摘要:火炮身管的烧蚀磨损一直是降低火炮寿命、制约火炮发展的一个难题。从提高身管抗烧蚀性能的角度出发,归纳总结了近几十年来国内外火炮身管延寿的各种技术:身管内膛激光热处理技术、复合身管制造技术及身管内膛涂层制备技术。并在分析火炮身管的结构特点和工作特点的基础上,确定了一种比较理想的身管延寿技术。
关键词:机械制造工艺与设备;身管寿命;激光热处理;复合身管;涂层
自从火炮作为兵器出现以来,人们就不断改进其性能,以期将更重的炮弹更精准地投射到更远的地方,为此,越来越多的发射药被装进炮膛。这就使得射击时火炮身管承受到越来越严重的火药气体热作用和物理化学作用、高速流动火药气体的冲刷以及弹丸对膛壁的磨损作用。大威力火炮身管的烧蚀磨损现象愈来愈严重(图1),已成为降低火炮弹道性能、导致身管报废的重要因素。
目前装备的制式火炮虽然采用了低爆温发射药、发射药内添加缓蚀剂、改善弹带或炮膛结构、采用短衬管及内膛镀铬等技术措施,使火炮身管寿命得到一定提高,并满足一定的战术指标,但还是难以满足现代战争的要求,且越来越受到未来火炮更高膛压、更高寿命要求的挑战[1-2]。为此,国内外火炮工程科技人员在研究、探索火炮身管烧蚀机理的同时,结合近几十年世界上最新的科研成果,尤其是新材料和材料表面改性技术,为提高火炮身管抗烧蚀性做出了许多有益尝试。
1 身管内膛激光热处理技术
111 身管内膛激光淬火
从炮膛外激光器发出的高能密度激光束,经置于炮膛内的反射镜转向,快速照射到火炮身管内膛表面(图2),从而使炮膛被照射处瞬间吸收光能并立即转化成热能,温度急剧上升到相变温度以上、熔点温度以下,从而发生加热相变,材料组织变为奥氏体;激光束离开后,该处温度急剧下降,发生冷却相变。淬火后材料的组织主要为细化马氏体M,它不仅硬度高,还有利于阻碍裂纹扩展[3-4]。
王扬等学者对38CrNi3MoV炮钢材料(原始硬度<HRC 40)进行激光淬火处理,获得的硬化层厚度接近1 mm、硬度>HRC 60[5]。王茹等用CO2激光处理1217 mm枪管,发现由于在裂纹前端形成了超载塑性区阻滞了裂纹的扩展,使硬化层提高了身管抗热、抗疲劳裂纹的能力,实弹射击考核枪管寿命提高了40%以上[6]。
112 身管内膛激光强化
对内膛镀铬的身管,内膛铬层经过激光强化后,铬层表面原始裂纹消失、临近铬层的基体金属硬度增加,提高了其抗热冲击性能和基体的防热能力,且由于热处理获得的铁素体再结晶组织而提高了延性,铬层不易脱落[7-8]。
枪管镀铬前进行强化处理,可以在镀层和基体金属之间建立平缓的硬度梯度过渡层,有效控制镀层的主裂纹形态和镀层与基体的界面结合方式,大幅提高了镀层的抗剥落能力[9]。国内某型号镀铬枪管采用上述激光强化技术后,寿命提高50%,满足了战技指标。
火炮身管毛坯一般是在锻造和荒加工后进行调质热处理,目的是使身管获得强韧适中的综合机械性能。一般来讲,经过调质热处理的工件还要进行感应加热表面淬火以使表面具有良好的耐磨性能。但是由于火炮身管结构的特殊性,身管内膛不易进行感应加热表面淬火,激光淬火即可实现身管内膛表面的硬化。虽然激光热处理可明显延长枪管寿命,但对于烧蚀是身管报废主要因素的大口径火炮来讲,激光淬火的延寿作用有多大,还需进行火炮寿命试验来检验。
2 复合身管制造技术
211 复合材料身管
通过改进复合身管内筒的材料,可以提高身管的抗烧蚀性。美国利用A-碳纤维陶瓷制备陶瓷基复合材料身管内衬,该身管可经受1 000次滑膛炮的单发射击,并在射击中可有效消除火药气体造成的应力和结构损伤。德国在吸取美国碳)碳复合材料身管研制经验的基础上,也采用三维纤维增强方法试制出碳纤维增强身管,并在身管内膛涂上Si3N4或SiC涂层,保证身管在1 750℃下不发生氧化反应[10-11]。
212 复合结构身管
Juli℃n发明了多种结构形式的筒紧身管,其中一种为双筒筒紧身管,其内筒为56%镍和44%钽的56Nitinol,该材料硬度高、韧性大,在高温气体作用下具有低的热传导性和温升,有利于防止内筒的熔化;外筒为60Nitinol或普通炮钢。另一种为三筒筒紧身管,其内筒材料为镍)钽合金、60Nitinol或其它处于马氏体状态低导热性能的镍)钽合成物;外筒材料与内筒相同;中筒材料为55Nitinol.其特点是强度高、韧性大、质量轻、耐烧蚀、热膨胀和变形小、自身吸收震动或抗冲击的能力强[12]。
目前国内外装备的制式火炮均采用单筒身管,其显著特点是结构简单、工艺性好,便于制造。复合身管则由两层或多层不同的材料或毛坯组成,与普通单筒身管相比,有工艺复杂、生产周期长、生产成本高等缺点。欲实现其产品化,与其相配套的生产设备、工艺规程、检测方法和仪器、工厂和国家靶场试验规程都需研究或研制。另外,炮钢一般采用镍铬钼钒钢系,镍含量高有利于其综合机械性能的提高。镍是稀有贵重金属,来源困难,现在许多国家又在研究含镍少或不含镍的炮钢,性能较好的PCrNi3MoV中镍的含量仅为310%~315%。同样钽、钼、铼、钨也是稀有贵重金属,故复合身管工艺性和经济性能的好坏,是其能否采用的关键。
3 身管内膛涂层制备技术
在材料或工件表面制备耐磨、耐烧蚀涂层,是近代表面技术为提高材料机械性能、延长工件使用寿命而重点研究的一个课题。在火炮身管内膛制备耐烧蚀保护层,与复合材料身管的制造相比,既可减少贵重金属用量,降低生产成本,简化生产工艺,又能达到延长身管寿命之目的。但由于火炮身管长(最长可达10 m左右)、内径小(最大为203 mm),炮膛耐烧蚀保护层的制备对加工设备和工艺要求较高,有一定的特殊性。
311 热熔覆技术
美国橡树岭国家实验室的红外加工中心利用当今世界上功率最大的/灯0(300 kW、10 000℃)产生高强度红外能量,直接照射到难熔金属粉末涂层上,在基体材料上形成冶金结合涂层,身管涂层首选材料是钼铼合金类材料。在美国/十字军0项目的相关预研中,开展的身管涂层热循环试验,证实了这种材料在火炮射击时的耐久性。而现有和预研的铬涂层和激光涂层在强热循环实验后,都显示有严重的开裂,相比之下,铼涂层样品没有任何损坏[13]。
Christian发明的利用激光熔覆技术在火炮身管内膛制备涂层的方法,其基本原理是利用激光照射已涂敷在身管内膛上的铌、钼或钽等高熔点金属,使涂敷金属和身管基体金属熔化并融合在一起,从而增强炮膛耐烧蚀能力。激光加工头在炮膛内可轴向移动,满足炮膛全长度或部分所需部段上耐烧蚀涂层的制备[14]。
采用等离子体火焰,也可以实现高熔点材料在身管内膛上的涂覆。其方法是把等离子体喷嘴伸进身管内膛(图3),它可以沿炮膛轴向移动到身管需涂覆的地方。涂层材料可以是粉末、丝或者带状,通过专用装置送入到等离子体喷嘴内。在等离子体火焰中,涂层材料被熔化,然后喷射、沉积在身管内壁,形成耐烧蚀涂层[15]。
采用热熔覆技术制备涂层,还需保护气体包围在金属熔池周围,以防止其与大气发生化学反应,降低涂层质量。涂层厚度应留有适当的加工余量,以便对其表面做进一步的加工,满足炮膛的形状尺寸及表面粗糙度的要求。
312 线爆喷涂技术
2001年,德国莱茵金属公司的一项线爆喷涂制备身管涂层工艺技术获得美国专利权。该线爆喷涂装置(图4)放置在炮膛内,包括具有两个电极的组件,该组件支撑在身管内膛表面上,组件每一端有一个主电极,由涂层物质制备的金属丝可以在电极之间延伸。在电极组件中,其中一端的主电极由绝缘体包围,外侧支撑在炮膛内表面。由涂层物质制备的金属丝穿过该电极缠绕在一个线轴上,当电极组件在身管内移动时,涂覆身管不同区域,最终完成对整个身管内膛的涂覆。开关合上时,电容器内的电流沿导线、电刷、电极通过涂层金属丝,使其气化。为了保证涂层物质蒸发时,汽化颗粒速度不受空气分子阻碍,最好在身管内抽真空的条件下进行涂层工艺操作,这样还可以防止在身管内壁形成结块或氧化。在身管内引入某种气体可以使涂层硬度进一步提高,特别是采用甲烷作为工作气体有利于形成碳化物涂层[16]。
313 爆炸喷涂技术
利用炸药爆炸时产生的高压火药气体将熔点高、耐烧蚀的金属/冷焊接0在身管内膛表面上,是爆炸喷涂技术的核心思想。爆炸装置由钢质芯筒、炸药、引信、形状为筒状的涂覆材料以及两个支撑环组成,它置于身管炮膛欲喷涂部位。爆炸喷涂时,为了防止身管在爆炸时产生的高压气体作用下意外膨胀变形,其外套上一个保护筒,两者之间的间隙由水泥或环氧树脂填充。涂层效果好坏取决于炸药的爆炸速度、产生的气体压力,涂覆材料金属筒的厚度和成分,以及金属筒与炮膛的距离[17]。通过对25 mm线膛炮身管和120 mm滑膛炮身管内膛钽层的理化分析,发现钽层与基体金属之间的结合良好。25 mm线膛炮身管钽层厚度在1 mm左右,但存在硬度低、外形轮廓与原内膛轮廓不一致的不足[18]。
也可以通过爆炸喷涂方法先把一中间层喷涂到武器身管内膛表面,然后再电镀硬度高、熔点高的表面耐烧蚀金属层。中间层由导热率高、延性好和强度足够高的金属材料构成,铜、镍、钴及其合金用做中层材料比较合适。另外还应该保证中间层延性高于表面耐烧蚀层的延性,这将有利于阻止在表层中产生的裂纹扩展,使涂层系统可以承受最大的膨胀。它与传统的电镀硬铬相比,由于中间层的存在,表面耐烧蚀层的机械和热应力可以明显减少[19]。
314 磁控溅射镀膜技术
美国贝尼特武器实验室目前正在研究该技术在火炮身管上的应用,以取代传统身管镀铬工艺。它既可以在身管上沉积铬,也可以沉积其它难熔金属或合金。该实验室已经利用该技术涂覆法国Casius火炮身管涂层,并准备将该技术用在120 mm及155 mm口径身管上[20]。
315 等离子体喷涂技术
美国通用电气公司采用真空等离子体喷涂沉积法制造高强度、耐烧蚀身管。其主要制造过程是1)预制芯棒:芯棒可用铜或钢制作,外形结构就是相应的内膛结构,在芯棒外有氮化硼隔离层,以防止芯棒和沉积的身管材料间相互扩散;2)真空低压等离子体喷涂沉积:用等离子枪将高熔点材料(如陶瓷)的粉末熔化喷出,涂覆在芯棒上,形成身管内层,然后逐渐在高熔点材料粉末中增加身管主体金属粉末的比例,最后完全换成身管主体金属,身管基本是一次成型;3)后序处理:对沉积成的身管进行热处理、静压和热锻致密化处理,然后用机械或化学溶解方法除去芯棒,再做进一步的热处理、机械加工以及表面处理[21]。
316 化学气相沉积法
利用化学气相沉积法在身管芯棒上制备纯铼或钼铼、钨铼、铼铂合金的内层,该层可以承受1 000℃以上的温度,适合于2 000~2 200℃的高温环境。外层同样可用化学气相沉积法制备,材料可选用强度高、韧性好的铌、镍或钢合金。由于内层的隔热作用,外层金属不受膛内高温火药气体的作用。在内外层之间,有镍或钴作过渡层,通过热处理的方法,使过渡层入内外层,并将内外层粘结成一个整体[22]。
身管的作用是承受火药气体压力,导引弹丸在膛内运动,并赋予弹丸一定的初速、转速和射向。这就要求身管应具备足够的结构强度、高精度内膛尺寸和表面粗糙度。现代身管设计理论和制造技术可以保证身管的强度,使之在射击时不会发生膛炸。
而高精度内膛尺寸和表面粗糙度,则是身管延寿新技术采用时需注意的问题。这就要求1)制备的涂层应保证身管内膛所需的尺寸、表面粗糙度,以及形位公差的精度等级;2)第一要求满足不了的,应有涂层再加工的技术和工艺,否则该涂层制备技术不能采用。
真空等离子体喷涂和化学气相沉积法身管制造技术,完全不同于传统的身管制造技术,涂层的制备质量应该优于其它方法。但其技术含量和制造成本也会远远高于其它方法。
火炮身管分滑膛炮和线膛炮两种,由于滑膛炮身管内膛光滑、无膛线,这就为涂层制备和涂层再加工提供了便利条件,上面叙述的几种涂层制备技术都适用它,但涂层的硬度应控制在可加工的范围内。对于线膛炮来讲,如果涂层制备后再拉制膛线,就会使阴线对应处的涂层被拉掉;如果在膛线拉制后再制备涂层,则要保证其制备后膛线的形状和尺寸的数值和精度。故热熔覆技术、爆炸喷涂技术由于需加工涂层,不适宜线膛炮。而线爆喷涂技术的工作构件是涂覆材料制作的金属丝,结构简单,便于放置像炮膛这样的深孔内。若能控制好涂层厚度、表面粗糙度,保证其与基体的结合力,线爆喷涂不失为滑膛炮和线膛炮两种身管涂层制备较适宜的一种方法。
4 结束语
火炮身管寿命问题是伴随火炮发展而一直存在的一个火炮工程实践难题,它还会随着战争的需求而不断凸现。文中虽然对目前的身管延寿新技术进行了初步分析,但考虑到生产能力、加工成本和技术产业化等因素,选取适宜国情的提高身管寿命的方法或技术还有一段路要走。
参考文献略
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