銅/金剛石復合材料電磁軌道燒蝕特性的實驗研究*

曹海要，戰再吉

(燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，河北秦皇島 066004)

1 引 言

電磁軌道發射過程中，電樞在軌道表面從靜止開始逐步加速，軌道與電樞之間的滑動電接觸常伴隨嚴重的電燒蝕，因此，軌道初始段的抗燒蝕特性直接影響發射系統的壽命及多次發射特性[1-4]。

由于受到焦耳熱及電弧熱的作用，軌道材料表面出現熔融、蒸發、升華或分解等電燒蝕現象。在較低實驗電流條件下，其微觀組織表現為氣孔、微凸起、裂紋及急冷區等特征[5-6]；在較高實驗電流(大于100 kA)下，強的電流以及速度趨膚效應引起表面融化及表面劃痕[7]；由于電磁壓力而引起材料變形，材料邊緣由于電弧作用而發生氣化。Persad等人[8-9]通過觀察軌道電極材料表面的堆積物發現，堆積物呈疏松多孔的結構，提出軌道材料由于與液態鋁層發生化學反應而出現塑性變形或腐蝕侵蝕。Hsieh等人[10]的EMAP3D模擬結果表明，材料的損傷是由于局部高溫而引起的材料軟化及屈服。Watt等人[11]通過對同種軌道電極材料不同發射次數的分析發現，由于焦耳熱及電弧熱,導致電樞-軌道電極材料之間形成固液混合物，這種混合物在電磁力的作用下高速滑動，劃傷已經局部軟化及屈服的軌道表面,形成劃痕，同時液態鋁的侵蝕也加速了軌道材料的損傷。

目前對于不同電流下，預緊力對軌道電極材料電燒蝕的影響的研究還很少，因此，我們著重研究不同預緊力對抗燒蝕銅/金剛石復合材料電燒蝕特性的影響，并在此基礎上探討其電燒蝕機理。

2 實驗部分

2.1 實驗裝置及參數

本實驗在自主研發的HCED-Ⅱ型電燒蝕裝置上進行，圖1為裝置的結構示意圖。滑動電樞材料為2A12鋁合金，軌道電極為可更換的實驗用銅/金剛石復合材料，其中金剛石的質量分數為2%，該復合材料具有一定的滅弧減蝕作用[12]。軌道電極外形尺寸為70 mm×40 mm×3 mm。在該電燒蝕裝置中，通過控制電容的充、放電量獲得脈沖電流，通過軌道電極頂桿的下壓量來設定電樞與軌道之間的預緊力。電燒蝕實驗具體參數如表1所示。

圖1 HCED-Ⅱ型電燒蝕裝置的結構示意圖Fig.1 Structure schematic of HCED-Ⅱ electric ablation device

表1 電燒蝕實驗參數Table 1 Experimental parametersof electrical ablation

2.2 實驗過程

將軌道電極材料打磨清洗后安放在HCED-Ⅱ型電燒蝕裝置上，設定軌道與電樞間的預緊力及脈沖電流，同一參數下進行3次重復實驗。在實驗前、后用精度為0.1 mg的電子天平記錄軌道電極的質量；采用材料表面性能綜合測試儀(CFT-1)測試燒蝕深度及輪廓；用掃描電子顯微鏡對電燒蝕后不同區域的微觀形貌進行觀察；另外分析觀察軌道電極的橫截面組織變化，并用維氏硬度計測試其硬度變化。

3 結果與討論

圖2為銅/金剛石復合材料軌道電燒蝕后的宏觀形貌及輪廓圖。由圖2可見，在軌道與電樞初始接觸區A處存在明顯的燒蝕坑，在初始接觸區周圍的飛濺區B處存在飛濺形貌，在相互滑動區C處存在輕微劃痕形貌。以下對初始接觸區A、飛濺區B、滑動區C的微觀結構變化進行觀察與分析。

圖2 銅/金剛石復合材料電燒蝕后的宏觀形貌及輪廓圖Fig.2 Macro-morphology and profile of Cu/diamond composite after electrical ablation

3.1 電燒蝕后銅/金剛石復合材料軌道的質量損失

圖3為銅/金剛石復合材料電燒蝕后的質量損失隨實驗電流及預緊力的變化關系。由圖3可見，在相同預緊力下，質量損失隨實驗電流的增加而呈增大趨勢；在同一實驗電流下，質量損失隨預緊力的增加而呈減小趨勢。原因在于：電燒蝕過程主要受預緊力及實驗電流的雙重影響，預緊力主要影響電樞-軌道的接觸電阻，而實驗電流主要影響滑動電接觸過程中電弧的能量。接觸電阻Rj可用(1)式進行估算

圖3 銅/金剛石復合材料燒蝕后的質量損失隨實驗電流及預緊力的變化Fig.3 Mass loss of Cu/diamond composite after electrical ablation versus current with different preloads Rj=kj(0.102F)-m

式中：F為預緊壓力，m為與接觸形式、壓力范圍和實際接觸點數目等因數有關的指數，kj為與接觸材料、表面狀況等有關的系數。實驗證明：在壓力不太大的范圍內，對于點接觸，m=0.5；對于線接觸，m= 0.5～0.8，一般取m=0.7；對于面接觸，m=1。在本研究中，取m=1，kj=0.98。根據施加的預緊力計算得到，在預緊載荷為0.4 kN時接觸電阻為24.01 mΩ，在預緊載荷增加至2.0 kN時接觸電阻降為4.80 mΩ。

當預緊力相同時，電樞-軌道間的接觸電阻基本相同，如果增加實驗電流，滑動電接觸面間的電弧能量變大，對軌道電極的損傷更嚴重，軌道材料的質量損失量增加；而當流經電樞-軌道的實驗電流相同時，如果預緊力增大，則電樞-軌道電極之間實際接觸面積增加，接觸電阻變小，不僅由此產生的焦耳熱減少，而且也不容易形成電弧，因此對軌道電極材料的損傷較輕，材料的質量損失減小。

3.2 電燒蝕后銅/金剛石復合材料軌道表面的燒蝕深度

圖4分別為銅/金剛石復合材料軌道在實驗電流200 kA、不同預緊力狀態以及1.2 kN預緊力、不同實驗電流下的電燒蝕深度。由圖4可見，在200 kA實驗電流下，預緊力從0.4 kN增加到2.0 kN的過程中，平均燒蝕深度從0.252 mm逐漸降到0.131 mm，驗證了預緊力越大，電樞-軌道間的接觸狀態越好，對銅/金剛石復合材料軌道燒蝕越輕；而在固定預緊力為1.2 kN，實驗電流從100 kA增加到300 kA 的過程中，平均燒蝕深度從0.163 mm逐漸增加到0.237 mm，說明在相同滑動電接觸情況下，實驗電流越大，接觸點之間產生電弧越多，對銅/金剛石復合材料軌道電燒蝕越嚴重。

圖4 銅/金剛石復合材料的燒蝕深度Fig.4 The ablation depth of Cu/diamond composite

3.3 銅/金剛石復合材料電燒蝕區域的表面形貌

對圖2中的A區域進行局部放大，如圖5所示，可見，該區域的典型特征是材料表面燒蝕后的凹凸不平形貌，表面存在一定數量的微孔和裂紋。圖5(a)為銅/金剛石復合材料軌道電燒蝕表面的微孔形貌，遍布整個圖像區域的微孔尺寸大約為10～20 μm，與復合材料摻雜的金剛石顆粒尺寸相當，微孔周圍材料表面粗糙不平，呈現出液態金屬凝固后的微凸體形貌。在較高的溫度下，金剛石仍保持較好的熱穩定性，但由于銅與金剛石間的浸潤性較差，且二者熱膨脹系數相差較大，因此，在電弧燒蝕作用下，造成軌道材料的局部過熱，銅/金剛石復合材料中的金剛石顆粒發生剝落進而形成微氣孔。這些微孔周圍的電熱燒蝕加劇，產生的熔融態物質在渦流電磁力下形成更多尺寸較大的微凸體。

圖5(b)為銅/金剛石復合材料軌道電燒蝕表面的微裂紋形貌，裂紋窄而長，很多裂紋在擴張過程中相互交叉。這是由于在電磁發射的起始段，電樞和軌道的滑動電接觸區域受到電弧燒蝕和大電流焦耳熱的共同作用，軌道表層溫度瞬時升高，當電樞離開后，該區域的熱量被銅軌道迅速傳導走，降溫梯度較大，因此軌道電極表層受到強交變溫度場產生的交變應力作用，產生微裂紋。

圖5 銅/金剛石復合材料的微氣孔和微裂紋形貌Fig.5 Micro-pores and micro-cracks of Cu/diamond composite

對圖2中的B區域進行局部放大，如圖6所示，可見，該區域的典型特征是材料表面燒蝕后熔融態金屬形成的微凸及飛濺形貌。這種微凸體呈現螺旋向上狀，并主要分布在電樞啟動的初始接觸區，在微凸體周圍存在一定的液體飛濺后冷卻的形貌特征。微凸體及其飛濺產物說明在該區域內電樞發生嚴重的熔化，這些熔融物處于電樞和軌道電極之間，在強電磁場渦流作用下會向四周飛濺，殘余的熔融物在隨后的快速冷卻過程中形成微凸體，微凸體表面的螺旋向上特征正體現了渦流電磁力的作用。

圖6 銅/金剛石復合材料的微凸及飛濺形貌Fig.6 Micro-bulges and splash of Cu/diamond composite

圖7 銅/金剛石復合材料的劃痕形貌Fig.7 Micro-scratches of Cu/diamond composite

對圖2中的C區域進行局部放大，如圖7所示，可見，該區域的典型特征是電燒蝕表面存在大量不同的劃痕，該劃痕較淺，主要存在于電樞與軌道滑動電接觸區域。一般認為，由于樞-軌電極之間存在較高的接觸壓力，且電弧熱及焦耳熱使銅/金剛石復合材料表面溫度上升，銅/金剛石復合材料軌道的表面會發生部分材料屈服及軟化。在靜摩擦向動摩擦過渡的過程中，當運動電樞對軌道表面的切向摩擦力大于已經發生表面屈服及軟化的軌道材料的剪切強度時，鋁電樞與軌道表面之間的微凸體會在軌道表面形成摩擦劃痕，這種磨損機制屬于磨粒磨損。

3.4 銅/金剛石復合材料電燒蝕區域的橫截面金相及硬度

圖8為銅/金剛石復合材料電燒蝕后橫截面的組織結構及顯微硬度變化。由圖8可見，在銅/金剛石復合材料的表面，由于電燒蝕作用形成了與基體組織不同的柱狀晶組織，厚度為50 μm左右；該柱狀晶的形成，使材料的硬度有所降低。電磁發射軌道材料一般都是長細桿狀，本實驗采用的銅/金剛石復合材料尺寸為70 mm×40 mm×3 mm，其長高比過大。因此，焦耳熱及電弧燒蝕熱主要沿高度方向進行傳導。這種局部移動的熱源使銅/金剛石復合材料表面發生再結晶后，形成晶粒細化區，如圖8(a)中的A區所示；而表層是軌道材料溫度最高的區域，這里的細晶逐漸長大，形成較為粗大的柱狀晶區，如圖8(a)中的B區所示。通過不同深度的顯微硬度測試也發現，表層硬度明顯下降，根據Hall-Petch定律可知，材料表面區域的晶粒較深層的更粗大。另外，熔化后的軌道表面聚集的易熔雜質和非金屬夾雜物，也在一定程度上降低了銅/金剛石復合材料的硬度。

圖8 銅/金剛石復合材料橫截面金相及硬度Fig.8 Metallography and hardness of Cu/diamond composite

4 結 論

通過進行銅/金剛石復合材料軌道與鋁電樞在預緊力0.4～2.0 kN、電流100～300 kA下的滑動電燒蝕實驗及分析，得出以下結論：

(1) 銅/金剛石復合材料軌道由于受到焦耳熱及電弧熱的雙重作用，其質量損失、燒蝕深度隨電流增大而呈現增加趨勢，隨預緊力增加而呈下降的趨勢。

(2) 銅/金剛石復合材料軌道電燒蝕后，在主燒蝕區域形成凹凸不平的形貌，由于部分金剛石的脫落形成一定數量的微孔，在強交變溫度場作用下產生熱應力裂紋；在燒蝕區域邊緣，主要由于熔融液態金屬受強電磁場渦流作用而形成了微凸及飛濺形貌；在滑動電接觸區域，則表現為電樞微凸體與軌道之間摩擦形成的劃痕，其磨損機制為磨粒磨損。

(3) 在銅/金剛石復合材料軌道的橫截面上，由于軌道材料的長高比過大而造成散熱速率不同，形成不同尺度的晶粒組織，表面硬度明顯下降。

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