火炮身管內(nèi)膛修復(fù)技術(shù)研究

李大勇,高守臻,羅長(zhǎng)宏,袁 君,甘 霖

(1.山東非金屬材料研究所，山東 濟(jì)南 250031；2.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003)

本文提出了一種利用摩擦自修復(fù)機(jī)理修復(fù)炮膛的材料。該材料能涂敷于彈丸表面或火炮內(nèi)膛表面，利用發(fā)射過(guò)程中彈丸和身管產(chǎn)生的摩擦作用，使內(nèi)膛表面與修復(fù)材料產(chǎn)生能量交換和物質(zhì)交換，在摩擦表面形成正機(jī)械梯度的金屬陶瓷保護(hù)膜，以補(bǔ)償摩擦磨損與腐蝕,從而對(duì)火炮內(nèi)膛的損傷進(jìn)行修復(fù)并延長(zhǎng)炮管使用壽命。

1 提高火炮身管壽命的主要措施

燒蝕磨損和疲勞是決定身管壽命的兩大因素，在身管設(shè)計(jì)時(shí)，必須采取相應(yīng)技術(shù)措施，提高身管壽命[1]。主要技術(shù)措施包括：低爆溫發(fā)射藥、發(fā)射藥內(nèi)添加緩蝕劑、改善彈丸、彈帶結(jié)構(gòu)和材料、加強(qiáng)內(nèi)膛表面處理(鍍鉻等耐蝕、耐磨覆層)以及改進(jìn)身管材料(高強(qiáng)度)等，使火炮身管壽命得到一定的提高，并滿足一定的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，但還是難以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的要求，且越來(lái)越受到未來(lái)火炮更高膛壓、更高壽命要求的挑戰(zhàn)[2-4]。

炮膛修復(fù)劑是以摩擦自修復(fù)及燒蝕吸熱機(jī)理的身管修復(fù)延壽技術(shù)。某研究所實(shí)現(xiàn)了材料制備，隨后在此基礎(chǔ)上完成了修復(fù)材料在大口徑火炮上的應(yīng)用試驗(yàn)研究，并對(duì)其延壽效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2 炮膛修復(fù)劑制備及試驗(yàn)

2.1 修復(fù)材料的制備

材料的制備過(guò)程包括用于成膜材料的礦物粉末的細(xì)化加工及其與載體的混合兩個(gè)步驟。礦物粉末的細(xì)化主要通過(guò)高能研磨及氣相沉積法完成修復(fù)材料亞微米及納米級(jí)顆粒制備，修復(fù)材料固體粉末粒徑D50<5 μm(采用激光粒度分析儀測(cè)試)，并用自制高速研磨設(shè)備完成超細(xì)粉體與分散載體的混合，從而制得修復(fù)材料。

2.2 修復(fù)機(jī)理分析

摩擦自修復(fù)大致分為4類[5-8]：第1類是鋪展成膜自修復(fù)，即潤(rùn)滑介質(zhì)中的添加劑分子與活化的金屬表面發(fā)生物理化學(xué)作用，形成化學(xué)吸附膜或極性添加劑分子直接吸附在摩擦副表面形成物理吸附膜，從而起到抗磨減摩作用。傳統(tǒng)添加劑中含硫、磷、氯、硼等活性元素，因在摩擦副表面形成硫化亞鐵、硫酸亞鐵、有機(jī)磷酸鹽、磷酸鹽、氯化鐵、氯化亞鐵和硼的間隙化合物等成膜物而表現(xiàn)出鋪展成膜自修復(fù)功能。第2類是共晶成膜自修復(fù)，即在邊界潤(rùn)滑條件下，局部摩擦高溫促使?jié)櫥橘|(zhì)中添加劑微粒與磨損微粒形成共晶微球，從而在摩擦副表面形成具有滾動(dòng)潤(rùn)滑功能的保護(hù)膜，這種膜還可以填充摩擦表面微觀溝谷，改善摩擦表面的密封性能，并降低摩擦阻力，延長(zhǎng)壽命。第3類是沉積成膜自修復(fù)，即分散在油品中的固體微粒沉積在摩擦副表面，形成一層具有抗磨減摩作用的保護(hù)膜。如潤(rùn)滑油中加入微米級(jí)的二硫化鉬(如MoS2)、石墨及其層間化合物等主要表現(xiàn)為沉積成膜自修復(fù)。具有層狀結(jié)構(gòu)的MoS2、石墨等沉積在摩擦副表面后，由于其層間以范德華力結(jié)合，剪切強(qiáng)度低，表現(xiàn)出低的摩擦系數(shù)，具有良好的減摩性能。在上世紀(jì)80年代初，前蘇聯(lián)研制的炮管防護(hù)劑中，加入半石墨礦粉(一種硅酸鹽礦物與石墨礦的混合物)，其中部分即是利用了這一機(jī)理。第4類是選擇性轉(zhuǎn)移，它是由于摩擦表面上出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，這一過(guò)程有助于摩擦表面的相對(duì)位移，減少磨損或是對(duì)磨損提供自適應(yīng)。其特征是形成保護(hù)性膜，這種保護(hù)膜有高的點(diǎn)缺陷或空位密度，而無(wú)疲勞過(guò)程所固有的缺陷積累。

火炮身管燒蝕磨損主要表現(xiàn)為3個(gè)方面：金屬間的劇烈摩擦；高溫下的化學(xué)反應(yīng)；金屬內(nèi)膛表面的間接和直接熔化、吹失。筆者研制的修復(fù)材料包含硅酸鹽礦物粉體、納米稀土催化劑和吸熱載體，利用上述第2類摩擦自修復(fù)機(jī)理，在金屬表面原位生成金屬陶瓷，填補(bǔ)燒蝕磨損產(chǎn)生的坑槽，通過(guò)減少金屬間的摩擦、降低火藥對(duì)身管的化學(xué)作用和熱作用來(lái)進(jìn)行身管的熱防護(hù)，達(dá)到延長(zhǎng)身管壽命的目的。

2.3 炮膛修復(fù)劑在大口徑火炮上的應(yīng)用研究

2.3.1 炮膛修復(fù)劑在某型100 mm滑膛炮應(yīng)用試驗(yàn)

本試驗(yàn)選用某型100mm滑膛炮，將修復(fù)劑涂覆于彈帶處，發(fā)射7發(fā)彈丸進(jìn)行修復(fù)，對(duì)比發(fā)射前后的內(nèi)膛面變化及膛徑變化。內(nèi)膛表面變化見(jiàn)圖1，從圖像可以看出，修復(fù)劑材料能夠填補(bǔ)龜裂紋并使內(nèi)膛表面平整光滑。

炮膛磨損量檢測(cè)結(jié)果如圖2所示(Δdm表示膛徑平均增加值，負(fù)值表示膛徑減少；l表示檢測(cè)部位距炮口距離)，使用該修復(fù)材料后，產(chǎn)生的修復(fù)層可以使擴(kuò)張的內(nèi)膛直徑減小，同時(shí)修復(fù)層厚度與火炮燒蝕磨損程度有關(guān)，磨損量過(guò)分嚴(yán)重的部位(膛徑超過(guò)102 mm)雖達(dá)不到膛徑減小的效果，但也能有效減緩膛徑擴(kuò)大趨勢(shì)。

2.3.2 炮膛修復(fù)劑在某型130 mm線膛炮上應(yīng)用試驗(yàn)

對(duì)某型130 mm線膛炮身管內(nèi)膛進(jìn)行了修復(fù)試驗(yàn)，采用兩門(mén)炮(1#和2#)進(jìn)行射擊試驗(yàn)，考核修復(fù)材料使用前后效果。

2.3.2.1 炮膛磨損量測(cè)試

采用光柵測(cè)徑儀對(duì)修復(fù)前后的身管內(nèi)膛進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

圖3中(a)為不涂覆修復(fù)材料的情況下，2#炮發(fā)射18發(fā)彈后的內(nèi)膛磨損量數(shù)據(jù)。每發(fā)彈丸對(duì)內(nèi)膛的平均磨損量約為2～3 μm。圖3中(b)為在1#炮炮膛及彈帶處同時(shí)使用修復(fù)劑射擊18發(fā)后，內(nèi)膛成負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明修復(fù)材料對(duì)炮膛內(nèi)壁起到了填補(bǔ)及修復(fù)作用。

修復(fù)材料使用前后膛徑變化趨勢(shì)對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 使用修復(fù)材料前后內(nèi)膛變化趨勢(shì)對(duì)比

由表1可以得出：

1)未使用修復(fù)材料的2#炮，在發(fā)射18發(fā)彈丸后，整體炮管膛徑變化及炮管起始部變化都呈正增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2)使用修復(fù)材料的1#炮，在發(fā)射18發(fā)彈丸后，整體炮管膛徑變化及炮管起始部變化都呈負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

3)2#炮在發(fā)射18發(fā)彈丸，再經(jīng)過(guò)10發(fā)彈丸射擊修復(fù)后，平均內(nèi)膛增大0.015mm，起始段內(nèi)徑平均增大0.033 mm，膛徑增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩，以上數(shù)據(jù)說(shuō)明：

按照本次試驗(yàn)的修復(fù)劑和使用工藝，2#炮共發(fā)射28發(fā)彈丸(其中有10發(fā)為修復(fù)材料彈丸)，平均每發(fā)彈丸對(duì)內(nèi)膛的磨損量為0.5 μm，而不涂覆修復(fù)材料每發(fā)彈丸對(duì)內(nèi)膛的磨損量大于2 μm，修復(fù)效果是明顯的。

在進(jìn)行炮膛修復(fù)后，可以使內(nèi)膛增大的趨勢(shì)減緩，修復(fù)后平均膛徑增大量0.015 mm，起始段膛徑增大量0.034 mm。并可計(jì)算出：在發(fā)射10發(fā)使用修復(fù)劑彈丸后，平均膛徑增大趨勢(shì)減緩69%，起始段膛徑增大趨勢(shì)減緩61%。

修復(fù)材料同時(shí)涂覆于炮膛內(nèi)壁和彈帶處與單獨(dú)涂覆彈帶部位的修復(fù)效果相當(dāng)，說(shuō)明涂覆于彈帶處完全可以將修復(fù)成分帶入炮膛內(nèi)壁。修復(fù)材料對(duì)于磨損較大的炮膛起始段修復(fù)形成的保護(hù)層也較厚，可隨炮膛磨損程度進(jìn)行對(duì)應(yīng)填補(bǔ)，在彈帶使用修復(fù)劑的2#炮內(nèi)膛變化規(guī)律與在炮膛及彈帶處均使用修復(fù)劑基本一致，膛徑成負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，驗(yàn)證了修復(fù)材料使用有效性。

2.3.2.2 內(nèi)膛表面狀態(tài)分析

采用火炮膛內(nèi)疵病自動(dòng)檢測(cè)儀對(duì)修復(fù)前后的內(nèi)膛表面進(jìn)行觀測(cè)拍照，對(duì)比圖像見(jiàn)圖4(5000為距炮口距離，1為拍攝角度)。

由圖4可以看出，根據(jù)內(nèi)膛表面觀測(cè)圖像，炮膛使用一定階段以后，表面坑洼不平，特別是炮膛起始部，有很多的燒蝕坑與燒蝕紋存在。修復(fù)材料使用以后，表面的燒蝕坑及燒蝕裂紋得到了填補(bǔ)，阻止了內(nèi)膛進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.3.3 修復(fù)材料延壽效果分析

彈丸初速下降量與火炮內(nèi)膛徑向磨損量Δd兩者之間是相互聯(lián)系的，它們互為因果。通過(guò)內(nèi)膛徑向磨損量Δd這一靜態(tài)檢測(cè)量可以反映彈丸初速下降量，從而判別身管是否報(bào)廢。按照該方法，通過(guò)內(nèi)膛修復(fù)后的變化進(jìn)行延壽效果分析，計(jì)算修復(fù)材料對(duì)于內(nèi)膛的貢獻(xiàn)。

根據(jù)Δd(內(nèi)膛變化對(duì)火炮壽命影響的評(píng)估方法)判定方法，按照起始部位內(nèi)膛減緩速度計(jì)算，修復(fù)材料的使用可以起到延長(zhǎng)身管壽命的作用。

3 結(jié) 論

1) 修復(fù)材料的主要成分以微納米粉末為主，利用納米自修復(fù)效應(yīng)，在金屬表面形成堅(jiān)硬的金屬陶瓷層，以達(dá)到身管延壽命目的。

2)對(duì)大口徑身管的修復(fù)試驗(yàn)表明：修復(fù)材料劑對(duì)炮膛內(nèi)壁起到了填補(bǔ)及修復(fù)作用，該修復(fù)材料對(duì)于磨損較大的炮膛起始段修復(fù)形成的保護(hù)層也較厚，說(shuō)明修復(fù)材料可隨炮膛磨損程度進(jìn)行對(duì)應(yīng)填補(bǔ)，對(duì)于燒蝕磨損程度大的部位產(chǎn)生的修補(bǔ)層厚度也較大。

3)修復(fù)劑涂覆于炮膛內(nèi)壁和彈帶處與單獨(dú)涂覆彈帶部位的修復(fù)效果相當(dāng)。

4)修復(fù)材料的使用可以減緩內(nèi)膛磨損速度，起到延長(zhǎng)火炮身管壽命的作用。

本修復(fù)材料以當(dāng)前各類火炮及輕武器身管為應(yīng)用方向，解決身管燒蝕磨損問(wèn)題，為火炮身管延壽防燒蝕提供了一種新材料和新的技術(shù)途徑，經(jīng)試驗(yàn)證明該技術(shù)對(duì)身管的延壽作用是明顯的。

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