延壽修復材料在身管武器上的應用研究

魏化震， 高守臻， 李大勇， 馬開寶， 王曉立， 羅長宏， 齊風杰， 徐曉媛

(山東非金屬材料研究所， 山東 濟南 250031)

延壽修復材料在身管武器上的應用研究

魏化震， 高守臻， 李大勇， 馬開寶， 王曉立， 羅長宏， 齊風杰， 徐曉媛

(山東非金屬材料研究所， 山東 濟南 250031)

為了研究延壽修復材料對武器身管的修復延壽效果，開展了延壽修復材料的應用研究。通過掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、能譜儀、燒蝕試驗機、摩擦磨損試驗機等對延壽修復材料的形貌、相結構、燒蝕性能、腐蝕性能、摩擦磨損性能進行了表征；并利用某型槍、某型滑膛炮進行了實彈射擊試驗。研究結果表明：修復后，在金屬表面附著一層涂層材料，槍管及炮管表面的凹坑、裂紋逐漸被填補，表面漸趨光滑；修復材料使用后能夠明顯降低槍管溫升，且不會對槍的精度產生影響；對于中小口徑火炮，修復材料可在一定范圍內增大彈丸初速，減小膛徑磨損量。

兵器科學與技術； 武器身管； 燒蝕磨損； 修復； 延壽； 膛徑磨損量

0 引言

火炮壽命最重要的是身管壽命，身管的使用壽命在很大程度上決定了火炮服役的經濟性。而決定身管壽命的主要因素為身管的疲勞壽命和燒蝕磨損壽命。在采用現代高強韌炮鋼、炮鋼精煉以及自緊技術后，疲勞壽命已得到較好解決。因而，身管燒蝕磨損壽命成為制約火炮經濟性進一步提高的關鍵因素之一。近年來，在金屬磨損自修復方面，周平安[1]介紹了自修復材料的技術指標及應用前景，指出自修復材料能夠預防并自動修復機件磨損。董偉達[2]對自修復材料機理進行了分析。方建華等[3]系統地綜述了自修復類型、種類及修復機理。在火炮身管內膛燒蝕方面，管懷建等[4]和Lawton[5]系統分析了火炮身管內膛熱化學燒蝕現象。歐陽青等[6]綜述了火炮身管燒蝕磨損問題國內外的研究進展，彭小敏等[7]對鋼質火炮的燒蝕磨損及其防護技術的研究進展進行了分析。在火炮壽命預測方面，王平等[8]研究了火炮身管膛線過渡區圖像處理技術，李明濤等[9]基于熔化層理論建立了一種壽命預測的新方法?；谝陨涎芯?，陳永才等[10]和蔣澤一等[11]綜述國內外火炮身管延壽技術的研究進展。李洪廣等[12]、梁西瑤等[13]在提高火炮身管燒蝕磨損壽命方面進行了不斷地探索研究，系統研究了影響緩蝕劑降燒蝕效果的因素、材料設計原則。林少森等[14]分析了緩蝕劑的作用機理。陳永才等[15]利用半密閉爆發器燒蝕試驗法驗證了緩蝕劑的降燒蝕作用。雖然緩蝕劑在一定程度上減輕了身管燒蝕磨損問題，但是隨著火炮口徑的進一步增大，射程進一步提高，以及人們環保意識的增強，該技術已經越來越不能滿足新一代火炮的延壽需求，發展新的身管延壽技術成為技術必需。

延壽修復材料是一種由微納米礦物材料和脂類制成的膏狀物，射擊前涂覆于彈丸表面或身管內膛表面，在發射瞬間該材料均勻飛散和分布于內膛表面，并在高溫高壓燃氣流和高速摩擦及特種催化劑作用下陶瓷化，填補燒蝕坑槽，在火炮內膛表面形成與金屬緊密結合的陶瓷保護膜，對內膛起到修復、保護和延壽的目的。該綠色在線修復延壽技術不影響火炮的勤務處理，是當前身管延壽技術的發展趨勢。本文分析了修復材料主要性能，并在某型槍管及某型滑膛炮上進行了應用試驗，初步驗證了材料的修復延壽效果。

1 試驗方法

1.1 試驗樣品

延壽修復材料，自制；50號鋼片，德諾金屬鋼鐵有限公司產；59號黃銅片，廣東皓然金屬材料有限公司產。

1.2 試驗方法

1)涂層表面形貌分析、透射電鏡組織與相結構分析。使用日本Hitachi公司產H-8010掃描電子顯微鏡觀察涂層的表面形貌；使用荷蘭Philips公司產PV9900能譜儀及日本Hitachi公司產H-800透射電子顯微鏡進行涂層成分及透射電鏡組織及相結構分析。樣品制備方法：槍管射擊修復試驗后，對槍管前端進行解剖，用J0-780數控電火花線切割機床平行涂層表面截取0.2 mm厚試片，用金相砂紙沿基體研磨至0.1 mm，然后置于北京英東偉業科技有限公司產GL-6960型離子減薄儀上由基體向涂層側單面減薄至穿孔。

2)修復材料腐蝕性能分析。參照石油化工標準SH/T 0331—1992 潤滑脂腐蝕試驗方法及SH/T 0384—2005彈藥保護脂(彈保脂)，以浸入修復材料金屬試片表面與修復材料在一定溫度下，經一定時間作用后所發生的顏色變化，來確定修復材料對金屬的腐蝕性。腐蝕性能測試試樣采用磨光的50號鋼片與59號黃銅片，垂直浸入室溫放置的修復材料中，在(100±2) ℃下留置3 h. 試驗完畢，取出金屬片，然后用脫脂棉擦拭除去表面修復材料，再用無水乙醇溶液擦拭金屬片表面至不粘手，仔細檢查。銅片需先行檢查，確定無綠色，再用干脫脂棉輕輕擦拭，重新仔細檢查。如在銅片上無肉眼可見的綠色、深褐色或鋼灰色等斑點，在鋼片上不存在褐色或黑色斑點時，即認為合格。

3)修復材料燒蝕性能分析。采用山東非金屬材料研究所制的OA型燒蝕試驗機進行修復材料的燒蝕試驗，在3 000 ℃的高溫下燒蝕3 s，觀察修復材料表面狀態。

4)修復材料摩擦磨損性能分析。利用MG-2000型摩擦磨損試驗機，在一定壓力下，將修復材料添加到兩個摩擦面之間，利用金屬表面的高速滑動摩擦作用進行修復效果驗證。試驗條件為：相對轉速200 r/min；壓力1 500 N；摩擦時間10 h.

2 材料性能試驗

2.1 涂層表面形貌分析、透射電鏡與相結構分析

圖1為涂層橫截面掃描電鏡放大400倍表面形貌，由圖1可以看出，在金屬表面附著一層涂層材料。涂層與鋼基體存在明顯的結合界面，界面結合致密，經測試，該界面是原子相互擴散而形成的結合，屬冶金結合。

圖1 涂層橫截面掃描電鏡形貌(放大400倍)Fig.1 SEM morphology of coating cross section (400×)

圖2為涂層主要組分透射電鏡組織形貌和電子衍射圖，由圖2可以看出，涂層的組織狀態為顆粒狀和塊狀，將顆粒狀和塊狀組織放大到100 000倍左右觀察時，發現在某些區域上均勻分布著粒狀納米晶體，其尺寸在6～12 nm范圍內。電子衍射分析結果表明，圖2(a)中白色部分為α-SiC，顆粒狀和塊狀組織為正交晶系的Fe2SiO4；圖2(c)中粒狀納米晶體為正交晶系的Fe5.36Si0.64O8；圖2(b)中涂層內某些區域還存在面心立方結構的Mg0.36Al2.44O4. 火炮發射時，膛內溫度在3 000 ℃左右，在有氧的條件下，涂層的主要成分α-SiC、Mg0.36Al2.44O4、Fe5.36Si0.64O8等隨彈丸的高速摩擦產生磨損，同時新加入的修復材料在高溫、高壓及特種催化劑下，在火炮內膛表面生成金屬- 陶瓷保護膜。磨損- 修復循環進行，大大減輕了身管內膛燒蝕磨損，延長了身管壽命。

2.2 修復材料腐蝕性能分析

用無水乙醇擦拭金屬片表面后，先行仔細檢查銅片，銅片表面無綠色，再用干脫脂棉輕輕擦拭，重新仔細檢查。由圖3可以看出，在銅片上，無肉眼可見的綠色、深褐色或鋼灰色等斑點；在鋼片上，不存在褐色或黑色斑點，從而證明修復材料無腐蝕性。

圖3 金屬片腐蝕試驗前(左)后(右)圖片Fig.3 Metal sheets before (left) and after (right) corrosion

2.3 修復材料燒蝕性能分析

由圖4可知，修復材料燒蝕后表面形成一種黑色物質，在燒蝕氣流作用下，黑色物質有剝落現象。黑色物質剝落后在氣流中心裸露新的修復材料層。修復材料燒蝕后反應產物能夠沉積或附著在內膛表面，形成耐燒蝕隔熱層，阻礙高溫、高速燃氣流對膛面的熱傳導和沖刷作用，并且能夠隔離燃氣與金屬的接觸，降低金屬溫度。從而有效地提高基體的耐高溫沖蝕能力、顯著降低基體燒蝕磨損速率。

圖4 燒蝕后表面狀態Fig.4 Post ablation surface images

2.4 修復材料摩擦磨損性能分析

隨著摩擦的進行，金屬摩擦接觸面逐漸有膜狀物生成(見圖5)，并能有效地降低摩擦系數(見圖6)。對其進行表面元素分析可知，摩擦金屬表面引入了新的元素，如Mg、Al、Si等。試驗過程中修復材料原始無機化合物和反應產物附著在摩擦面上，這些物質具有較低的導熱率，大幅度降低摩擦表面溫度，減輕摩擦面向內部的熱傳遞。混合粉末分解出的粒子，表面能高，與其他粒子的碰撞幾率大，表面吸附作用強，在摩擦過程中，微納米粉顆粒就容易參與各種物化反應，反應形成穩定的高熔點化合物，從而對摩擦表面起到保護作用。

圖5 金屬間線摩擦方式Fig.5 Metal line friction

圖6 摩擦系數- 時間曲線Fig.6 Fiction coefficient-time

3 修復材料槍管應用效果分析

以某型槍管發射狀態的條件進行槍管修復試驗，檢測該材料在槍管修復中及防燒蝕保護中的作用，確定以改善槍管內表面狀態、提高彈丸初速度及精確度為檢測方法的試驗方案。試驗選取兩支發射彈丸數基本相似的槍進行試驗，一支槍發射50發修復彈，另一支槍發射50發普通彈頭，驗證了修復材料的修復效果。圖7為修復材料使用前后某型槍管內表面圖片。圖8為槍管溫升與磨損(修復)次數關系曲線。

圖7 修復前后槍管表面狀態對比Fig.7 Comparison of gun surface topographies before and after restoration

由圖7可以看出，修復前，槍管內表面存在大小不一的凹坑、裂紋，特別是陽線表面，燒蝕磨損嚴重。修復后，槍管內表面大小不一的凹坑、裂紋逐漸被填補，表面漸趨光滑，陽線表面修復效果特別突出，大部分表面的凹坑、裂紋被填平，表面又恢復使用前狀態的趨勢。

圖8 槍管溫升與磨損(修復)次數關系曲線Fig.8 Relationship between temperature rise and wear (repair) of gun surface

從圖8槍管溫升與射擊發數關系圖看出，修復材料使用后能夠明顯減緩槍管溫升，在彈頭發射過程中的高溫及高速摩擦下，涂覆在彈頭表面的修復材料在槍管表面陶瓷化，并緊緊附著在身管內表面。一方面通過陶瓷涂層的隔熱作用減少熱量向槍管的傳遞，降低槍管溫度；另一方面通過吸熱填料在發射高溫時分解吸熱，減少對槍管的熱沖擊。

為了驗證涂敷該材料對槍管發射精度的影響，采用5支某型新槍進行了涂敷前后的射擊精度對比，通過試驗驗證，該材料不會對槍的精度產生影響，具體精度對比如圖9所示。

圖9 修復前后的射擊精度對比(射程100 m)Fig.9 Accuracies of gun before and after restoration

4 修復材料大口徑火炮應用效果分析

采用已發射 250余發炮彈的某型滑膛炮進行了使用修復材料及未使用修復材料對比射擊試驗，試驗共發射150發左右彈丸，射擊完成后進行膛徑變化量測試。

從圖10修復前后內膛表面對比圖可以看出，修復前身管內表面存在大小深淺不一的凹坑，部分凹坑連通在一起形成裂紋，身管內表面燒蝕磨損較為嚴重。修復后，身管內表面存在大小深淺不一的凹坑、裂紋被涂層材料填補，身管內表面漸趨光滑，從圖10可以看出，修復材料填補凹坑、裂紋等的修復效果較為明顯。

圖10 修復前和修復后內膛表面對比Fig.10 Comparison of inner bore surface before and after restoration

圖11為發射未使用修復材料及使用修復材料的彈丸的兩門火炮膛徑磨損量對比。測量位置為炮膛起始部及距炮膛起始部30 mm處。

圖11 修復前及修復后的兩門火炮膛徑磨損量對比Fig.11 Comparison of bore wears of two guns before restoration and after restoration

圖11(a)為射擊未使用修復材料彈丸的火炮，從圖11(a)中可以看出，隨著彈丸發射數量增加，火炮膛徑磨損量呈增大趨勢，經計算，每發炮彈的膛徑磨損量為0.002 mm；圖11(b)為射擊使用修復材料彈丸的火炮，從圖11(b)中可以看出，隨著修復彈丸發射數量增加，火炮膛徑磨損量逐漸減小，經計算，每發炮彈的膛徑磨損量減少0.002 mm. 由圖11對比效果顯示，修復材料具有較好的修復延壽效果。

在測試修復材料修復前后內膛表面狀態、膛徑磨損量的同時，對彈丸初速度進行了對比測試。圖12為射擊普通彈丸的a號炮(試驗前已射擊258發普通彈丸)和射擊使用修復材料彈丸的b號炮(試驗前已射擊278發普通彈丸)火炮初速度的對比。

圖12 修復前及修復后的兩門火炮初速度對比Fig.12 Comparison of initial velocities of two guns before restoration and after restoration

從圖12可以看出，隨著射彈發數增加，射擊普通彈丸的a號炮彈丸初速度整體呈下降趨勢，射擊使用修復材料彈丸的b號炮，初速度較射擊普通彈丸的a號炮增加15 m/s，初速度在一定范圍內呈曲線增長。通過射彈發數基本相當的某型滑膛炮射擊使用修復材料彈丸及射擊普通彈丸初速度對比發現，對于中小口徑火炮，修復材料可在一定范圍內增大初速度。而前期試驗證明，對于大口徑火炮，修復材料只能保持初速度不降低，并不能明顯增大初速度。

5 結論

1) 修復后，在金屬表面附著一層涂層材料，放大1 000倍時發現，涂層表面有顆粒狀和塊狀組織，涂層與鋼基體存在明顯的結合界面，界面結合致密。

2) 火炮發射時，膛內溫度在3 000 ℃左右，在有氧的條件下，涂層的主要成分α-SiC、Mg0.36Al2.44O4、Fe5.36Si0.64O8等隨彈丸的高速摩擦產生磨損，同時新加入的修復材料在高溫、高壓及特種催化劑下，在火炮內膛表面生成金屬- 陶瓷保護膜，磨損- 修復循環進行，大大減少了身管內膛燒蝕磨損，延長了身管壽命。

3) 參照石油化工標準SH/T 0331—1992 潤滑脂腐蝕試驗方法及SH/T 0384—2005彈藥保護脂(彈保脂)進行腐蝕試驗后，證明修復材料無腐蝕性。

4) 修復材料燒蝕后表面形成一種黑色物質，在燒蝕氣流作用下，黑色物質有剝落現象，黑色物質剝落后在氣流中心裸露新的修復材料層。修復材料燒蝕后反應產物能夠沉積或附著在內膛表面，形成耐燒蝕隔熱層，阻礙高溫、高速燃氣流對膛面的熱傳導和沖刷作用，并且能夠隔離燃氣與金屬的接觸，降低身管溫度。從而有效地提高基體的耐高溫沖蝕能力、顯著降低基體燒蝕磨損速率。

5) 隨摩擦的進行，金屬摩擦接觸面逐漸有膜狀物生成，摩擦金屬表面引入了新的元素，如Mg、Al、Si等，可大幅度降低摩擦表面溫度，減輕摩擦面向內部的熱傳遞。

6) 修復后，槍管內表面大小不一的凹坑、裂紋逐漸被填補，表面漸趨光滑，陽線表面修復效果特別突出，大部分表面的凹坑、裂紋被填平，表面有恢復使用前狀態的趨勢。修復材料使用后能夠明顯降低槍管溫升，且不會對槍的精度產生影響。

7) 對于滑膛炮，修復材料填補凹坑、裂紋等的修復效果較為明顯，修復材料使用后，火炮膛徑磨損量逐漸減小。對于中小口徑火炮，修復材料可在一定范圍內增大初速度。而前期試驗證明，對于大口徑火炮，修復材料只能保持初速度不降低，并不能明顯增大初速度。

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Applied Research on the Life Prolonged and Restored Materials in Gun Tube Weapon

WEI Hua-zhen, GAO Shou-zhen, LI Da-yong, MA Kai-bao, WANG Xiao-li, LUO Chang-hong, QI Feng-jie, XU Xiao-yuan

(Shandong Institute of Non-metallic Materials, Jinan 250031, Shandong, China)

In order to study the effect of life prolonged and restored materials on gun barrel, the life prolonged and restored materials are studied. The morphology, phase structure, ablative resistance, corrosion resistance, friction and wear properties of the life prolonged and restored materials are characterized by scanning electron microscope (SEM),transmission electron microscope (TEM),energy disperse spectroscope(EDS),ablation test machine and friction wear test machine. The firing tests of gun and smoothbore cannon made of the life prolonged and restored materials were completed. The results show that a layer of coating material is attached to the metal surface after restoring. The barrel surface is filled with pits and cracks, and the surface is smoothed. The restored material can significantly reduce the barrel temperature, which will not affect the accuracy of the gun . For the small caliber gun, the restored material can not only increase the initial velocity, but also reduce the wear of gun barrel.

ordnance science and technology; gun barrel; abrasion; ablation; renovation; prolongation; gun barrel wear

2016-07-12

國家部委預先研究項目(2011年)

魏化震(1963—)，男，研究員。E-mail: weihz53@sina.com

高守臻(1981—)，女，副研究員。E-mail: gaoshouzhen@163.com

TJ306+.1

A

1000-1093(2017)03-0440-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.03.004