火炮身管延壽方法研究綜述

許耀峰，單春來，劉朋科，溫鋼柱，王育維

(1.西北機電工程研究所, 陜西 咸陽 712099；2.內蒙古北方重工業集團有限公司, 內蒙古 包頭 014033)

火炮在發射過程中，身管內膛處于高溫、高壓且伴隨瞬態的高速沖擊、磨損的復雜狀態，其壽命問題是火炮工程領域的難題。各類火炮，特別是大、中口徑火炮，身管的購置費用較高，甚至可達全炮價格的30%～40%[1].現代戰爭要求火炮向著更大威力、更大射速、更短發射間隔的方向發展,身管將面對更嚴重的燒蝕磨損和疲勞問題，極大降低其持續作戰能力。在這樣的發展趨勢下，身管的延壽技術就顯得尤為重要。筆者旨在對火炮身管的各類延壽技術進行概述，為開展下一步研究工作提供參考。

1 身管壽終機理及分析

1.1 失效現象

為研究身管的延壽技術，需要分析身管壽終失效的機理，有針對性地解決或改善。在發射過程中，身管內膛可能出現以下幾種失效現象[2]：

1)孔徑擴大：主要由于膛壓產生的應力超過身管的彈性極限所導致。

2)炸膛或漏氣：膛壓產生的應力導致的身管管壁破壞。如果炮鋼材料較硬，則易導致炸膛；如果炮鋼材料偏軟，則易導致彈丸彈帶密封不嚴而漏氣。

3)疲勞破壞：身管表面不可避免存在微裂紋，在成百上千次射擊循環下，微裂紋增大、合并，最終整個身管發生疲勞破壞。

4)燒蝕或磨損：在射擊過程中，高溫高壓的火藥氣體推動彈丸做高速運動，火藥氣體的沖刷主要會造成身管內膛表面的燒蝕，彈丸主要會造成磨損。另外，內膛表面的燒蝕磨損也會導致身管孔徑擴大；多次射擊反復的燒蝕磨損作用于內壁表面也會引起局部疲勞破壞，這種局部的疲勞破壞往往歸于燒蝕磨損的研究范疇。

在身管得到合理設計的情況下，孔徑擴大和炸膛或漏氣這兩種失效現象能夠有效避免；采用炮鋼精煉以及自緊技術后，身管疲勞壽命問題也得到了較好的解決[3]。因此，燒蝕壽命對身管壽命的決定作用變得更為突出，并成為制約火炮威力進一步提高的關鍵因素之一。

1.2 失效標準

以上4種失效現象會導致身管及彈丸出現多種不能完成作戰目的的表現形式。各國制定的壽命終止標準大體相同，均從以下幾個方面考慮：

1)初速下降量超過規定值。

2)彈丸飛行失穩，如橫彈、近彈、彈帶削光等。

3)引信連續瞎火或彈丸在彈道上早炸。

4)立靶或地面密集度超過規定值。

一旦出現上述現象之一，該身管失效壽終。

1.3 壽終機理

經過研究和實踐，身管失效時，射擊精度不滿足要求的失效方式先于身管破壞、炸膛等失效方式出現，其最主要成因是火藥氣體的燒蝕和彈丸對內膛表面的磨損。身管燒蝕磨損的主要原因有：

1)熱因素：火藥燃氣的高溫作用，使身管內壁溫度迅速升高，造成燒蝕。

2)化學因素：火藥燃氣及殘渣在高溫高壓下滲入金屬組織，發生化學作用，使膛面金屬變得硬脆，產生龜裂，易于脫落。

3)機械因素：包括彈丸擠進膛線起始部時的擠壓磨損、彈帶對膛線導轉側的磨損、彈丸在膛內運動過程中彈帶及定心部與膛壁發生高速摩擦，以及高溫高壓燃氣的沖刷作用。

以上3個方面因素并非各自單獨作用于膛內，而是共同作用并相互影響。如炮鋼材料在常溫下不會被彈帶磨損，但在高溫作用下，會由于機械性能嚴重下降而發生磨損。

1.4 延壽措施

通過對身管壽終機理的分析，可以從熱、化學、機械3個因素角度出發，改善身管內膛的工作環境，對身管進行延壽處理。按改進對象進行分類，延壽技術主要可以分為以下3個方面的策略：

1)發射裝藥策略：改進發射藥成分，如使用低爆溫發射藥，控制發射藥火焰溫度、元素含量，添加減摩擦添加劑、緩蝕劑等。

2)彈丸策略：改善彈丸結構，如提高制造精度避免偏心、彈帶材料的軟硬適中并且具有高熔點等。

3)身管策略：從身管入手，使用高性能材料或復合結構材料，在內膛表面做高硬度、耐熱、耐腐蝕涂層處理，使用漸速膛線或混合膛線提高密封性，或對使用過一段時間的身管進行內膛修復等。

各種延壽措施進行綜合使用能夠取得更好的效果，特別是膛內環境差、使用壽命短的高膛壓火炮，必須將內膛表面處理、高能低燒蝕發射藥、身管材料和合理的彈、膛結構等技術進行綜合應用，才能有效改善身管的延壽問題。

2 內膛表面處理技術

為緩解身管內膛因燒蝕磨損造成的破壞，提升身管內壁的性能。目前膛內鍍層技術是提高身管抗燒蝕性能的主要方法。對身管內膛進行鍍層處理時，對鍍層材料的性能有一些基本要求[4]：

1)從熱因素角度考慮，要求鍍層具有更高的熔點和高溫強度，熱膨脹系數等性能與炮鋼基體匹配，避免急劇的熱-冷循環下鍍層出現破裂。

2)從化學因素角度考慮，要求鍍層材料能夠抵抗反應性火藥氣體的燒蝕，保護炮鋼基體。

3)從機械因素角度考慮，鍍層材料材質過軟起不到保護的作用，過硬不能很好地傳力；鍍層還應有良好的耐磨性，與基體有較高的結合強度等。

目前電鍍鉻是最廣泛采用的內膛表面處理技術，磁控濺射、爆炸包敷焊接等也有較好的應用前景。

2.1 鍍鉻技術及改進技術

2.1.1 鍍鉻的基本流程

身管鍍鉻的整體流程如圖1所示。火炮大多采用自緊身管，自緊時需升溫到357 ℃保持殘余應力，自緊后任何高于357 ℃的操作都會降低身管的自緊效果。工藝流程決定了身管需要先自緊再電鍍，所以電鍍過程的溫度控制十分重要。

2.1.2 鍍鉻的缺陷

雖然電鍍鉻是目前身管延壽的最常用方法，但電鍍鉻技術存在許多缺點，主要有：

1)電鍍過程中，基體難以與體積變化的鉻層協調，鉻層中存在很高的內應力，達到一定厚度后形成固有微裂紋，并在發射過程中逐漸擴展，成為失效的最主要原因[5]。

2)鉻的脆性較高，剪切強度和抗拉強度較低，在發射的迅速升、降溫過程中，鍍鉻層容易剝落。

3)電鍍鉻工藝中的六價鉻是一種致癌物質，存在嚴重的環境危害問題，電鍍生產設備中必須包括污水處理等設備，提高了生產成本。

4)為增加火炮射程和威力，一些新型高溫高腐蝕性發射藥也在發展和應用，電鍍鉻將來會更難以滿足炮管抗燒蝕的更高需求。

2.1.3 鉻層失效機理

在內彈道時期，高壓火藥燃氣作用于身管內膛表面，內膛表面形成切向拉應力；高溫的火藥氣體使表面鉻層溫度急劇增加，沿鉻層徑向產生極大的溫度梯度，鉻層表面受到切向的壓應力[6]；由于熱傳遞的滯后，兩者不能相互抵消；在射擊間隔期，溫度和應力迅速下降，鉻層承受劇烈的交變作用，固有微裂紋開始擴展，沿著垂直于沖蝕面向基體擴展，擴展到鍍鉻層與白層的界面處沿著界面延伸，裂紋相互連接使鍍鉻層與基體的結合力減弱，加速鍍層的剝落，裸露出基體。因此，鉻層不是由于其本身因磨損或腐蝕失效，而是由于鍍層的開裂和小塊的剝落而失效。過程分為兩個階段：

1)鉻層中固有裂紋增大，擴展至基體并在基體內擴展。

2)鍍鉻層剝落，基體大面積燒蝕。裂紋擴展到炮鋼基體中之后，再次發射時火藥燃氣將沿裂紋進入基體并造成基體的燒蝕。由于膛內環境的不同，基體燒蝕的狀態可能出現界面燒蝕、次界面燒蝕和穿透性燒蝕3種狀態，分別如圖2中A、B和C所示，其中基體界面燒蝕的身管壽命最低，次界面燒蝕次之，穿透性燒蝕壽命最高。

2.1.4 鍍鉻改進技術

提高鍍鉻身管壽命的最直接方法是改善鍍鉻層與鋼基體間界面的結合性。鋼基體周期性梯度結構的形成可以大幅提高鉻層的抗腐蝕剝落能力，比如運用激光離散預處理使鋼基體表層形成周期性梯度結構，降低鍍鉻層-鋼基體間的硬度梯度，提高鉻層的抗腐蝕剝落能力[7]；運用高重頻激光技術對鋼基體進行處理可使鋼基體表面形成微米量級的微坑，增加基體的表面積，改善鉻層與基體的結合效果，提高了鉻層抵抗復雜應力破壞的能力[8]。鍍鉻前處理工藝的控制對界面結合也有顯著影響，如果工序控制不合理，身管內膛表面殘存的反應產物會降低鍍鉻層的結合力。

2.2 柱面磁控濺射技術

柱面磁控濺射工藝可在內膛表面沉積難熔金屬材料，且不存在污染問題；與鉻相比，鉭的韌性和抗熱沖擊性更好，熔點更高，因此，柱面磁控濺射鉭工藝具有更好的應用前景。

柱面磁控濺射工藝在進行鍍層沉積時，對身管基體施加正電壓，靶材內部陰極通過電流產生磁場，并與電場相互作用，使氬氣體離子轉化成等離子體，通過使用荷能粒子轟擊鉭靶材，使靶材中鉭原子產生濺射作用并在身管基體上沉積，實現膛內鍍鉭。

柱面磁控濺射工藝中的鍍層均勻性和附著性是技術的關鍵。磁場中的等離子密度在軸向集中分布于身管的一端，鍍層均勻性較差，且無法對內膛和靶材表面進行均勻的侵蝕清理，影響涂層的附著力。另外，磁控濺射鉭鍍層會出現α相和β相兩種相結構，α相性能理想，β相脆性高、性能差，如果不能合理控制工藝參數，內膛沉積了β相鉭涂層，身管壽命會受到非常不利的影響。雖然柱面磁控濺射工藝能夠使身管壽命得到明顯提升，但工藝難度較高。

2.3 爆炸包敷焊接技術

爆炸包敷焊接是一種利用爆炸沖擊波將敷層材料與基體材料相結合的技術[9]。焊接前，包敷材料與身管基體成一定角度，在包敷材料內部放置炸藥并引爆，炸藥以恒定的爆轟速度使包敷材料變形并與身管基體高速斜撞，撞擊點產生等離子射流，迫使包敷材料與身管內膛相結合形成敷層。爆炸包敷焊接工藝具有如下優點：

1)工藝效率高，敷層材料不需要長時間沉積。

2)不存在電鍍鉻的嚴重污染和致癌等問題。

3)等離子體的高速運動有擦洗內膛表面的作用，具有更良好的結合性。

4)屬于冷焊接工藝，有利于保持敷層材料性能。

美軍的射擊試驗已證明爆炸包敷焊接技術可以有效提高身管壽命。但對線膛身管而言，由于包敷材料硬度較低，陽線導轉側不能很好地承力，而硬質材料的焊接界面形態又不夠理想，結合性較差。

2.4 電爆炸噴涂技術

電爆炸噴涂技術的基本原理[10]是在身管內部通入氣體介質后，在絕緣體中插入涂層金屬導體，對金屬導體施加瞬態直流高電壓，使金屬導體瞬態爆炸，金屬粒子高速噴射到基體表面，急速冷卻后形成涂層。電爆炸噴涂技術具有以下優點：

1)可使用高熔點材料。

2)在氣體介質中完成制備，涂層的氧化層較薄。

3)噴涂技術操作簡單，效率高。

4)成本較低，重金屬粉塵的污染問題較易控制。

作為一種在身管延壽上的新型工藝，電爆炸噴涂技術還有一些問題需要解決，電爆炸噴涂的表面不夠光滑、涂層材料在電爆炸后的性能發生改變、不同的噴涂距離和次數以及其在基體上的溫降速度等對涂層性能的影響等仍有待進一步研究。

2.5 等離子噴涂技術

等離子噴涂屬于熱熔覆技術[11]，噴涂時使用等離子火焰，將高熔點涂層材料熔化噴涂，噴嘴中需加入保護氣體防止氧化等反應。在高溫等離子體作用下，涂層材料與身管基體熔化并融合，因而結合性強。由于可使用高熔點材料，表面鍍層具有很高的抗燒蝕能力。但由于噴涂溫度較高，對炮鋼基體有明顯影響，噴涂溫度、速度、距離等工藝參數還需深入研究。

2.6 表面熱處理強化技術

除如2.1.4節所述的使用激光離散預處理技術和高重頻激光技術外，激光技術還可在非鍍鉻身管上進行激光淬火，或在鍍鉻后的內膛進行激光強化[12]。

2.6.1 內膛淬火技術

內膛激光淬火技術的基本工藝原理是使用激光器發射出高能密度的激光束，使用反射鏡將激光束折射到身管內膛壁面上，使壁面被照射位置溫度達到相變溫度以上、熔點以下。經加熱后，被照射處材料變為奧氏體，激光束離開后溫度快速下降，形成細化的馬氏體，從而提高了硬度，形成的超載塑性區有利于控制射擊時的裂紋擴展。

與其原理相似的還有等離子淬火技術[13]，使用等離子弧發生裝置對內膛壁面進行加熱，比激光淬火的工作效率更高，且簡單易用，可在野外進行二次淬火處理。

經過射擊試驗驗證，經過內膛淬火處理過的身管的壽命得到了明顯的提高，但對于線膛身管，內膛淬火不夠均勻，對陽線導轉側的淬火工藝還不夠完善，加熱、冷卻速率等工藝也需要進一步研究。

2.6.2 鉻層激光強化技術

對于內膛鍍鉻的身管，也可使用與內膛淬火相類似的方法，對鉻層進行激光強化。強化后的鉻層表面初始裂紋有所改善，且鉻層下的基體金屬性能得到提高，硬度和抗熱性增加，相變后的再結晶組織提高了材料的延展性，改善了鉻層的結合性[14]。

3 發射裝藥技術

由于熱因素和化學因素是影響身管壽命的主要原因，因此，可以通過控制發射裝藥燃燒時的溫度和燃燒產物來實現延壽的目的，如增加緩蝕襯里等措施減小身管燒蝕。使用鍍鉻等技術時，如果不對內彈道過程的溫度和燃燒產物進行控制，鍍層也會很快因燒蝕磨損而失效[15]。

3.1 緩蝕劑技術

緩蝕劑即為緩解身管燒蝕的添加劑。在發射過程中，緩蝕劑能夠有效吸收熱量，在內膛表面形成可以隔離火藥燃氣溫度的冷卻層，并形成氧化物附著于內膛表面，使身管內膛在一定程度上抵御熱沖擊和化學腐蝕。緩蝕劑可分為護膛劑和添加劑兩種類型，其中護膛劑的使用方式是把塑料、石蠟、纖維素、潤滑油等物質制作成片狀放置于藥筒中，發射時吸收發射藥的熱量并生成冷氣保護層；添加劑的使用方式則是將Zn、Al、Ti等金屬化合物混合于發射藥中，降低發射藥的爆燃溫度。近年來納米技術的發展提高了緩蝕劑的延壽效果，半密閉爆發器燒蝕試驗初步驗證了納米添加劑具有緩釋作用[16]。緩蝕劑的成分、配比、裝填量、裝填位置、裝填結構、與身管藥室的結構匹配和發射藥屬性等因素與緩蝕效果有較大影響。雖然延壽效果十分明顯，但存在膛壁留有殘渣較難清理等問題，且目前緩蝕劑的選用大都建立在大量試驗的基礎上，其作用機理和設計理論還有待進一步研究。

3.2 高能量、低爆溫、低腐蝕性發射藥技術

如果對發射藥的成分、配比、結構等進行合理設計，使其燃燒時能夠在更低的溫度下產生更大的壓力，則可以延長身管的使用壽命。但目前現有的低爆溫發射藥燃燒時的做功能力也相對較差，需要對爆溫、裝藥量、最大膛壓、初速多個參數進行優化設計，達到控制爆溫、提高身管壽命的效果。

除降低發射藥燃燒溫度外，也可從化學因素的角度出發，控制化學成分，降低身管的燒蝕磨損。不同化學成分對身管的熱化學侵蝕程度排序為[17]：

CO2>CO>H2O>H2>0>N2，

即CO2對身管內壁腐蝕性最強，而N2能夠提高內膛的抗燒蝕能力。

由于發射藥的能量和爆溫是相互對應的，目前現有的發射藥均不能滿足高能量的同時低燒蝕的要求，而發射藥中的成分和含量又會對其性能有明顯影響，因此高能、低爆溫、低腐蝕性發射藥仍受到很多限制，但其從根本上改善了膛內發射環境，仍有很大的發展空間，需要進行深入的研究。

4 復合身管技術

復合身管技術包含復合材料工藝和復合結構工藝。復合材料工藝即在身管中使用纖維增強的鋁基、鈦基等高強度、高疲勞性和良好高溫性的輕質復合材料的技術，可以有效減輕身管質量，降低身管的變形量和發射時的振動，提高身管的射擊精度和壽命；復合結構工藝則是對身管進行多層材料相嵌套的結構設計，如使用筒緊身管、高強鋼內襯、陶瓷內襯等技術，能夠在減輕身管質量、壁厚的同時，提高內膛抗燒蝕磨損的性能。其使用的內襯材料除了需要高強度、高韌性、低導熱性和在高溫下保持良好的性能之外，還需要與外套管的熱傳導性、熱膨脹率等方面力學性能相匹配，保證身管的散熱性和二者之間的裝配性以及使用過程中的牢固性。復合材料工藝和復合結構工藝往往結合使用，以達到更好的效果。

為提高身管的燒蝕磨損壽命，高強鋼內襯、陶瓷內襯和高熔點金屬材料內襯等復合結構身管技術是近年重點研究的內容之一。鍍鉻身管的內表面鍍層中存在大量的微裂紋，射擊時發生開裂和剝落，使用更厚的內襯管則不會出現這種問題，能夠起到更好的抗燒蝕作用[18]。使用高強鋼內襯可以降低身管的質量，提高剛度，降低發射過程中彈丸定心部對內膛的磨損，但抗燒蝕性依舊較弱；陶瓷內襯具有良好的高溫性能、高硬度和低密度的優點，其抗燒蝕性能優于鋼、鉻和鉭等材料，但有低韌性和高脆性的缺陷；鉻、鉭、鎢等材料及其合金也可用作身管內襯，雖然制造費用高，但明顯提高的壽命完全可以補償花費的成本，但最大的問題是如何將內襯管安裝到炮鋼身管中且良好匹配，其工藝操作極其困難，不易操作。

5 修復技術

修復材料是由微納米礦物質和脂類材料制成的膏狀物[19]，在身管進行射擊之前將其涂覆于彈丸上，發射時即可分布于內膛表面，并在高溫高壓的火藥燃氣、彈丸與內膛的高速摩擦以及催化劑的作用下陶瓷化，將身管表面的裂紋和燒蝕坑填補平整，形成與內膛表面緊密結合的保護層。保護層有隔熱和耐燒蝕的作用，能夠阻隔火藥燃氣對內膛表面的燒蝕并緩解磨損，實現修復延壽的作用。有相關標準驗證修復材料無腐蝕性，不會給身管材料帶來不利影響；又有試驗證明，將修復劑涂覆于身管內膛和涂覆于彈丸彈帶上的修復效果相當[20]，說明在彈丸上進行涂覆即可以滿足修復需要，方便火炮的勤務管理和戰時使用。

從理論上講，金屬磨損自修復技術可用于任何機械設備的摩擦表面磨損、腐蝕的零部件，在火炮身管修復技術中廣泛應用摩擦成膜自修復技術，如早期前蘇聯研制的炮管防護劑中使用了半石墨礦粉，應用了沉積成膜自修復機理，近年來國內的身管修復技術研究主要集中于共晶成膜自修復方面。修復材料在滑膛炮中使用時的修復效果較為明顯，在中小口徑火炮上使用時甚至可在一定范圍內增大彈丸初速。但在大口徑線膛火炮上使用時較難對膛線導轉側實現理想的修復，修復劑的成分及配比也需要進一步深入研究。

6 結束語

隨著近年來軍工技術的發展，我國各型火炮在性能方面已走在了世界前列，但火炮的壽命仍與軍事強國有較大差距。火炮發射時，在熱因素、化學因素以及機械因素的作用下，身管內壁出現燒蝕、磨損和疲勞等現象，使火炮身管逐漸失效。因此，可以從身管的失效機理出發，對內膛發射環境中影響身管壽命的地方進行針對性的解決或改善，實現延壽的目的。筆者對目前主要應用和重點研究的各類延壽技術進行了綜述總結，分析了各技術的優勢和不足，很多技術還有進一步深入研究的空間。