超硬鋁合金微弧氧化技術(shù)在子母彈抗燒蝕性能方面的應(yīng)用

孫麗榮，趙國(guó)偉，張立巖，趙廣軍，李方軍，孫麗華，孫家利，季淑杰

（北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046）

微弧氧化是在陽極氧化技術(shù)上發(fā)展起來的新工藝，是采用高電壓、大電流的直流或交流脈沖電源，進(jìn)入到電火花區(qū)域和弧光放電區(qū)域，在材料表面形成大量的等離子體微弧，直接在金屬表面原位生成陶瓷膜層的一種表面改性強(qiáng)化技術(shù)[1]。由于等離子體放電通道內(nèi)溫度高達(dá) 2000～8000 K（但電解液和基體的溫度為室溫）、壓力可達(dá)100 MPa以上[2]，這種極限條件下的反應(yīng)過程可賦予基體材料用其他技術(shù)難以獲得的優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕、電絕緣及耐燒蝕等多種性能[3]。因此，擬采用微弧氧化技術(shù)對(duì)我廠某型號(hào)子母彈超硬鋁合金彈底進(jìn)行處理，以提高其發(fā)射時(shí)耐火藥氣體的高溫沖刷作用。

1 子母彈彈底燒蝕情況

我廠某型號(hào)子母彈彈底（示意圖見圖1）為超硬鋁合金，材料牌號(hào)為 7A04，表面處理方式為內(nèi)外表面（含螺紋部分）進(jìn)行硫酸陽極氧化，并與彈體利用螺紋連接裝配后靜電噴外表面漆。該產(chǎn)品在正樣機(jī)研制階段，出現(xiàn)彈底脫落故障，影響了射擊精度?；厥蘸蟀l(fā)現(xiàn)彈底在與彈體相接觸的端面上有嚴(yán)重的火藥氣體沖刷燒蝕痕跡，并被嚴(yán)重破壞（見圖 2）。

經(jīng)分析，彈丸發(fā)射時(shí)使用的火炮身管比較長(zhǎng)，發(fā)射過程中對(duì)彈底燒蝕嚴(yán)重是出現(xiàn)脫落的外因。在排除了彈底密封不可靠、彈底螺紋連接強(qiáng)度裕度不足、子母彈裝配和入膛過程中的誤操作等可能性之后，確定彈底材料抗沖刷燒蝕能力較差是彈底脫落的內(nèi)因。

彈底使用的 7A04鋁合金是與美國(guó)的 7075合金、前蘇聯(lián)的 B95合金并列的超硬鋁合金，化學(xué)成分以鋅為主，適量添加鉛、鎂和銅，硬度與鋼接近，強(qiáng)度高達(dá)600 MPa，在熱狀態(tài)和退火狀態(tài)下塑性加工性能良好，廣泛用于飛機(jī)制造業(yè)上。美中不足的是，耐熱性不好，通常只能工作在 120 ℃以下，燒蝕嚴(yán)重時(shí)即可導(dǎo)致彈底脫落。

為了讓現(xiàn)有的彈底超硬鋁合金材料可以抵抗火藥氣體的沖刷，必須采取適宜的表面強(qiáng)化方式對(duì)彈底進(jìn)行處理。試驗(yàn)了在彈底和彈體相接觸的端面上噴涂抗高溫?zé)g涂料，而在其余部位采取微弧氧化的方式進(jìn)行保護(hù)。射擊試驗(yàn)后拆解檢查，彈底外表面沒有沖刷燒蝕痕跡，但彈底與彈體接縫處仍沖刷出小孔洞（見圖 3），彈底密封圈槽處被火藥氣體熏黑，但沒沖刷出環(huán)形溝，止口及螺紋均完好。試驗(yàn)結(jié)果表明，彈底端面涂抗高溫?zé)g涂料處不能抗火藥氣體的沖刷燒蝕，但微弧氧化膜抗沖刷燒蝕效果明顯。最終選擇了對(duì)彈底內(nèi)外表面（含螺紋及止口部分）均進(jìn)行微弧氧化的處理方式。采用這種處理方式，彈底內(nèi)部基體的溫度沒有達(dá)到相變溫度，所以并未改變內(nèi)部的基體組織，在保持了超硬鋁合金原有特性的同時(shí)，還大幅度地提高了抗燒蝕性能。

2 微弧氧化原理和陶瓷膜特點(diǎn)

微弧氧化技術(shù)是將鋁、鎂、鈦等金屬或其合金置于電解質(zhì)水溶液中，利用微弧放電的瞬間高溫?zé)Y(jié)和電解液的冷淬，在復(fù)雜的熱化學(xué)、等離子化學(xué)和電化學(xué)的共同作用下[4]，直接在金屬表面原位生長(zhǎng)氧化物陶瓷膜層的新工藝[5]。微弧氧化過程一般分為普通陽極氧化、火花放電、微弧放電及弧放電四個(gè)階段[6—7]。

高溫高壓特性使鋁合金表面氧化膜發(fā)生相和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，原氧化膜層呈無序結(jié)構(gòu)，微弧氧化陶瓷膜主要由α-Al2O3相和γ-Al2O3相組成[8]。因?yàn)檫@種Al2O3陶瓷膜為原位生長(zhǎng)，與基體金屬屬于微區(qū)冶金結(jié)合[9—10]，所以具有多種優(yōu)勢(shì)特性，可以數(shù)倍乃至數(shù)十倍地提高工件的使用壽命，從根本上克服了鋁、鎂、鈦合金材料在使用中的缺點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。微弧氧化的特點(diǎn)有：結(jié)合強(qiáng)度高，可達(dá)2500～3000 MPa；硬度高，大幅度提高了材料的表面硬度，顯微硬度在 1000～2000HV，最高可達(dá)3000HV，可與硬質(zhì)合金相媲美[11]；耐腐蝕性高，膜層致密均勻，孔隙率低，中性鹽霧試驗(yàn)大于1000 h；抗溫度急變及耐高溫氣流沖刷性能優(yōu)異，100 μm厚的膜層可耐2500 ℃的高溫氣流沖擊，20 s不脫落。

另外，微弧氧化還是一種綠色表面處理技術(shù)，具有對(duì)環(huán)境污染小、易操作和處理效率高的優(yōu)點(diǎn)[12]，適宜于自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)。美中不足的是，制備微弧氧化膜需要大功率電源，能源消耗量較大，成本略高，在處理面積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件上存在一定的局限性[13]。

3 彈底微弧氧化工藝規(guī)范

微弧氧化陶瓷膜的厚度、組成、結(jié)構(gòu)和性能可以通過調(diào)節(jié)電參數(shù)與改變電解液的成分來控制。根據(jù)能譜分析可以得知，微弧氧化膜層所包含的元素不但有基體元素和氧元素，還含有電解液中的陰離子，這說明可以通過引入適當(dāng)?shù)年庪x子元素，并控制膜層中元素的相對(duì)含量[14]，來改善氧化膜層的性能，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。也可以通過調(diào)節(jié)電參數(shù)來獲得更高的局部放電密度，有利于促進(jìn)一些特殊膜層的生長(zhǎng)。正是由于這種膜層功能的可選擇性和可調(diào)節(jié)性，使彈底采用微弧氧化方式后具有抗火藥氣體的高溫沖刷作用成為可能。

依據(jù)膜層厚度及性能要求，經(jīng)對(duì)比分析、正交試驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)等過程，最終確定各項(xiàng)參數(shù)如下。

1）以彈底作陽極，不銹鋼電解槽為陰極，采用恒流方式操作。

2）電解液選擇硅酸鹽體系，通過向硅酸鹽溶液中加入添加劑來改善膜層的性能。配方為：硅酸鈉4～6 g/L，氫氧化鉀1～2 g/L，四硼酸鈉0.5～1 g/L，鋁酸鈉 2～3 g/L，溫度 20～40 ℃，pH值 10～12，處理時(shí)間80～90 min。

3）雙極性交變脈沖電源可形成粗糙度小、厚度均勻的膜層，具體參數(shù)為：頻率50 Hz，正向占空比50%，負(fù)向占空比50%，正向脈沖數(shù)1，負(fù)向脈沖數(shù)1。

微弧氧化工藝流程：彈底上夾具→除油→純水洗→微弧氧化→純水洗→純水封閉→吹干→卸夾具→檢驗(yàn)。

4 微弧氧化工裝設(shè)計(jì)原則

由于微弧氧化使用高電壓、大電流，使得單個(gè)彈底的處理面積受到限制，為了保證我廠的交貨進(jìn)度，采用了目前國(guó)內(nèi)功率最大的300 kW電源。

在設(shè)計(jì)微弧氧化掛具時(shí)，掛具不能在溶液中引入新的雜質(zhì)，且要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。另外掛具與彈底要有較大的接觸面和良好的接觸狀態(tài)，掛具的其他部位和彈底不受火藥氣體沖刷的表面需要進(jìn)行絕緣處理，從而使微弧氧化過程中的電流集中在彈底上，加快反應(yīng)速度，提高生產(chǎn)效率，減少金屬材料、溶液和電能的消耗。

對(duì)于掛具與彈底接觸的導(dǎo)電部分采用了同材料的鋁合金，而非導(dǎo)電部位采用了強(qiáng)度比較高的2A12鋁合金，并在其外表面涂覆了一層絕緣膠，同時(shí)將彈底的底凹部分進(jìn)行了封閉處理。最終設(shè)計(jì)的掛具既滿足了導(dǎo)電要求，又減少了導(dǎo)電面積，生成的膜層致密，可以滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

5 微弧氧化膜層各項(xiàng)性能檢測(cè)

5.1 確定性能檢測(cè)項(xiàng)目

結(jié)合產(chǎn)品生產(chǎn)試制過程，制訂了國(guó)內(nèi)第一個(gè)微弧氧化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——《微弧氧化膜層通用規(guī)范》，對(duì)微弧氧化膜層的外觀質(zhì)量、厚度、耐蝕性和耐燒蝕性等指標(biāo)作出了具體規(guī)定，為軍工產(chǎn)品的微弧氧化試制和驗(yàn)收提供了依據(jù)，也為其他領(lǐng)域的生產(chǎn)提供了參考。

鑒于該產(chǎn)品彈底零件采用微弧氧化生產(chǎn)方式主要是為了解決在發(fā)射過程中出現(xiàn)的燒蝕問題，所以對(duì)硬度、絕緣性、耐磨性和柔韌性等性能指標(biāo)不進(jìn)行檢測(cè)，只對(duì)影響燒蝕性能的外觀質(zhì)量、厚度、附著強(qiáng)度、耐腐蝕性和耐燒蝕性指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。只有這些性能指標(biāo)檢測(cè)合格，才能保證彈底在射擊時(shí)不出現(xiàn)問題。

在進(jìn)行各項(xiàng)性能檢測(cè)時(shí)，對(duì)外觀質(zhì)量和厚度檢測(cè)采取100%全檢的方式。檢測(cè)附著強(qiáng)度、耐燒蝕性和耐腐蝕性時(shí)，由于在微弧氧化生產(chǎn)過程中，電流、電壓和電解液等參數(shù)控制得很好，波動(dòng)范圍很小，可基本保證生成膜層的一致性，再結(jié)合考慮生產(chǎn)和試驗(yàn)成本，適當(dāng)放寬檢測(cè)條件，用試樣代替彈底進(jìn)行檢測(cè)。

5.2 微弧氧化膜層外觀質(zhì)量和金相組織檢查

只有微弧氧化膜層完整，才能確保彈底抵抗火藥氣體的燒蝕能力，所以要求膜層連續(xù)均勻，不允許有起泡、裂紋、局部脫落、電擊傷、松散附著等缺陷，并100%檢驗(yàn)?zāi)油庥^質(zhì)量。另外，在微觀上還對(duì)微弧氧化膜層進(jìn)行了金相組織檢查。圖4為樣件膜層表面的500倍金相照片，可以看到膜層為多孔狀，且致密。

5.3 微弧氧化膜層厚度檢測(cè)

根據(jù)彈底在射擊過程中與高溫火藥氣體的作用時(shí)間極短（毫秒級(jí)），并考慮到產(chǎn)品性能要求，確定膜層厚度為40～60 μm。厚度達(dá)到了規(guī)定指標(biāo)，微弧氧化膜層才能起到抗燒蝕的作用，且厚度要在彈底與彈體相接觸的端面上均勻分布，不允許出現(xiàn)厚度偏差過大的現(xiàn)象。

采用渦流測(cè)厚儀無損測(cè)量膜層的厚度。實(shí)測(cè)時(shí)，在彈底與彈體相接觸端面的圓周方向上對(duì)稱選取8個(gè)點(diǎn)，取其平均值作為厚度指標(biāo)。

5.4 微弧氧化膜層附著強(qiáng)度檢測(cè)

即使微弧氧化膜層連續(xù)均勻，厚度也均勻，如果膜層附著強(qiáng)度不好，也無法起到抗燒蝕的作用。采用同材質(zhì)、同種工況條件的超硬鋁合金試樣，利用粗研磨銼，沿著從基體金屬到微弧氧化膜層的方向，與膜層表面約呈45°的夾角進(jìn)行銼削，膜層不允許出現(xiàn)分離現(xiàn)象。每班抽一個(gè)試樣進(jìn)行附著強(qiáng)度檢測(cè)。

5.5 微弧氧化膜層耐燒蝕性檢測(cè)

燒蝕性檢測(cè)方法為氧-乙炔燒蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：火焰溫度2000 ℃、燒蝕時(shí)間20 s。要求試樣不允許出現(xiàn)裂紋，質(zhì)量燒蝕率小于 0.1%。試樣的質(zhì)量燒蝕率Rm（g/s）按公式（1）計(jì)算。

式中：m1為試樣原始質(zhì)量（g）；m2為試樣燒蝕后的質(zhì)量（g）；t為燒蝕時(shí)間（s）。

類似附著強(qiáng)度的檢測(cè)，也采取每班抽一個(gè)試樣進(jìn)行耐燒蝕性檢測(cè)。

5.6 微弧氧化膜層耐腐蝕性檢測(cè)

進(jìn)行該項(xiàng)檢測(cè)，主要是考慮微弧氧化膜層在該產(chǎn)品的全壽命周期內(nèi)不產(chǎn)生銹蝕，不會(huì)間接影響到全彈發(fā)射時(shí)的耐燒蝕性。耐腐蝕性檢測(cè)的依據(jù)是GB/T 10125—1997《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》?？紤]到該產(chǎn)品各部件的全壽命周期、試驗(yàn)成本和我廠現(xiàn)有的理化檢測(cè)條件，確定采用中性鹽霧試驗(yàn)法（NSS）：5% NaCl溶液，35 ℃，連續(xù)噴霧，考核168 h。經(jīng)鹽霧試驗(yàn)的試樣表面允許輕微變色、變暗，但不允許出現(xiàn)銹蝕。

每批抽一個(gè)試樣進(jìn)行耐腐蝕性檢測(cè)。

6 微弧氧化處理后裝配精度保證措施

在確定彈底采用微弧氧化方式后，為保證與彈體的裝配精度，采取了以下措施：彈底螺紋按中下限尺寸加工；彈底微弧氧化后，用螺紋環(huán)規(guī)檢測(cè)螺紋尺寸，不合格者剔除，退膜后重新進(jìn)行微弧氧化處理；彈體磷化后，用螺紋塞規(guī)檢測(cè)螺紋尺寸，不合格者剔除，退膜后重新進(jìn)行磷化處理；對(duì)彈底和彈體進(jìn)行預(yù)裝，裝配不上時(shí)進(jìn)行選配。采取以上措施后保證了彈體和彈底的裝配精度。

7 微弧氧化膜層射擊試驗(yàn)驗(yàn)證

在工藝試驗(yàn)成功后，隨機(jī)抽取40發(fā)彈底進(jìn)行強(qiáng)度、全裝藥高、低溫、某裝藥低溫開艙工作可靠性等靶場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目。經(jīng)驗(yàn)證，彈底均無燒蝕、脫落現(xiàn)象，強(qiáng)度滿足要求，高低溫開艙可靠，從而證實(shí)彈底采用微弧氧化的處理方式可以抵抗火藥氣體的瞬間高溫?zé)g作用，不會(huì)影響該子母彈的各項(xiàng)戰(zhàn)技指標(biāo)要求。

8 結(jié)語

鋁合金由于密度小、比強(qiáng)度大、塑性好、成形性好，在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中已成為僅次于鋼鐵的第二大材料。雖然鋁合金的某些性能還不理想，如耐磨性、耐蝕性、耐熱性差，剛度小等，應(yīng)用范圍受到一定限制，但是經(jīng)微弧氧化處理后，賦予了鋁合金多種功能性表面強(qiáng)化層，進(jìn)一步擴(kuò)大了鋁合金材料的應(yīng)用。

彈底表面處理方式由原來的硫酸陽極氧化調(diào)整為微弧氧化后，各項(xiàng)性能均得到了大幅改善，尤其是抗燒蝕性能得到了飛躍式的提高，通過了批量生產(chǎn)考核，膜層質(zhì)量完全滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。