“火炮身管烧蚀磨损机理及寿命提升技术”专题序言

未来战争形态和作战样式将形成以网络为中心、以信息为主导、以火力为主战的一体化联合作战模式。火炮是各国军队装备数量最多、使用最广泛的武器之一,为了能适应未来作战需求,必须将高速机动、远程精确打击、高效毁伤作为主要发展目标。随着火炮威力性能的不断提高,发射过程的高温、高压、高速等特征更加显著,导致身管内膛工作环境更恶劣,烧蚀磨损程度加剧,身管寿命大幅度降低,这已成为严重制约火炮性能稳定发挥的重要因素。国内外相关研究人员一直高度关注火炮发射过程身管-火药燃气-弹丸之间相互作用产生的烧蚀磨损机理、抗烧蚀磨损技术、身管寿命评估等问题,但是这些研究都没有形成完整的技术体系,尤其是在基础性和共性的科学问题研究方面显得十分薄弱。例如,对身管内膛镀铬层的破坏机理和损伤规律研究还处于空白状态。近年来,我国加大了对火炮身管烧蚀磨损机理及寿命提高技术方面的应用基础和工程技术研究,取得了阶段性研究成果。     

小口径速射自动炮内膛镶嵌Ta-10W内衬的性能试验研究

目的 提高小口径速射自动炮内膛易损部位的抗烧蚀磨损性能,延长炮管使用寿命,提升小口径速射自动炮的作战效能。方法 研制镶嵌Ta-10W内衬的身管衬套和调节塞,在某小口径导气式转膛自动炮上进行实弹射击试验,测试弹丸炮口初速、射频以及被试品关键尺寸磨损量,并与采用全炮钢被试品的试验结果进行对比,评价内膛镶嵌Ta-10W内衬对提升炮管寿命的效果。结果 自动炮镶嵌Ta-10W内衬,在射击580发炮弹后,身管衬套阳线、阴线内表面以及调节塞导气孔直径磨损量分别较全炮钢减小了57.14%、40.00%、91.23%,而弹丸初速和射频变化量也分别较全炮钢减小了82.56%和93.33%。结论 内膛镶嵌Ta-10W内衬的方法克服了钽及其合金炮膛易损部位钢基体表面涂层容易脱落的问题,能够大幅度提高内膛易损部位的抗烧蚀磨损能力,为小口径速射自动炮延寿设计提供了新的技术途径。     

轻质Cf/SiOC复合材料表面抗氧化涂层烧蚀性能的研究

目的提高轻质碳纤维增强SiOC(C_f/SiOC)多孔陶瓷复合材料的抗烧蚀性能。方法用TaSi_2、MoSi_2为高温抗氧化组分,SiB_6为烧结助剂,硼硅酸玻璃为粘结剂,采用浆料法在C_f/SiOC复合材料表面制备多层梯度化抗氧化涂层。用氧乙炔考核带涂层复合材料的抗氧化及抗烧蚀性能,并通过扫描电子显微镜对烧蚀后的形貌进行分析。结果采用硼硅酸玻璃能够在较低的温度下获得表面致密的涂层,有效地提升涂层的阻氧能力,同时能够降低涂层与基体材料之间的热失配。通过浆料法能够获得梯度化的抗氧化涂层,即涂层由靠近基体部分的多孔层逐渐过渡至最外层的致密层。在氧乙炔考核烧蚀实验下,涂层表现出优良的抗烧蚀性能,并且随着表面烧蚀温度的不同,表现出不同的烧蚀行为。在1660℃下烧蚀后,线烧蚀率及质量烧蚀率分别为0.03μm/s,2.96×10-8g/(mm2·s),随着烧蚀温度增加至1760℃,线烧蚀率及质量烧蚀率增加至0.06μm/s,1.03×10-7g/(mm2·s)。带涂层的复合材料烧蚀后,涂层表面没有裂纹,但都出现了大量的孔洞,其主要原因是硼硅酸玻璃的挥发,基体材料并没有发生明显的氧化,涂层表现出优良的抗氧化、阻氧能力。结论硼硅酸玻璃的引入能够在较低的温度下获得表面致密的涂层,提升涂层的阻氧能力。制备的多组分抗氧化烧蚀涂层,可以有效地提高C_f/SiOC复合材料的抗烧蚀能力。     

低压等离子喷涂制备ZrB2-TiC复合涂层 及其烧蚀性能研究

目的探索低压等离子喷涂制备ZrB_2-TiC复合涂层工艺及其烧蚀性能。方法采用喷雾造粒技术制备适用于低压等离子喷涂的ZrB_2-TiC球形粉体,再采用低压等离子喷涂技术在高强石墨基体表面制备ZrB_2-TiC复合涂层。利用氧-乙炔火焰考核涂层的抗烧蚀性能,采用红外测温仪测试烧蚀过程中涂层的表面温度,分别采用扫描电镜、EDS及XRD分析涂层的表截面形貌、元素及物相。结果 ZrB_2-TiC复合涂层呈等离子喷涂层状结构特征,内部孔隙率达到10.8%,涂层与高强石墨之间的结合强度约5.4 MPa。喷涂后涂层产生了ZrTiB4、ZrTiC2新相。涂层经过2000℃氧乙炔烧蚀5min后,保持完整,未出现裂纹及剥落,烧蚀深度仅为2～5μm。结论采用低压等离子喷涂可在石墨表面制备性能优良的ZrB_2-TiC复合涂层,涂层可有效抵御氧乙炔火焰的烧蚀。     

低浓度镀铬新工艺

镀铬是生产中应用较广泛的一个镀种。因为铬具有强烈的钝化能力,表面很容易生成一层极薄的钝化膜,所以镀铬层显示了贵金属的性能。除盐酸等外,一般的酸碱对它均不起作用,具有很高的化学稳定性。在预先经过抛光的制件表面镀铬,可获得银兰色镜面光泽的镀层。在大气中可经久不变颜色,在温度不超过500℃时仍能保持光泽的外观。因此镀铬层广泛地用作产品的外部装饰层。但是对钢铁件而言,镀铬层是“阴极镀层”而且有裂纹、孔隙,所以不能用做保护性镀层。     

Al2O3/Ni-P-SiC复合涂层组织与性能的研究

目的 采用化学复合镀技术对微弧氧化进行封孔,进而得到抗烧蚀性能优良的Al2O3/Ni-P-SiC复合涂层。方法 通过采用扫描电镜(SEM)、光学金相显微镜(OM)、显微硬度仪(Microhardness Tester)、X射线衍射仪(XRD)、氧–乙炔烧蚀试验(Oxy-Acetylene Ablation Test)等方法,对复合涂层的表面形貌、截面形貌、厚度、显微硬度、物相和抗烧蚀性能等进行分析。结果 陶瓷层原始表面完全被化学镀层覆盖,所制得的复合涂层厚度均匀,化学镀层与陶瓷层紧密嵌合。镀液中的SiC浓度对镀覆的速度、镀层中SiC粒子的共沉积量有着较大的影响。当粒子质量浓度为16~20 g/L时,颗粒的共沉积量较大。化学复合镀60 min可以得到厚度20 μm左右的Ni-P-SiC镀层,SiC颗粒分布均匀。当镀液中SiC质量浓度为16 g/L时,镀层具有最高的硬度。对比未处理、仅微弧氧化和Al2O3/Ni-P-SiC复合涂层试样,Al2O3/Ni-P-SiC复合涂层试样具有最佳的抗烧蚀性能。结论 Al2O3/Ni-P-SiC复合涂层均匀、致密,具有良好的抗烧蚀。     

大口径火炮身管寿命提升技术探讨

介绍了关于身管寿命研究的国内外发展现状、趋势和差距,论述了身管寿命的定义与评定标准。基于一般身管寿命预测方法,从发射装药、身管材料、身管发射负载、身管内膛表面强化等方面,分析了身管寿命的影响因素,确定了热作用、化学作用、机械作用、膛压作用的影响因素,提出了包括身管内膛镀铬技术在内的身管寿命提升需要解决的问题和关键技术,以及初步技术措施,并详细论述了身管内膛镀铬技术方案与技术途径,提出了达到世界先进水平的身管寿命提升技术发展目标,指出了身管寿命提升技术的发展趋势等,为今后身管寿命提升技术研究提供技术参考。     

C/C-SiC-ZrB2复合材料表面SiC/ZrB2-SiC/SiC涂层的制备及抗氧化烧蚀性能研究

目的研究C/C-SiC-ZrB_2复合材料表面SiC/ZrB_2-SiC/SiC涂层的制备、抗氧化烧蚀性能与机理。方法选择ZrB_2和SiC改性的C/C复合材料为基体,通过包埋-刷涂法在C/C-SiC-ZrB_2复合材料表面制备了SiC/ZrB_2-SiC/SiC多重抗氧化涂层,并对复合材料的微结构、抗氧化烧蚀性能与机理进行分析和研究。结果制备了一种三层结构的SiC/ZrB_2-SiC/SiC超高温陶瓷复合涂层,获得了风洞考核试验下的复合材料微结构变化、线烧蚀率等试验数据,并得到了C/C-SiC-ZrB_2复合材料的氧化烧蚀机理。结论 SiC/ZrB_2-SiC/SiC涂层对C/C-SiC-ZrB_2复合材料的抗氧化和耐烧蚀性能具有明显提升,有效提高了C/C-SiC-ZrB_2复合材料的综合热防护性能。     

等离子喷涂制备 ZrB2-SiC 复合涂层及其静态烧蚀性能

目的提高C/C复合材料的抗静态烧蚀性能。方法利用大气等离子喷涂技术在C/C复合材料表面制备ZrB_2-SiC复合涂层,对其进行1500℃的静态烧蚀实验。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析仪(EDS)对涂层的物相成分、微观形貌等进行检测分析。结果采用大气等离子喷涂制备的ZrB_2-SiC涂层是由熔融的粉末粒子紧密堆积而成,呈现典型的层状结构,涂层均匀完整地覆盖于C/C基体表面,厚度约为200μm。涂覆有ZrB_2-SiC复合涂层的C/C复合材料试样在1500℃分别氧化2,3,4 h后,试样依旧保持完整,C/C基体未遭受损伤,试样的质量增加率依次为3.39%,2.95%,4.25%。结论采用大气等离子喷涂技术能够在C/C复合材料表面制备出厚度均匀、结构致密的ZrB_2-SiC复合涂层,ZrB_2-SiC复合涂层使C/C复合材料的抗静态烧蚀性能显著提高。     

防护装饰性镀层16年大气曝露试验

介绍了几种不同组合的防护装饰性镀层经16年大气曝露试验后的情况。结果表明：具有约40μm厚度的多层镍 微孔铬或微裂纹铬组合镀层可以有效地保护钢铁基体在亚热带气候条件下免遭腐蚀：而厚度达60μm的普通铜 镍 铬、镍 铬组合镀层对钢铁基体不能提供可靠的腐蚀保护。     

表面纳米化对锆合金微动腐蚀行为的影响

目的 研究N36锆合金表面纳米化层的形貌和微观结构,分析表面纳米化层的微动腐蚀机理。方法 采用超声表面滚压技术(USRP)对锆合金进行表面纳米化处理,研究不同滚压速度对表面纳米化层形貌、相组成、粗糙度、显微硬度、电化学腐蚀和微动腐蚀行为的影响。结果 USRP处理后,锆合金表面有明显的塑性变形痕迹,致使锆合金表面发生加工硬化,提高了表面的硬度。锆合金的腐蚀电流密度相较于基体更低,最大磨损深度和磨损率均低于基体。结论 USRP处理后的锆合金晶粒细化、晶界增多,提高了锆合金的表面活性,有利于钝化膜的形成。锆合金的磨损机理为氧化磨损和磨粒磨损的共同作用。     

H13钢表面多弧离子镀CrAlN涂层的显微硬度及耐磨性影响

目的 提高H13热作模具钢表面的显微硬度及耐磨性。方法 通过多弧离子镀技术,分别对未经热处理的H13钢、淬火H13钢以及氮化H13钢的表面进行多弧离子镀沉积CrAlN涂层,并分别对这3种基体上的CrAlN涂层的显微硬度和摩擦磨损性能进行研究。结果 涂层表面均较为平整,且出现了白色小颗粒。经过淬火和氮化处理后,H13钢CrAlN涂层的显微硬度达到3 300HV以上,达到基体的14倍多。与基体的摩擦系数相比,淬火和氮化处理后,H13钢的摩擦系数比基体低,镀膜后的摩擦系数比基体高。氮化H13钢表面CrAlN涂层的磨损机理主要是磨粒磨损和黏着磨损共同作用,淬火H13钢的CrAlN涂层磨损机理主要是黏着磨损;淬火和氮化后H13钢基体上CrAlN涂层的耐磨性均得到较大的提高。     

大气等离子和超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层组织和性能对比

目的 针对航空发动机叶片榫头/榫槽摩擦副工作中的微动磨损问题,开展CoCrAlYSi-hBN抗微动磨损涂层研究.方法 通过大气等离子(APS)和超音速火焰(HVOF)喷涂工艺,制备CoCrAlYSi-hBN涂层,采用扫描电镜(SEM)研究涂层的形貌和微观组织,采用显微硬度计和拉伸试验机测试涂层的显微硬度和结合强度,采用SRV试验机探究涂层的摩擦磨损性能.结果 APS喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层熔化更充分,显微组织均匀,具有更多高含量的hBN和孔隙;HVOF喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层显微组织具有明显的层状结构,涂层致密,hBN和孔隙含量少;APS喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层的硬度平均值为168.4HV0.3,结合强度平均值为44.6 MPa,远小于HVOF喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层的硬度(327.1HV0.3)和结合强度平均值(59.5 MPa).相比HVOF喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层,APS喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层虽然有更低的摩擦系数(0.75),但涂层磨损更严重,涂层磨痕表面有明显的涂层剥落,HVOF喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层磨痕则出现更多的犁沟.结论 HVOF喷涂工艺制备的CoCrAlYSi-hBN涂层的综合性能优于APS喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层,在摩擦过程中,两种工艺制备的CoCrAlYSi-hBN涂层都会转移到对偶件上,从而减少对偶件的磨损,有作为叶片榫头抗微动磨损涂层的潜力.     

大口径火炮身管内膛烧蚀磨损数值计算

目的定量研究身管内膛烧蚀磨损规律,指导身管的寿命预测和结构设计。方法采用完全隐式差分格式对一维传热控制微分方程进行离散,求解身管截面径向不同位置、不同时间的温度分布。在差分法求解身管内膛温度的基础上,采用一维半无限大烧蚀模型和傅里叶导热定理,推导身管内膛烧蚀模型。最后,基于ALE自适应网格,动态模拟不同射弹数下身管内膛尤其是膛线的退化规律。结果身管周向烧蚀磨损量远小于径向烧蚀磨损量,但最大磨损量出现的位置基本一致,均发生于坡膛部位和膛线起始处。其中,坡膛处磨损最为严重,部分位置坡角遭到严重破坏。此外,膛线起始处的磨损整体呈内缩趋势,尤其膛线导转侧磨损较大。结论身管烧蚀磨损主要集中在坡膛始50~200 mm,整体呈现先迅速增加、再迅速下降的趋势。第500发弹时,身管导转侧烧蚀磨损量峰值为1.6 mm,非导转侧磨损量峰值为1.4 mm,导转侧烧蚀磨损径向分量和周向分量普遍比轴向分量高0.1~0.2 mm。     

AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层复合涂层的研究

目的 解决硬质合金刀具高速干切削难加工材料面临效率低、寿命短的难题,提升刀具涂层的耐热能力,在AlCrSiN涂层中周期性植入AlCrON热屏障层,并在其两侧沉积AlCrN层进行包夹,改善含氧层的韧性,既能保持涂层刀具较高的强度,又能改善其耐热能力.方法 采用全自动电弧离子镀膜机,研制具有不同调制周期的AlCrSiN/A...     

钛合金表面微弧氧化涂层在模拟海洋环境下摩擦腐蚀规律研究

目的 研究TC17钛合金及其表面微弧氧化(Microarc Oxidation,MAO)涂层在模拟海洋大气环境下发生摩擦腐蚀行为的规律及特征.方法 利用微弧氧化技术,在TC17钛合金表面原位生长MAO涂层,通过SEM、EDS以及XRD对MAO涂层微观结构、元素分布以及相组成进行检测分析.采用电化学工作站和摩擦腐蚀设备研究试样在模拟海洋环境条件下的耐腐蚀及摩擦腐蚀的性能.结果 在硅酸盐中制备的MAO涂层,表面微孔尺寸较小,且分布均匀,MAO涂层与基体结合良好,无明显微裂纹等缺陷的存在,其平均厚度约为15.8μm.MAO涂层主要有金红石相、锐钛矿相和SiO2相组成.MAO涂层的自腐蚀电位较基体有所提高,而其钝化电流密度则显著降低.MAO涂层在腐蚀液中表现出较低的摩擦系数,开路电位缓慢降低.结论 TC17基体表面氧化膜在摩擦开始瞬间发生破裂,难以起到有效的防护作用,而MAO涂层由硬度较高的金红石相和SiO2相组成,在摩擦腐蚀过程中,能够起到优异的耐磨损腐蚀的作用.     

钛金属材料干摩擦磨损特性研究

目的研究钛金属材料干摩擦磨损失效机制。方法选用TA2工业纯钛和TC4钛合金材料,采用CETR UMT-3多功能摩擦磨损测试仪进行往复摩擦磨损试验,采集摩擦系数曲线,计算摩擦系数均值,从动态和静态分析钛金属材料的摩擦特性。采用Micromet-6030型自动显微硬度计测量样品材料表面硬度值,通过表面硬度分析耐磨损性能。采用Nova Nano SEM 650场发射扫描电镜并配置能谱仪对磨损表面和磨屑进行微观形貌观察和元素成分计量分析,从微观角度分析钛金属材料的磨损机理。采用Olympus Lext OLS3000-R型激光共聚焦显微镜测量磨损体积和轮廓,并观察磨损表面的三维形貌。结果频率对钛金属材料的摩擦系数和耐磨损性能影响较大,随着频率的加快,摩擦系数增大,数据跃变幅度增大,磨损体积随之增大。载荷对摩擦系数影响相对较小,随着载荷增大,在摩擦初期,摩擦系数有下降交汇趋势;摩擦后期,摩擦系数才明显上升,载荷与磨损体积之间基本呈线性增长关系。钛金属材料的磨痕呈现为"擦后型,随着载荷的增大和频率的加快,磨损体积轮廓呈现出加深变宽的趋势。TC4的表面硬度约为359.2 HV,TA2的表面硬度约为247.8 HV,前者比后者高出约111.4 HV。在相同试验条件下进行干摩擦磨损试验,TA2的磨损体积约为TC4的2.5倍,TA2的耐磨损性能相对较差。TA2的磨屑为细小的颗粒状磨屑,磨损表面存在严重的剥层脱落特征;TC4的磨屑粒径大小不一,在低频低载状态下,磨损表面有犁沟痕迹,不存在明显的剥落坑。随着载荷和频率的增大,摩擦表面层出现裂纹和碎化剥落现象。结论 TA2的磨损机制主要是剥层磨损和磨粒磨损。在低频低载状态下,TC4的磨损机制主要为磨粒磨损和氧化磨损,随着载荷和频率的升高,在瞬时闪现温度和载荷的作用下,其磨损机制主要为粘着磨损和剥层磨损。     

热-力循环载荷下身管镀层裂纹扩展规律研究

目的研究身管镀层裂纹的扩展机理,提高身管寿命。方法针对身管镀层裂纹损伤,提出一种基于扩展有限元方法(XFEM)结合内聚力模型(CZM)的方法。建立热–力耦合的镀层身管有限元模型,通过间接耦合的方式,将温度场导入有限元模型,通过CZM本构模型来模拟其损伤失效行为。对镀层初始裂纹在热–力载荷下扩展到镀层/基体界面的情况进行仿真分析。结果在高温高压环境下,镀层初始裂纹扩展速度很快,在第1发射击完成后便扩展到基体结合面,初始裂纹扩展到镀层/基体界面时,裂纹尖端的存在使局部具有较大切应力,达到1180 MPa。在连续射击工况下,造成镀层结合面的开裂。结论在高温高压载荷下,镀层初始裂纹很快扩展到镀层/基体界面,且身管镀层承受的热应力是导致镀层开裂的重要因素。     

基体表面状态对硅烷环氧杂化树脂涂层/2024铝合金间附着力影响

目的研究不同表面状态对硅烷环氧杂化树脂涂层/2024铝合金间附着力影响规律。方法结合硅烷环氧杂化树脂涂层的综合性能与实际应用情况,选取4种常见的预处理方式来改变基体表面状态,采用拉拔测试仪测试不同基体表面状态(基体表面p H值、基体表面粗糙度、基体表面能),涂层/基体间的附着力值,研究基体表面状态对该涂层/基体间附着力的影响关系。结果基体表面状体影响涂层附着力的根本原因是基体表面能、基体表面p H值和基体表面粗糙度。结论对于硅烷环氧杂化树脂涂层,其表面处理方式可用热碱清洗方法代替传统铬酸盐钝化;当硅烷环氧杂化树脂涂层喷涂厚度为30μm时,将铝合金基体表面粗糙度控制在Ra=4.75μm左右,可保证涂层有好的附着性,附着力值为8.84 MPa。     

高耐磨化学复合镀层的研究

为了改善化学镀Ni-P合金镀层的耐磨性能,提高化学镀Ni-P合金镀层的使用寿命,实验中分别在化学镀液中加入了硬质相SiC粒子、Al2O3粒子以及具有自润滑性能的PTFE粒子,使它们与Ni-P合金一起共沉积,从而制备出具有特殊功效的高耐磨复合镀层.实验结果表明:化学镀Ni-P-SiC以及Ni-P-Al2O3复合镀层由于硬质粒子的加入使镀层的耐磨性比Ni-P镀层提高了6倍左右;Ni-P-PTFE复合镀层的摩擦系数可达0.063,远小于Ni-P镀层0.2的摩擦系数,同时耐磨性能也比Ni-P合金镀层有了较为明显的提高.