美國炮管抗燒蝕涂層工藝技術(shù)新進(jìn)展
2021-03-08 08:01:02
hualin
炮管的壽命會受到火炮發(fā)射時的熱燒蝕、化學(xué)燒蝕以及機(jī)械磨損等多種因素的影響， 自從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束以來， 炮鋼的冶煉技術(shù)和炮管燒蝕的影響因素就一直沒有什么改變 。現(xiàn)代火炮系統(tǒng)的性能要求繼續(xù)朝著高初速、高射速、高膛壓和遠(yuǎn)射程的方向發(fā)展， 為了實(shí)現(xiàn)這些性能， 必須要采用高火焰溫度的現(xiàn)代發(fā)射藥， 可是， 這些發(fā)射藥具有極高腐蝕性， 與常規(guī)發(fā)射藥相比，會加速炮管的燒蝕。
目前的火炮系統(tǒng)一般是采用電沉積鉻層保護(hù)炮管內(nèi)膛。但是， 電鍍鉻涂層存在許多缺點(diǎn)， 如它的脆性比較高， 剪切強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比較低， 鍍鉻層容易剝落 ;電鍍鉻工藝中的六價鉻是一種致癌物質(zhì)，存在嚴(yán)重的環(huán)境危害問題；電鍍生產(chǎn)設(shè)備中必須包括污水處理設(shè)備， 從而提高了生產(chǎn)成本 。因此， 隨著高溫發(fā)射藥的發(fā)展和應(yīng)用， 電鍍鉻已經(jīng)不能滿足炮管抗燒蝕的更高需求，發(fā)展綠色的替代炮管電鍍鉻的各類涂層工藝技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢 。
從近年來的發(fā)展來看， 美國在炮管抗燒蝕涂層工藝技術(shù)研究方面走在世界前列， 開發(fā)了一系列新型綠色涂層工藝技術(shù)， 包括美國陸軍貝尼特試驗(yàn)室的柱面磁控濺射工藝 、美國 T P L 公司的爆炸包敷焊接技術(shù)、美國橡樹嶺國家試驗(yàn)室（ O RN L ） 的大功率等離子弧光涂敷技術(shù)、美國新澤西技術(shù)研究所的化學(xué)汽相沉積涂層技術(shù)以及美國 A lameda 應(yīng)用科技公司的同軸高能沉積（ CED） 涂層技術(shù)等 。其中， 柱面磁控濺射工藝和爆炸包敷焊接技術(shù)具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢， 應(yīng)用前景比較樂觀， 是美國軍方目前比較看好的 2 項(xiàng)技術(shù)， 已列入美國陸軍制造技術(shù)（ M an-tech） 計(jì)劃和小企業(yè)創(chuàng)新（ SBIR） 計(jì)劃， 以支持這 2 項(xiàng)技術(shù)在艾布拉姆斯坦克 120 mm 加農(nóng)炮身管 、未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)中車載作戰(zhàn)系統(tǒng)（ FCS M CS） 加農(nóng)炮身管 、M2 布拉德利戰(zhàn)車的 25 mm M 242 叢林之王加農(nóng)炮身管的應(yīng)用研究 。
1 柱面磁控濺射沉積鉭涂層工藝
美國陸軍貝尼特試驗(yàn)室的柱面磁控濺射鉭涂層工藝屬于物理汽相沉積工藝， 能用于沉積各種難熔金屬材料， 不存在電鍍鉻工藝的廢水處理等問題， 是一種綠色工藝技術(shù)。鉭涂層比鉻涂層材料的韌性和抗熱沖擊性能都較好， 熔點(diǎn)比鉻高， 是一種理想的抗燒蝕材料， 針對目前炮管采用鍍鉻技術(shù)的污染和壽命不足問題， 貝尼特試驗(yàn)室提出了用柱面磁控濺射鉭工藝作為替代技術(shù)， 提高炮管壽命的預(yù)期目標(biāo)， 見表1 。
表1 柱面磁控濺射鉭工藝替代傳統(tǒng)鍍鉻技術(shù)
提高炮管壽命的預(yù)期目標(biāo)
1 .1 柱面磁控濺射工藝基本概念和原理
濺射沉積技術(shù)是用荷能粒子轟擊某一靶材（ 陰極） , 使靶材表層原子以一定的能量逸出， 然后在基材表面沉積成膜的技術(shù)。例如， 在圖 1 的軸向電流柱面濺射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中， 對炮管基體加正電壓， 在中心陰極銅管流過 1 000 ～ 2 000 A 電流， 產(chǎn)生柱面方位磁場， 它與徑向電場相互作用， 使惰性氣體離子化為等離子體， 產(chǎn)生濺射作用， 鉭靶材在中心陰極銅管上滑動， 就可以完成鉭涂層的濺射沉積。涂層沉積前必須對靶材和炮鋼基體進(jìn)行濺射凈化清理， 以保證涂層的附著性和質(zhì)量 。在清理靶材時， 要在濺射系統(tǒng)中插入一個較大直徑的銅套管， 它對基體起著防護(hù)罩的作用， 對靶材起著收集清理掉雜質(zhì)的作用 。在清理基體時， 要用一個較小直徑的銅套管（ 可滑動） 收集從基體上清理掉的雜質(zhì)。
1 .2 柱面磁控濺射工藝的關(guān)鍵影響因素
磁控濺射系統(tǒng)中等離子體密度的均勻性是濺射沉積涂層均勻性和附著性的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 。但是， 由于在軸向電流產(chǎn)生的方位磁場中， 等離子密度往往集中在炮管的一端，這就導(dǎo)致了在軸向和圓周方向上的均鍍能力降低。同時， 由于等離子體的密度沿軸向方向是變化的， 不能使內(nèi)膛表面和靶材表面得到均勻的侵蝕凈化清理， 這也直接影響后續(xù)濺射沉積涂層的附著力，所以改進(jìn)磁控濺射系統(tǒng)等離子體密度分布均勻性就成為關(guān)鍵技術(shù) 。貝尼特試驗(yàn)室解決的方法是沿著濺射靶材軸向方向設(shè)計(jì)了一系列可以擺動的等離子環(huán)， 改進(jìn)離子化效率 。具體措施是在柱面磁控系統(tǒng)內(nèi)部中心銅管上安裝了一系列均勻間隔的永久磁鐵， 在磁鐵和徑向電場之間的軸向磁場分量產(chǎn)生一系列與中心靶同心的寬約 25 mm 的等離子體環(huán)，而且通過激勵器可以使等離子體環(huán)產(chǎn)生振蕩， 因此克服了不均勻侵蝕清理和涂層均勻性問題。采用這種系統(tǒng)已經(jīng)成功沉積了 70 ～ 160 μm 厚的鉭涂層， 厚度變化在 10 μm 以內(nèi)（ 改進(jìn)前厚度變化超過 60 μm） , 涂層厚度均勻性和附著性明顯得到改善 。此外， 濺射沉積鉭涂層的相結(jié)構(gòu)也是影響涂層均勻性的關(guān)鍵因素。濺射沉積鉭涂層會出現(xiàn) 2 種不同的相結(jié)構(gòu)， 即 α相鉭涂層和β 相鉭涂層， 其中 α相涂層具有比較理想的顯微組織和顯微硬度等性能 （ 努氏硬度 270, 與電鍍鉻硬度相當(dāng)） , 而 β 相鉭涂層性能較差， 硬度高（ 努氏硬度 1 100） , 脆性大。用貝尼特試驗(yàn)室開發(fā)的激光脈沖加熱技術(shù)測定 2 種相結(jié)構(gòu)涂層， 模擬火炮發(fā)射環(huán)境的作用， 結(jié)果表明， α相涂層完好無損， 而β 相鉭涂層出現(xiàn)開裂 。研究發(fā)現(xiàn)，合理控制工藝參數(shù)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在不同濺射氣體、壓力和炮鋼基體溫度等工藝參數(shù)條件下， 可以獲得性能截然不同的鉭涂層相結(jié)構(gòu)。
1 .3 應(yīng)用研究進(jìn)展情況
美國陸軍貝尼特試驗(yàn)室的炮管涂層技術(shù)項(xiàng)目涉及 7 個不同計(jì)劃， 從 1998 ～ 2005 財(cái)年投入總經(jīng)費(fèi)約 3 000 多萬美元 。目前， 20 m m M 61A 1 炮管內(nèi)膛已獲得 100 % α相鉭涂層， 其炮管壽命在 150 發(fā)/分鐘的條件下， 達(dá)到 1 500 發(fā)， 很少能測量到磨損， 性能優(yōu)于鍍鉻層。此外， 還成功完成了 M242“ 叢林王”和 45 m m Casius 炮管的全膛磁控濺射沉積鍍鉭，并經(jīng)過了射擊試驗(yàn) 。同時， 在華特弗利特兵工廠建造了用于 120 m m 、155 mm 、105 mm 濺射全長度大口徑炮管的試生產(chǎn)柱面磁控濺射沉積工藝平臺， 用于“ 艾布拉姆斯” 、“ 十字軍” 和未來作戰(zhàn)系統(tǒng)等大口徑炮管的磁控濺射全膛鍍鉭， 在 2005 年壽命射擊試驗(yàn)成功后， 該技術(shù)將進(jìn)入炮管的批生產(chǎn)計(jì)劃 。此外，美國海軍也有興趣在先進(jìn)火炮系統(tǒng)項(xiàng)目中采用這種技術(shù)。
2 爆炸包敷焊接技術(shù)
爆炸包敷焊接技術(shù)是一種利用爆炸沖擊波焊接金屬的工藝技術(shù)， 在工業(yè)界已經(jīng)應(yīng)用了 40 年， 能夠連接任何相異的金屬， 現(xiàn)已廣泛用于宇航、軍工、化工等行業(yè)。例如：宇宙火箭上各種形狀的大型鋁制艙壁、壓力容器上的圓蓋、鍋爐的頂板、熱交換器中的凸?fàn)钔L(fēng)板以及鋁制大型反射器等， 都采用了爆炸包敷焊接技術(shù)。2004 年，美國海軍選擇爆炸包敷焊接技術(shù)用作先進(jìn)火炮系統(tǒng)（ A GS ） 項(xiàng)目炮管的抗燒蝕涂層工藝技術(shù) 。2005 年， 美國陸軍將爆炸包覆工藝技術(shù)列入 Mantech 制造技術(shù)計(jì)劃， 以支持美國T P L 公司爆炸包敷焊接技術(shù)用于 25/ 30 mm 和 76 m m 海軍火炮系統(tǒng)并作為用于 155 mm 海軍 A G S系統(tǒng)的侯選方案， 并計(jì)劃應(yīng)用在未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的中口徑加農(nóng)炮（ Mk44 30/ 40m m） 身管的制造中。
2 .1 爆炸包敷焊接技術(shù)基本原理及技術(shù)特點(diǎn)
爆炸包敷焊接工藝是隨著焊接物的形狀 、尺寸及材料的性質(zhì)而有所不同的， 但包敷焊接原理基本一致（ 如圖 2） , 以平板包敷焊接為例， 在爆炸前， 飛板與基板之間有一個預(yù)置角， 炸藥引爆后， 以恒定的速度 Vd （ 一般為 1 500 ～ 3 500 m/ s） 爆轟， 使飛板產(chǎn)生變形并與基板產(chǎn)生高速斜碰撞， 速度可達(dá) 200 ～500 m／s, 在 撞擊點(diǎn) 處會產(chǎn) 生一種射流， 正是依靠這種射流，才能 得到良 好的焊接質(zhì)量， 此時沖擊角 β 保持在 7°～ 25°之間。
圖 2 爆炸包敷焊接工藝原理
炮管涂層的爆炸包敷焊接工藝是將管狀的包敷層材料， 借助炸藥驅(qū)動， 實(shí)現(xiàn)與炮管內(nèi)膛的結(jié)合。該工藝通過控制炸藥爆轟能量， 迫使涂層材料包敷在炮管基體材料上， 通過在高壓下引起大量塑性應(yīng)變，形成冶金結(jié)合。因此，與常規(guī)鍍鉻和物理及化學(xué)汽相沉積等技術(shù)相比， 爆炸包敷焊接技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn) 。
1） 工藝效率高， 進(jìn)行爆炸包敷焊接的工藝持續(xù)時間僅為幾秒， 而相比之下， 其它技術(shù)的典型沉積速率是每小時 0 .025 4 mm 厚度。
2） 將難熔金屬如鉭涂層通過爆炸包敷焊接到中、大口徑炮管內(nèi)膛表面， 不存在鍍鉻工藝中出現(xiàn)的氫脆問題和致癌問題， 不會出現(xiàn)由此造成的炮管破壞和環(huán)境污染問題。
3） 不需要重點(diǎn)考慮表面準(zhǔn)備的問題， 因?yàn)樵诎蠊に囍校?包層和基體材料表面會形成等離子體， 而等離子體會迫使壓垮前沿向前運(yùn)動， 會起到擦洗 2個表面的作用， 其后面都是純凈的材料， 無氧化物或碎片， 有利于獲得最理想的結(jié)合。
4） 壽命發(fā)射試驗(yàn)已經(jīng)證明了爆炸包敷焊接技術(shù)能顯著提高炮管壽命， 如美國陸軍 M 242 炮管經(jīng)爆炸包敷焊接金屬涂層后， 比標(biāo)準(zhǔn)“ 叢林王”炮管壽命最少提高 6 倍 。
5） 爆炸包敷焊接技術(shù)是一種固態(tài)冷焊接工藝，能夠使難熔金屬涂層和基體連接而不損失連接前的性能， 實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合， 能承受內(nèi)彈道力和火炮反復(fù) 、快速發(fā)射的惡劣化學(xué)和熱環(huán)境 。
2 .2 在炮管中的應(yīng)用研究進(jìn)展情況
從 2001 年開始， 美國陸軍和海軍就開始了爆炸包敷焊接技術(shù)在中口徑和大口徑火炮身管的應(yīng)用研究工作。
2 .2 .1 中口徑炮管
2001 年， 根據(jù)美國陸軍爆炸包敷焊接技術(shù)對 2個叢林 王 M242 炮管包敷了 純鉭涂層， 并采 用 XM 919/ 616W 尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈進(jìn)行了發(fā)射試驗(yàn)。陸軍選擇的試驗(yàn)炮管結(jié)構(gòu)包括滑膛炮管和在鉭中切削無纏角膛線結(jié)構(gòu)炮管。T P L 公司的炮管滑膛結(jié)構(gòu)爆炸包敷鉭在發(fā)射 1 385 發(fā)以后仍可使用，線膛結(jié)構(gòu)包敷鉭在發(fā)射了 600 發(fā)后仍可以使用 。說明爆炸包敷焊接鉭涂層炮管的熱-化學(xué)機(jī)械強(qiáng)度與常規(guī)炮管相比有顯著提高。但是， 對有膛線結(jié)構(gòu)的炮管試驗(yàn)結(jié)果及其分析結(jié)果表明， 純鉭太軟，以至于不能承受施加在線膛炮陽線和陰線上的力， 需要進(jìn)一步研究鉭鎢合金（ 含 W 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5 %～ 10 %）以及鎢鉻鈷合金的可行性。
2 .2 .2 大口徑炮管
美國 T P L 公司已經(jīng)證實(shí)了能夠在 120 m m 炮管中分別爆炸包敷焊接 T a-2.5W 合金和純鉭， 厚度達(dá)到0 .69 m m 和1 .6 m m 。2003 年， BAE系統(tǒng)進(jìn)行了一項(xiàng)篩選試驗(yàn)， 選擇和開發(fā)最有前景的難熔材料技術(shù)， 作為先進(jìn)的內(nèi)膛表面涂層， 用于海軍 155 mm A G S 項(xiàng)目。篩選試驗(yàn)采用 BA E 系統(tǒng)專用的 45 mm試驗(yàn)裝置，將鍍鉻涂層技術(shù)與其它 6 種綠色涂層技術(shù)進(jìn)行對比 。其中， 美國 T P L 公司的爆炸包敷焊接技術(shù)被選中進(jìn)入 AG S 項(xiàng)目 。目前， 試驗(yàn)已經(jīng)從 45 mm模擬發(fā)射裝置轉(zhuǎn)移到了全尺寸原型火炮試驗(yàn)，包括陸軍 M242（ 25 m m） 、陸軍 M k44（ 30 mm ） 和海軍 M k75（ 76 m m） 炮管， 2006 年進(jìn)行最終壽命試驗(yàn)，2007 年初在海軍 155 m m 炮中進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)研究，進(jìn)行爆炸包敷層壽命試驗(yàn)并與目前的鍍鉻技術(shù)結(jié)果進(jìn)行對比。
目前， 美國陸軍制造技術(shù)計(jì)劃（ M anTech） 已經(jīng)投資， 支持美國 T P L 公司爆炸包敷焊接技術(shù)用于 25/ 30 mm 和 76 m m 海軍火炮系統(tǒng)并作為用于 155 m m 海軍 A G S 系統(tǒng)的侯選方案。P EO -IWS 已經(jīng)投資研究爆炸包敷焊接與大口徑海炮（ 155 m m） 中殘余應(yīng)力關(guān)系。戰(zhàn)略環(huán)境研究發(fā)展計(jì)劃也投資， 驗(yàn)證爆炸包敷焊接技術(shù)與目前鍍鉻方法相比的優(yōu)點(diǎn)。美國 T P L 公司爆炸包敷焊接技術(shù)的優(yōu)勢已經(jīng)證實(shí)了其在美國陸軍和海軍中 、大口徑火炮系統(tǒng)中的應(yīng)用前景， 明顯能夠向 57 m m 海岸警衛(wèi)， 155 m m 海軍和 120 mm 坦克炮擴(kuò)展。
3 其它涂層工藝技術(shù)
美國研究的其它替代炮管電鍍鉻的涂層工藝技術(shù)有同軸高能沉積（ CED） 鉭涂層技術(shù)、大功率等離子弧光涂敷技術(shù)和化學(xué)汽相沉積涂層技術(shù)等。CED （ Coaxi al Energe tic Depo sitio n） 工藝是美國 A lameda 應(yīng)用科技公司開發(fā)的， 目前還不成熟，沒能通過美國海軍 A G S 項(xiàng)目炮管抗燒蝕涂層工藝技術(shù)的第一輪篩選 。CED 工藝原理見圖 3 。CED 工藝裝置中的陰極是涂層材料的來源， 與作陽極的炮管同軸， 外部有激勵線圈施加軸向磁場， 在陰極、陽極之間可燃弧，能將材料從陰極傳遞到陽極炮管內(nèi)壁上， 在低壓真空狀態(tài)下產(chǎn)生涂層沉積。該工藝沉積離子的能量非常高， 超過 20 eV （ 而化學(xué)汽相沉積 、電鍍和濺射等工藝都低于 1 eV ） , 因此有助于獲得更好的涂層， 是一種有前景的炮管涂層工藝技術(shù)。
圖 3 CED 工藝原理
目前， 美國 A lameda 應(yīng)用科技公司已經(jīng)在線膛和滑膛 4340 鋼炮管試樣上， 沉積了 T a10 %W 和 α鉭涂層， 厚度達(dá)到 25 μm, 但是發(fā)射壽命試驗(yàn)結(jié)果表明涂層完全脫離了基體 。因此， 工藝設(shè)備的不斷完善和改造將成為該技術(shù)成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 涂層性能 、工藝效率和成本還有待進(jìn)一步觀察 。
2005 年， 美國新澤西技術(shù)研究所針對中口徑炮管的抗燒蝕問題， 提出化學(xué)汽相沉積工藝制備高質(zhì)量鉭涂層技術(shù)， 為解決中口徑炮管的耐磨損和燒蝕防護(hù)問題提供了一種可選擇的技術(shù)途徑 。已經(jīng)列入了美國防污染項(xiàng)目計(jì)劃， 預(yù)期 2008 年完成 。但是，該技術(shù)目前處于探索階段， 很多問題并沒有明確， 尤其是在化學(xué)汽相沉積涂層的抗燒蝕性， 工藝性， 涂層組織結(jié)構(gòu)， 附著性，工藝效率以及工程化應(yīng)用的可行性等方面， 還需要繼續(xù)觀望。
最近， 美國橡樹嶺國家試驗(yàn)室（ O RN L） 提出， 要采用大功率等離子弧光設(shè)備， 在炮管內(nèi)膛涂敷冶金結(jié)合的難熔金屬涂層， 解決炮管燒蝕問題。美國陸軍則表示在通過樣品試驗(yàn)后， 將投資給予研究支持 。
ORNL 紅外加工中心研制的這種等離子弧燈，設(shè)備功率高達(dá) 300 000 W, 能產(chǎn)生高強(qiáng)度紅外能量，直接照射到難熔金屬 、粉末涂層上， 在炮管鋼內(nèi)膛獲得冶金結(jié)合的涂層， 有效提高炮管抗疲勞和抗燒蝕性能， 有效延長其使用壽命。
ORNL 首 選 的炮 管難 熔 金屬 涂 層材 料 是Mo41Re, 目前已經(jīng)進(jìn)行了模擬熱循環(huán)試驗(yàn)， 表明具有較好的抗熱沖擊和抗燒蝕能力。但該技術(shù)目前還不成熟， 存在許多尚待解決和研究的問題， 如前道涂敷工藝、熔敷處理、是否需要再加工，冶金結(jié)合界面性能及影響等。
4 結(jié)語
理想的炮管抗燒蝕涂層技術(shù)除了應(yīng)采用高熔點(diǎn)涂層材料之外、更重要的是應(yīng)發(fā)展具有冶金結(jié)合 、足夠厚度 、均勻涂層 、并且是綠色、高效 、低成本的工藝技術(shù)。在上述研究的幾種涂層工藝中， 柱面磁控濺射鉭工藝技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入工程化階段，應(yīng)用前景比較樂觀， 但磁控濺射設(shè)備比較復(fù)雜， 需要投資較高， 經(jīng)濟(jì)可承受性是其廣泛應(yīng)用的主要問題 。
爆炸包敷焊接技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)界應(yīng)用了 40 年，近幾年美國陸軍的發(fā)射試驗(yàn)也證明該技術(shù)在炮管中的應(yīng)用是可行的。該技術(shù)工藝效率高， 無環(huán)境污染，能顯著提高炮管壽命， 是很有前途的炮管抗燒蝕涂層技術(shù) 。我國在爆炸包敷焊接技術(shù)方面也有多年的研究和應(yīng)用基礎(chǔ)， 建議我國重點(diǎn)開展該技術(shù)在炮管抗燒蝕涂層方面的應(yīng)用研究 。
[ 參考文獻(xiàn)]
[ 1] Fang Y ee, M ar k W otzak, M ichael Cipo llo, et al .Cy lin- drical M agnetro n Sput te ring in a F err omag netic Cylinder [ C] . 47th SV C TechCon in the P lasma Pr ocessing Session, 2004.
[ 2] Gr eg Vigilante .Benet Labor atories to Im pr ove Gun Bar- rel Co ating s[ J] .RDECO M M ag azine, 2003（ 8） :3-10 .
[ 3] Lar ry Burton, Ro be rt Carter, Victor Champagne, et al.A rmy targ ets age old problem s with new gun barr el materials[ J] .A M P T IA C, 2004, l8（ 4） :49-55 .
[ 4] Vigilante G , Sag e T , K endall G , e t al.Characterization of T antalum Line rs A pplied to 25mm and 120mm Cannon Bore Sectio ns via Explo sive[ M] .AD A387587, 2001.
[ 5] Amir Chabo ki.Advanced Gun Bar rel Technologies[ C] .N DIA G uns-Ammunitio n-Rockets- missiles Conference, 2005. [ 6] Brian Bure s.A rc plasma deposition[ C] .47th A nnual M eeting of the Divisio n of Pla sma P hy sics, 2005 .
作者簡介：郭瑞萍（ 1968-） , 女， 副研究員， 主要從事兵器材料與工藝技術(shù)咨詢及研究工作。