面制備成涂層。

圖1 材料原始表面

圖2 電鍍鉻樣片表面

具體噴涂工藝參數(shù)如下：基體樣片材料為PGrNi3MuVA，尺寸為150mm×150mm×5mm，涂層材料尺寸均為70mm×10mm×0.2mm；噴涂電壓為4400V，噴涂距離為100mm，噴涂5次。

為提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，在噴涂前對基體鋼板先進(jìn)行噴砂處理，噴砂完后立即進(jìn)行噴涂，噴涂后的表面見圖3、圖4。

圖3 電爆炸噴涂7Cr13＋B涂層

圖4 電爆炸噴涂FeCrBSiB涂層

4 電爆炸噴涂涂層與電鍍鉻性能對比試驗(yàn)及結(jié)果

4.1 性能對比試驗(yàn)

火炮身管要求承受高膛壓、高初速、射程遠(yuǎn)等戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能要求，因此從實(shí)際出發(fā)，通過觀察表面形貌、檢測硬度、燒蝕試驗(yàn)、結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)等，對比電爆炸制備涂層與電鍍鉻層的抗燒蝕性能[10]。

4.1.1 表面形貌

通過電子顯微鏡對涂層表面形貌（圖5～圖7）的觀察可知：鍍鉻層表面均勻、致密，無空洞，但存在很多微小裂紋；7Cr13＋B涂層幾乎沒有裂紋、空洞少，涂層致密；FeCrBSi涂層有很多空洞和裂紋。

4.1.2 硬度對比

耐磨性是指抵抗摩擦作用的能力，影響這種能力的因素不僅取決于鋼的成分、組織和性能，還與使用條件和拉伸工藝密切相關(guān)。如果在相同的條件（相同的摩擦因數(shù)、成分、組織、環(huán)境條件等）下，硬度和耐磨性存在非線性的正比關(guān)系。因此可用硬度的高低間接反映耐磨性能的高低。三種涂層的硬度測量結(jié)果見表1。

圖5 電鍍鉻鍍層表面形貌

圖6 7Cr13＋B涂層表面形貌

圖7 電爆炸噴涂FeCrBSi涂層表面形貌

表1 采用洛氏硬度測量結(jié)果統(tǒng)計表

4.1.3 結(jié)合強(qiáng)度測試

熱震法。將試樣在一定溫差的環(huán)境中進(jìn)行溫度的交變試驗(yàn)，觀察涂層經(jīng)過不同溫度環(huán)境的變化后表面發(fā)生的變化情況。試驗(yàn)中，將試樣加熱到300℃，放入水里冷卻，冷卻后再加熱到300℃，再冷卻，這樣不斷重復(fù)10次后，觀察到鍍鉻層、7Cr13＋B涂層、FeCrBSi涂層都沒有脫落，基本變化不大。將試樣加熱到700℃，放入水里冷卻，冷卻后再加熱到700℃，再冷卻，重復(fù)10次，鍍鉻層表面顏色無變化，但用肉眼可以看到裂紋；7Cr13＋B涂層、FeCrBSi涂層顏色由白變黑，肉眼看不到裂紋。

磨、鋸法。采用磨鋸試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鍍鉻層截面端部有小片脫落，而7Cr13＋B涂層、FeCrBSi涂層看不到有脫落現(xiàn)象。

4.1.4 耐燒蝕測試

選用氧－乙炔法對比測量鍍鉻層和電爆炸噴涂技術(shù)制備涂層的質(zhì)量燒蝕和燒穿試驗(yàn)。質(zhì)量燒蝕試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 質(zhì)量燒蝕結(jié)果統(tǒng)計表

燒穿試驗(yàn)：鍍鉻層在3.8s時燒穿，7Cr13＋B涂層、FeCrBSi涂層都在4s時燒穿。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

7Cr13＋B、FeCrBSi和鉻雖硬度基本相當(dāng)，通過觀察用其制備涂層的表面形貌可知，電鍍鉻層的裂紋、FeCrBSi涂層的空洞和裂紋在腐蝕條件下，都會成為腐蝕的通道，在沖擊載荷和交變載荷條件下，微裂紋為斷裂提供了裂紋源，使得應(yīng)力集中，裂紋的不斷擴(kuò)展最后會導(dǎo)致涂層斷裂，造成耐磨耐腐蝕性能顯著下降，從而嚴(yán)重影響涂層壽命，而7Cr13＋B涂層裂紋、空洞少，涂層壽命相對較長。對涂層硬度的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，7Cr13＋B涂層比FeCrBSi涂層硬度高，而且兩個運(yùn)用電爆炸噴涂技術(shù)制備的涂層硬度都高于鍍鉻層，說明電爆炸噴涂技術(shù)制備的涂層在同等條件下?lián)碛懈玫哪湍バ阅?。根?jù)噴涂結(jié)合機(jī)理，當(dāng)噴涂金屬熔滴或蒸汽到達(dá)基體表面的溫度高于基體熔點(diǎn)時，噴涂粒子與基體之間的結(jié)合將由機(jī)械結(jié)合向冶金結(jié)合過渡，因此會使圓盤形接觸面上出現(xiàn)粒子的焊接作用，即冶金結(jié)合，故結(jié)合強(qiáng)度較高，三種涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度測試結(jié)果也表明電爆炸噴涂技術(shù)制備的涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)于鍍鉻層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。通過質(zhì)量燒蝕試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用電爆炸噴涂制備涂層的質(zhì)量燒蝕率與鍍鉻層基本相當(dāng)，燒穿試驗(yàn)效果優(yōu)于鍍鉻層。另外，電爆炸噴涂技術(shù)具有工藝簡單、運(yùn)行成本低，環(huán)?！叭龔U”處理成本更低等特點(diǎn)。

在采用硬度與鉻基本相當(dāng)?shù)耐繉硬牧蠒r，運(yùn)用電爆炸噴涂技術(shù)制備的涂層，其抗燒蝕性能總體優(yōu)于電鍍層，電爆炸噴涂涂層表面粗糙，不如鍍鉻光滑；兩種噴涂合金涂層的硬度、與基體的結(jié)合強(qiáng)度都優(yōu)于鍍鉻層，燒蝕試驗(yàn)結(jié)果基本相當(dāng)。特別是7Cr13＋B涂層更加致密，硬度更高，裂紋和空洞也少于鍍鉻涂層，因此其抗燒蝕性能更加優(yōu)越。

5 結(jié)論

（1）利用電爆炸噴涂技術(shù)可制備熔點(diǎn)更高的金屬或合金涂層，在今后或未來延長火炮身管抗燒蝕壽命研究過程中，運(yùn)用該技術(shù)是制備高品質(zhì)涂層的一種有效方法。

（2）在采用硬度與鉻基本相當(dāng)?shù)耐繉硬牧蠒r，運(yùn)用電爆炸噴涂技術(shù)制備的涂層的抗燒蝕性能總體優(yōu)于電鍍鉻層。

（3）運(yùn)用電爆炸噴涂技術(shù)制備涂層比電鍍成本低，且更環(huán)保。

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