電磁發(fā)射條件下CuCrZr合金材料軌道損傷行為研究

黃偉， 楊黎明， 史戈寧， 張延松， 田開文， 劉凱

(1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院， 浙江 寧波 315000； 2.中國兵器科學(xué)研究院寧波分院， 浙江 寧波 315103；3.煙臺(tái)萬隆真空冶金股份有限公司， 山東 煙臺(tái) 264006)

0 引言

電磁軌道炮以其良好的隱蔽性、穩(wěn)定性以及射程遠(yuǎn)、廉價(jià)等特點(diǎn)在近些年來得到快速發(fā)展[1]。電磁軌道炮可以瞬間將彈丸加速到3 000 m/s以上的超高速，大大縮短彈丸飛行時(shí)間，可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行更為有效的打擊和摧毀[2]。電磁軌道炮發(fā)射原理是通過發(fā)射軌道和導(dǎo)電電樞構(gòu)成放電回路，應(yīng)用高功率脈沖電源產(chǎn)生脈沖強(qiáng)電流，強(qiáng)電流通過發(fā)射軌道和導(dǎo)電電樞構(gòu)成放電回路。發(fā)射軌道中的強(qiáng)電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場，搭載彈丸的載流電樞在軌道強(qiáng)磁場的作用下將會(huì)受到電磁力的推動(dòng)，從而使彈丸獲得高發(fā)射速度。電磁軌道炮發(fā)展與軌道的優(yōu)化改進(jìn)密不可分，而軌道性能取決于軌道材料的選擇，目前文獻(xiàn)報(bào)道較多的兩種軌道材料為鋁合金和銅合金。研究發(fā)現(xiàn)在電磁發(fā)射過程中軌道會(huì)出現(xiàn)槽蝕現(xiàn)象，當(dāng)選用鈹銅合金作為軌道時(shí)，經(jīng)過多次電磁發(fā)射后，軌道有明顯的槽蝕損傷，利用輪廓儀檢測發(fā)現(xiàn)槽坑位于軌道邊緣的兩側(cè)，研究人員將這種情況歸因于塑性變形所引起[3]。美國高等技術(shù)研究所(IAT)[4]曾于2002年對(duì)槽蝕現(xiàn)象進(jìn)行研究，其采用鋁合金軌道和鋁合金電樞配對(duì)，顯示在電磁發(fā)射起始階段軌道有明顯的損傷情況，讓研究人員對(duì)槽蝕現(xiàn)象給予極大的重視[3]。近些年來，隨著現(xiàn)代軍事技術(shù)的發(fā)展以及國防建設(shè)的需要，對(duì)武器彈藥的高能化、高速化要求越來越高，關(guān)于電磁軌道炮方面研究也越來越豐富，國內(nèi)中國兵器科學(xué)研究院、南京理工大學(xué)、中國科學(xué)院、華中科技大學(xué)、西北核技術(shù)研究所等單位對(duì)電磁軌道炮的脈沖電流、電磁特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面做了大量研究[5-13]。同時(shí)，國外研究人員在電磁發(fā)射裝置的應(yīng)用方面也做了很多有用的工作，在電磁發(fā)射的樞軌動(dòng)力模型、軌道參數(shù)對(duì)臨界速度的影響以及利用軟件模擬軌道臨界速度等方面取得了一定的進(jìn)展[14-16]。

軌道是電磁發(fā)射裝置的關(guān)鍵部件之一，需要良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、耐蝕性、高強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性，而CuCrZr合金(C18150銅合金)良好的綜合性能與軌道材料的要求比較匹配[17-19]。本文以C18150銅合金軌道為研究對(duì)象，觀察其在多次電磁發(fā)射試驗(yàn)后軌道表面的二維、三維輪廓形貌，探索電磁發(fā)射過程中軌道的摩擦磨損機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所選用的軌道材料為C18150銅合金，采用真空熔鑄—熱鍛—固溶—冷鍛—時(shí)效工藝技術(shù)制備，材料抗拉強(qiáng)度≥550 MPa，導(dǎo)電性≥80%IACS(國際退火銅標(biāo)準(zhǔn))，硬度≥80 HRB.

所選用的電樞材料為：7075鋁合金，采用半連鑄—擠壓—熱處理工藝技術(shù)制備，材料抗拉強(qiáng)度≥520 MPa，導(dǎo)電性≥35%IACS.

1.2 試驗(yàn)方案

本研究的多次發(fā)射試驗(yàn)在模擬電磁發(fā)射試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，發(fā)射裝置參數(shù)為：發(fā)射極限速度≥2 000 m/s，發(fā)射極限加速度≥20 000g，發(fā)射峰值電流≥300 kA，試驗(yàn)10次。

對(duì)完成試驗(yàn)的軌道構(gòu)件材料進(jìn)行宏觀觀察和表面輪廓測量。將完成試驗(yàn)的軌道構(gòu)件按長度方向進(jìn)行分割，獲得長度不等的12件軌道材料分析樣品。結(jié)合試驗(yàn)過程中測量所得的電樞運(yùn)動(dòng)時(shí)刻與位移、速度對(duì)照?qǐng)D(見圖1)，獲得每一段軌道材料分割段所對(duì)應(yīng)的速度(見表1)。

圖1 電樞運(yùn)動(dòng)時(shí)刻與運(yùn)動(dòng)速度、位移對(duì)照?qǐng)DFig.1 Velocity/displacement of armature vs. time

對(duì)完成取樣的軌道材料樣品，采用陜西威爾機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)的RC120H型二維表面輪廓儀測量其橫向表面輪廓，設(shè)定測量范圍為橫向掃描25 mm；采用瑞士丹青科技有限公司生產(chǎn)的RC-ScanP300型三維表面輪廓儀，測量軌道三維輪廓形貌并提取縱向二維表面特征輪廓，設(shè)定測量范圍為沿軌道縱向掃描距離40～70 mm.

表1 軌道分割段參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 軌道表面輪廓宏觀形貌

根據(jù)電樞在軌道上的加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間和運(yùn)動(dòng)位移將軌道以長度方向分為起始、加速、高速3個(gè)階段。圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)分別是電磁發(fā)射軌道起始階段、加速階段、高速階段的宏觀輪廓形貌。從圖2(a)可以看出，在電磁發(fā)射起始階段軌道表面損傷嚴(yán)重，軌道表面有部分熔化痕跡，與電樞接觸的兩側(cè)出現(xiàn)較厚的鋁沉積，同時(shí)軌道表面顏色已從紫紅色變?yōu)辄S色。從圖2(b)可以看出：加速階段的損傷比較嚴(yán)重，出現(xiàn)嚴(yán)重的鋁沉積，沉積位置位于電樞接觸的兩側(cè)；與電樞接觸的部位存在銀色鋁層殘留，未觀察到明顯的熔化現(xiàn)象；軌道邊緣處的鋁沉積與軌道的結(jié)合力較弱，輕微敲擊可使其剝離，而與電樞接觸處的鋁層與軌道的結(jié)合較好，無法輕易去除。當(dāng)電樞速度達(dá)到高速階段時(shí)，軌道損傷相對(duì)較輕，如圖2(c)所示。由圖2(c)可以看出，軌道表面比較光滑，電樞與軌道接觸部位顏色變化并不明顯，且電樞兩側(cè)仍能觀察到鉻銅合金的顏色，但靠近炮口位置軌道表面呈現(xiàn)出黑色。

圖2 電磁發(fā)射過程中軌道宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of rail during electromagnetic launching

2.2 軌道表面輪廓微觀形貌

圖3 電樞速度105～2 088 m/s時(shí)對(duì)應(yīng)軌道位置的二維表面輪廓Fig.3 Two-dimensional surface profile of rail at armature velocity of 105-2 088 m/s

圖3是不同電樞速度下軌道相應(yīng)橫向輪廓線測試結(jié)果。由圖3可以看出：當(dāng)電樞速度≤1 202 m/s時(shí)，軌道表面存在較深的溝槽，軌道表面起伏較大，表面表現(xiàn)出明顯槽蝕特征；當(dāng)電樞速度≥1 594 m/s時(shí)，軌道表面起伏現(xiàn)象逐漸減弱，軌道表面的槽蝕傾向降低。

為進(jìn)一步獲得軌道材料在不同電樞速度下的損傷情況，對(duì)軌道材料樣品進(jìn)行三維微觀形貌測量。

圖4 不同電樞速度下軌道三維輪廓形貌(上)和縱向二維輪廓形貌(下)Fig.4 Three-dimensional (upper) and two-dimensional (lower) profile morphologies of rail during electromagnetic launching

圖4(a)～圖4(g)分別為不同電樞速度下軌道的三維輪廓形貌和縱向二維輪廓線。從圖4中可以看出，隨著電樞速度的不斷增加，沿電樞運(yùn)動(dòng)方向軌道表面起伏越來越小。在電樞速度≤1 202 m/s時(shí)，槽蝕傾向較大；當(dāng)電樞速度≥1 594 m/s時(shí)，軌道表面逐漸平整；在電樞速度達(dá)到2 000 m/s以上時(shí)，軌道表面起伏間距<10 μm.

為了進(jìn)一步分析電磁發(fā)射過程中軌道表面磨損機(jī)理，對(duì)不同電樞速度階段軌道表面起伏狀態(tài)作定量分析。圖5是對(duì)二維輪廓儀得到的軌道表面高度起伏的定量測試結(jié)果。由圖5可以看出，沿軌道縱向方向，軌道表面峰谷之間間距變化時(shí)存在高低起伏變化，但不是單調(diào)的變化趨勢?？傮w上說，軌道表面的峰谷間距呈一種先增加、后降低的趨勢：啟動(dòng)階段電樞速度從105 m/s增加到704 m/s，軌道峰谷間距不斷增加，704 m/s時(shí)達(dá)到最大值，由最初的175 μm左右增加至最大值約300 μm；當(dāng)電樞速度超過704 m/s后，軌道峰谷間距不斷降低；當(dāng)電樞速度超過2 000 m/s時(shí)，軌道表面峰谷間距降低至60 μm左右。

圖5 軌道表面峰谷間距與電樞速度之間的變化關(guān)系Fig.5 Rail surface peak-valley spacing versus armature motion velocity

圖6是對(duì)三維輪廓儀得到的不同電樞速度區(qū)間內(nèi)軌道表面高度起伏的定量測試結(jié)果。由圖6可以看出，沿軌道縱向方向不同電樞速度區(qū)間軌道表面峰谷之間間距總體呈一種不斷降低的變化趨勢，從電樞速度0～487 m/s時(shí)軌道表面峰谷間距200 μm降低到電樞速度2 085～2 088 m/s時(shí)軌道表面峰谷間距8.4 μm.

圖6 軌道表面峰谷間距與電樞速度之間的變化關(guān)系Fig.6 Rail surface peak-valley spacing versus armature motion velocity

電磁發(fā)射過程中，由于電樞與軌道之間存在摩擦力和焦耳熱作用使得軌道表面出現(xiàn)起伏現(xiàn)象，對(duì)電樞速度、樞軌界面微區(qū)焦耳熱和軌道表面輪廓起伏作曲線定量表征，可以更清楚地分析發(fā)射過程中軌道的摩擦磨損狀態(tài)，如圖7所示。從圖7中可以看出：隨著電樞速度的增加，電樞與軌道之間的焦耳熱作用逐漸減小，在電樞啟動(dòng)階段其焦耳熱達(dá)到最大，約19.56×103kJ；同時(shí)，軌道表面的輪廓起伏跨度也呈現(xiàn)出減小的狀態(tài)，在電樞速度達(dá)到最大值2 085 m/s左右時(shí)，軌道表面的輪廓起伏程度約為8.4 μm.

圖7 電樞速度、樞軌界面微區(qū)焦耳熱和軌道表面輪廓起伏變化曲線Fig.7 Curves of the armature motion velocity, armature rail interface Joule heat and rail surface profile fluctuation

3 摩擦磨損機(jī)制分析

結(jié)合軌道表面宏觀、微觀形貌以及軌道與電樞之間的焦耳熱作用分析可知，軌道在電磁發(fā)射過程中根據(jù)電樞的不同運(yùn)動(dòng)速度和所處位置存在低速起始階段、加速階段、勻速高速階段3種不同形式的摩擦磨損機(jī)制。

1)低速起始階段。從圖2軌道的宏觀狀態(tài)和圖7軌道與電樞之間的焦耳熱作用分析可知，在軌道起始階段，尤其是電樞在發(fā)生運(yùn)動(dòng)之前的臨界狀態(tài)，軌道與電樞之間焦耳熱的作用與累計(jì)產(chǎn)生大量的熱能，導(dǎo)致電樞與軌道的局部熔化(見圖2(a))，導(dǎo)致電樞中的鋁原子向軌道的銅基體中擴(kuò)散形成銅鋁固溶體。在電樞啟動(dòng)后，由于運(yùn)動(dòng)速度較低，大量的熱能仍存在于軌道與電樞的界面上，因此，界面存在一定的熔化現(xiàn)象。同時(shí)，由于電樞運(yùn)動(dòng)，軌道表面出現(xiàn)較深的溝槽與沉積物。此階段軌道的損傷表現(xiàn)形式為熔坑、溝槽與沉積凸起，軌道損傷以熱效應(yīng)損傷為主。由于電樞與軌道之間存在一定的結(jié)構(gòu)預(yù)緊力，此時(shí)軌道表面會(huì)存在一定的機(jī)械磨損。

2)加速階段。當(dāng)電樞速度逐步提高時(shí)，電樞停留在軌道表面的時(shí)間相對(duì)減小，因此，焦耳熱作用時(shí)間與相對(duì)熱量絕對(duì)值也急劇減小(從圖7中體現(xiàn))，軌道與電樞熔化趨勢降低。由于電樞與軌道相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較大，輕微的失穩(wěn)將會(huì)導(dǎo)致軌道承受較大的沖擊力，使軌道表面組織出現(xiàn)一定程度的塑性變形。軌道與電樞的高速相對(duì)滑動(dòng)在加劇了軌道機(jī)械磨損現(xiàn)象的同時(shí)使軌道呈現(xiàn)光滑平整的表面(見圖2(c)和圖4(e)、圖4(f)、圖4(g))。

3)勻速高速階段。軌道尾部(炮口處)呈現(xiàn)出黑色的表面。考慮到電樞在出膛瞬間，會(huì)在炮口處形成較大的炮口電弧，高溫、高電壓的電弧會(huì)使炮口絕緣支撐的復(fù)合材料發(fā)生燒蝕和碳化現(xiàn)象，碳化顆粒附著在軌道上致使表面發(fā)黑。

4 結(jié)論

本文通過電磁發(fā)射試驗(yàn)后的C18150銅合金軌道材料進(jìn)行宏觀觀察、二維表面輪廓與三維表面輪廓測量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析對(duì)比，獲得軌道材料在電磁發(fā)射條件下的損傷行為和摩擦磨損作用機(jī)制如下：

1)隨電樞速度的增加，軌道表面橫向起伏的峰谷間距呈先增加、后降低的趨勢：起始階段，軌道表面峰谷間距隨電樞運(yùn)動(dòng)速度的增加而增加；當(dāng)電樞運(yùn)動(dòng)速度到達(dá)704 m/s時(shí)，軌道表面峰谷間距達(dá)到最大值300 μm左右；當(dāng)電樞運(yùn)動(dòng)速度大于704 m/s后，軌道表面峰谷間距逐步降低。

2)沿電樞運(yùn)動(dòng)方向，軌道表面起伏程度隨著電樞速度增加呈下降趨勢：起始階段，軌道表面起伏約為200 μm左右；當(dāng)電樞完成加速，速度達(dá)到2 000 m/s時(shí)，軌道表面起伏降低到11.5 μm左右；當(dāng)電樞速度達(dá)到極值處于勻速運(yùn)動(dòng)后，軌道表面起伏近乎為0 μm.

3)軌道損傷呈現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象：起始階段，軌道損傷表現(xiàn)出明顯熱損傷，軌道呈現(xiàn)局部熔化和槽蝕現(xiàn)象；加速階段，軌道承受的熱作用明顯減弱，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的摩擦磨損特征和一定的熱熔效應(yīng)；高速階段，軌道與電樞處于相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，軌道損傷以機(jī)械磨損為主，表現(xiàn)出光滑的摩擦界面和局部的塑性變形。