火炮身管抗磨損燒蝕技術(shù)及發(fā)展動(dòng)向

■ 黃堅(jiān) 劉漢青 趙紅瑞 宗國慶

圖文無關(guān)

身管是火炮的主要零件之一，隨著火炮追求高初速和高射速的發(fā)展，內(nèi)膛溫度和壓力不斷增大，大威力火炮身管內(nèi)膛的磨損燒蝕問題日趨嚴(yán)重。火炮身管內(nèi)膛磨損燒蝕這一射擊過程中固有現(xiàn)象是火炮身管的主要失效形式，越來越成為阻礙火炮威力提高的重要因素之一。燒蝕磨損是一種熱、化學(xué)和機(jī)械綜合作用的復(fù)雜過程，主要特征是內(nèi)膛表面開裂、內(nèi)膛表面化學(xué)成分的變化及磨損引起的直徑擴(kuò)大。

1 身管內(nèi)膛磨損燒蝕情況概述

火炮身管的磨損、燒蝕是兩個(gè)不同的概念，通常人們將內(nèi)膛金屬表面層在反復(fù)冷熱循環(huán)和火藥氣體的化學(xué)作用下，金屬性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而出現(xiàn)龜裂或金屬剝落的現(xiàn)象稱為燒蝕，將 內(nèi)膛尺寸和精度的變化稱為磨損。這雖然是兩個(gè)不同的概念，但是這兩種破壞的作用是緊密相關(guān)、互相影響的，在一般情況下燒蝕對(duì)身管的破壞比磨損更為嚴(yán)重。所以，磨損研究在這里不予敘述，主要闡述關(guān)于燒蝕問題。

1.1 身管內(nèi)膛磨損燒蝕形成機(jī)理

身管內(nèi)膛產(chǎn)生磨損和燒蝕的機(jī)理雖很復(fù)雜，尚未弄清，但總的概念己經(jīng)基本形成，熱作 用貫穿始終，冷熱交變應(yīng)力一直存在。身管內(nèi)膛的耗損主要是在射擊過程中，火藥高溫燃?xì)饬骱蛷椡鑼?duì)腔壁金屬直接作用形成的，這點(diǎn)人們并無疑問。一般燃?xì)庾饔迷斐傻暮膿p認(rèn)為是磨損。磨損和燒蝕之間有一定的關(guān)系，兩個(gè)因素結(jié)合起來，并在冷熱作用下逐步發(fā)展。

1.2 身管內(nèi)膛燒蝕常見型式

典型燒蝕發(fā)展，一般表現(xiàn)為3 種型式：

（1）彈帶導(dǎo)轉(zhuǎn)部和火藥氣體對(duì)內(nèi)膛造成磨損和燒蝕，使內(nèi)膛尺寸發(fā)生變化，初速和膛壓下降；

（2）由于金屬表面多次受到加熱和冷卻，引起膛面裂紋在個(gè)別部位并有金屬剝落；

（3）金屬表面由于高溫、高速氣流通過和彈帶之間空隙沖刷破壞，形成不同程度的溝槽。通常認(rèn)為，火炮身管內(nèi)膛在相當(dāng)多的射擊發(fā)數(shù)后，才出現(xiàn)燒蝕，且大多數(shù)為龜裂燒蝕，仔細(xì)進(jìn)行研究后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)膛燒蝕類型是較多的，龜裂并不是燒蝕的唯一形態(tài)。

燒蝕龜裂是燒蝕失效內(nèi)膛的典型形貌，另有幾種特殊燒蝕類型，常遇到的有以下幾種：①橫裂型燒蝕；②縱裂型燒蝕；③劃痕型燒蝕；④亂削型燒蝕；⑤不規(guī)則型燒蝕；⑥樹皮狀型燒蝕；⑦碎塊型龜裂。

2 火炮身管抗磨損燒蝕破壞研究目標(biāo)

從提高火炮身管本身的抗燒蝕能力看，近期目標(biāo)是系統(tǒng)地研究鍍鉻工藝，改進(jìn)鍍鉻層防燒蝕能力；遠(yuǎn)期目標(biāo)是發(fā)展耐熱金屬和合金鍍層，進(jìn)一步提高火炮身管燒蝕壽命；更長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)是發(fā)展陶瓷襯管和無機(jī)纖維增強(qiáng)玻璃基復(fù)合材料襯管。

己經(jīng)證明，火炮身管鍍鉻層在射擊過程中主要以開裂剝落形式破壞，而不是磨損破壞,如果能防止鉻層開裂剝落，就會(huì)大幅度提高火炮身管燒蝕壽命。為此，著重從以下三個(gè)方面研究提高鉻層抗開裂剝落破壞的能力。第一，改進(jìn)鉻層本身的性質(zhì)和尋找有一定變形能力的致密的軟鉻鍍層；第二，提高鉻層與鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度；第三，控制影響鉻層壽命的各種因素。目前最顯著的進(jìn)展是：初步研究成功電鍍低收縮性鉻(也稱軟鉻)的工藝，這種鉻層強(qiáng)度高，密度大，無裂紋，又較軟，將這種鉻層的鋼襯管裝入20毫米M24A1 航炮炮管進(jìn)行射擊試驗(yàn)表明，比鍍硬鉻的鋼襯管的壽命高的多。另外，激光處理能降低鍍鉻層的裂紋與孔隙，含微量其他元素的鍍鉻層容易得到等軸晶粒組織，不易開裂，離子鍍鉻層與鋼基體結(jié)合強(qiáng)度高，控制鉻層厚度和鉻層力學(xué)性能等因素可提高鉻層壽命。

國外耐熱金屬與合金鍍層與襯管的研究，大約在20 世紀(jì)70 年代中期以前，主要針對(duì)中小口徑速射武器，70 年代后期以來則積極研究用于大口徑火炮炮管防燒蝕。顯然是考慮到鍍鉻層尚不能適應(yīng)當(dāng)前火炮防燒蝕要求，更不能適應(yīng)今后新一代火炮的防燒蝕要求，必須尋找比鍍鉻層抗燒蝕性能更好的耐熱金屬與合金鍍層。為此，國外近年來主要是用燒蝕試驗(yàn)篩選最抗燒蝕的耐熱金屬與合金，同時(shí)研究適用的鍍覆技術(shù)。

通過近幾年的研究，可以看出如下重要進(jìn)展和發(fā)展動(dòng)向：第一，在耐熱金屬中，Ta 的抗燒蝕性能更好些，鍍Ta 鋼襯管裝在20 毫米M24A1 航炮炮管內(nèi)進(jìn)行的射擊試驗(yàn)表明顯著降低了火炮燒蝕，已準(zhǔn)備用于大口徑火炮；第二，耐熱金屬層一般是柱狀晶粒組織，而耐熱金屬層則容易得到等軸晶粒組織，因此更耐燒蝕，其中以含鎢量較高的Ta-W 合金W-C 性能更好；第三，熔鹽電鍍和離子電鍍技術(shù)都可在管件內(nèi)膛電鍍耐熱金屬，離子電鍍層與基體的結(jié)合度更高，似乎比熔鹽電鍍更好些。

陶瓷襯管和無機(jī)纖維增強(qiáng)玻璃復(fù)合襯管抗燒蝕鍍層技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)美國陸軍最先曾研究 過氧化鋁陶瓷作襯管，試驗(yàn)結(jié)果不理想。后來美國陸軍又研究用SiC 陶瓷作炮管襯管，成功地把SiC 襯管縮配到金屬中間套管，然后裝入金屬外套，制成0.50 英寸口徑滑膛槍管，在室溫單發(fā)射擊條件下射擊了1000 發(fā)，襯管既沒有燒蝕，也沒有開裂。雖然看來SiC 襯管是可行的，但陸軍認(rèn)為陶瓷材料抗沖擊性能差，缺口敏感性嚴(yán)重，目前大口徑的長(zhǎng)而薄的SiC 襯管的制造技術(shù)也不成熟，所以陶瓷襯管僅有可能用于將來的大口徑火炮。為此，美國陸軍 又研究了石墨纖維增強(qiáng)硅酸硼玻璃作炮管襯管的可行性，這種技術(shù)還需要進(jìn)一步試驗(yàn)，來評(píng)定這種襯管的抗燒蝕能力。

3 火炮身管抗磨損燒蝕破壞相關(guān)的技術(shù)措施和發(fā)展動(dòng)向

炮管內(nèi)膛的磨損、燒蝕是一個(gè)十分復(fù)雜的現(xiàn)象。使用添加劑是提高炮管耐磨、抗燒蝕性 能的主要措施之一。它是在推進(jìn)裝藥中添加某種化學(xué)成分，以便射擊時(shí)，在炮膛的表面形成 某種物質(zhì)，使其在發(fā)射時(shí)，燃燒后生成的氣體溫度低于主推進(jìn)裝藥氣體的溫度，在主推進(jìn)裝 藥高溫燃?xì)夂团诠軆?nèi)壁之間形成一個(gè)低溫氣體層，起隔熱的作用。添加劑的種類很多，其中 以二氯化鈦和石蠟混合物、有基氨基酸及其鹽類添加劑，目前應(yīng)用比較多，效果比較好。

另外，釆用低燒蝕發(fā)射藥也是提高炮管耐磨、抗燒蝕性能的主要措施之一。多年的實(shí)踐 證明火藥的火焰溫度與炮管的磨損、燒蝕速率之間有密切的關(guān)系。美國海軍曾用M6 型單基 藥、M26 型雙基藥和海軍用的NAC0 冷火藥在口徑127 毫米，管長(zhǎng)6858 毫米的艦炮上作過試 驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)膛線起始部的磨損速率與炮膛表面溫度和火藥的火焰溫度之間成指數(shù)關(guān)系變 化，而彈帶材料或彈帶摩擦加熱對(duì)炮管磨損的影響則是次要的。多年來，美國陸、空軍在身 管武器發(fā)展中也都一直把研制一種能量高、火焰溫度低的發(fā)射藥作為他們的主要目標(biāo)之一。20 世紀(jì)60年代以前，美國陸軍使用的發(fā)射藥主要有M15 單基、M17 雙基和M30 三基藥。由于火藥性能的提高，到60 年代末，上述發(fā)射藥在能量和燃燒性能方面已不能滿足新一代中、大口徑火炮性能的需要。于是，他們開始研制新型三基藥，它與原M30 三基藥相比，能量既高、火焰溫度又低，如果再加入一定量的添加劑，如加入1%～2%滑石粉，可使炮膛燒蝕明顯減輕。美空軍的自動(dòng)航炮的炮管破壞，主要也是發(fā)射藥產(chǎn)生的高溫火焰氣體燒蝕引起的，因此，目前空軍也集中力量研制含硝胺類的新型發(fā)射藥。

第三種方式是改變炮鋼成分。美國華特弗利特兵工廠在研究中發(fā)現(xiàn)，炮鋼的熱傳導(dǎo)率對(duì)炮管燒蝕有較大的影響，因此他們?yōu)楦淖儫醾鲗?dǎo)率，把炮鋼中硅的含量適當(dāng)?shù)亟档?，而把鉬的含量相應(yīng)地增加，然后用這種低硅高鉬鋼生產(chǎn)了一根105 毫米的炮管，再用一根同口徑的標(biāo)準(zhǔn)炮鋼身管進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)發(fā)射100 發(fā)炮彈后，兩種炮管在炮尾膛線起始部位磨損情況相同，過了起始部位，低硅高鉬炮鋼的炮管磨損量比標(biāo)準(zhǔn)炮鋼的炮管小，但總磨損壽命二者基本相同。根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低硅高鉬鋼有可能減輕二次磨損區(qū)域內(nèi)的燒蝕速度，目前此類研究仍在繼續(xù)進(jìn)行。