林少森，閆　軍，俞衛(wèi)博，李洪廣，杜仕國

(軍械工程學院，河北 石家莊　050003)

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身管燒蝕及緩蝕劑作用機理研究現狀

林少森，閆軍，俞衛(wèi)博，李洪廣，杜仕國

(軍械工程學院，河北 石家莊050003)

身管燒蝕磨損嚴重限制了火炮性能的提高和服役年限的延長。為延長身管壽命、發(fā)展高威力火炮，需增強火炮身管的抗燒蝕磨損能力。從熱沖擊、化學侵蝕、機械磨損三方面綜述國內外身管燒蝕機理的研究現狀，分析認為燒蝕磨損的發(fā)生與加劇主要歸結于熱-化學-機械復合作用。在此基礎上梳理緩蝕劑技術抑制身管燒蝕磨損的機理，指出納米材料在緩蝕劑研制中的意義，無機氧化物和含氮有機材料在發(fā)射環(huán)境下可對身管內壁形成保護。對緩蝕劑的設計作出展望，為新型緩蝕劑設計提供有益思考。

兵器科學與技術；火炮身管；燒蝕機理；緩蝕劑；緩蝕機理

火炮身管用于與火藥氣體配合，賦予炮彈一定初速和保證炮彈飛行穩(wěn)定的旋轉速度。在使用過程中，燒蝕磨損是制約身管武器提高性能、延長服役期的關鍵因素。為有效抑制燒蝕磨損，國內外學者提出許多可行的方法，包括身管內膛涂鍍層、優(yōu)化炮彈外形和彈帶材料、復合身管制造技術、身管冷卻技術、身管自修復技術、采用低爆溫發(fā)射藥及緩蝕劑技術等[1-3]。其中，緩蝕劑技術作為最簡便、最有效的延壽方法，越來越得到人們的重視。高效緩蝕劑的研發(fā)需建立在對身管燒蝕磨損機理的深入認識基礎之上。為此，筆者在總結、歸納身管燒蝕磨損機理的基礎上，進一步梳理了常用緩蝕劑的作用機理，為新型緩蝕劑的設計和研制提供有益參考。

1　火炮身管燒蝕磨損機理

現代燒蝕磨損理論的核心認為身管燒蝕磨損是一種因素主導下，多因素綜合作用或交叉作用的結果。圖1描述了發(fā)射環(huán)境下，身管的燒蝕作用機理[4]。這些作用包括熱沖擊、化學侵蝕和機械磨損，其中熱作用是首要的、根本的[5]。

1.1熱燒蝕

通常認為，燒蝕發(fā)生的主要控制因素是溫度，含火藥燃氣所形成的最高溫度和身管內膛的峰值溫度。后者是影響燒蝕進程和燒蝕量的主要方面[6-7]。

受到火藥燃氣的高溫作用后，內膛表面金屬溫度達相變點以上，形成奧氏體。這種變化了的奧氏體在內膛環(huán)境中發(fā)生滲碳與氧化等過程，在基體金屬中形成低熔點產物。此外，射擊過后身管內膛表層金屬會部分形成馬氏體[8-9]。奧氏體到馬氏體的相變過程伴隨金屬晶格結構變大，致使基體內部形成內應力。當內應力達到強度極限時，裂紋隨之產生。文獻[10]根據內彈道學理論，沿身管軸向選取溫度不同的區(qū)域進行金相觀測，發(fā)現隨溫度上升，基體燒蝕和鍍層開裂均逐步加重，這與燒蝕主要是熱作用的理論相一致。

Lawton B[11]研究了無鍍層身管的燒蝕量與膛內壁面最高溫度的關系，得到如下結果：

式中：w表示燒蝕量；A表征火藥燒蝕性，數值在20～ 200之間；t0是時間常數；Ta為設定的常數；Ti是擊發(fā)前內膛溫度，與Ta比值開平方的數值在1～1.26之間；ΔE表示基體金屬活化能，約為69kJ/mol；R0為氣體常數。

w與Tmax呈指數關系，因此燒蝕量對內膛最高溫度敏感；模擬試驗和實彈射擊試驗結果表明，身管內膛的溫度降低10%，其燒蝕量可降低300%。該研究結論已經通過密閉爆發(fā)器驗證，并獲得眾多火炮和發(fā)射藥成分試驗數據的證實[11]。

1.2化學燒蝕

從發(fā)射藥的發(fā)展來看，緩解熱燒蝕作用的方法有改進制式發(fā)射藥和開發(fā)新型發(fā)射藥兩種。但新出現的發(fā)射藥，例如低爆溫發(fā)射藥和低易損性發(fā)射藥，因為組分的改變，化學燒蝕則可能成為身管燒蝕的重要誘因。

化學燒蝕的主要過程有滲碳和氧化。滲碳過程中，碳由燃氣向身管內壁擴散，與基體金屬形成固溶物，過量的碳則促進滲碳體析出，從而降低內膛的韌性和熔點，導致基體容易被熱和機械等因素侵蝕。高海霞[12]等人研究了身管材料在高速模擬發(fā)射狀態(tài)下的組織變化，裂紋和白層的形成。認為白層是炮鋼在內膛環(huán)境中經火藥氣體的滲碳作用形成。滲碳體即Fe3C加劇化學燒蝕層內裂紋形成及擴展，最終形成軸向裂紋加速燒蝕層的剝落。

與滲碳類似，火藥氣體中的氧可以擴散到金屬表面并將其氧化，鐵的氧化物會形成脆性的鱗片狀的表層，極易形成熱裂紋進而遭到腐蝕。

除去滲碳和氧化這兩個化學燒蝕的主要形式，不少研究者提出氫蝕、氫脆和氫致裂紋在燒蝕過程中具有不容忽視的作用。Underwood[13]等人通過對比激光脈沖燒蝕與實際燒蝕的試樣發(fā)現：雖然激光脈沖加熱在鍍層熱熔化、熱裂紋等方面較好地模擬了實際燒蝕狀況，但是鍍層覆蓋下基體金屬的裂紋卻不能模擬出來，他們認為這是因為實際燒蝕中存在氫致裂紋。Sopok[5]等人認為氫蝕過程為：炮鋼組織中的擴散氫降低了鋼的強度和韌性，增加了裂紋形成和脆性失效的風險。當氫通過未氧化的裂紋表面被吸收時，裂紋擴展所需的表面能降低。

由于高速火藥燃氣的沖刷作用，火藥燃氣與基體金屬反應的產物多認為檢測不到。但Cote[14]通過對燒蝕的5種試樣進行顯微分析、激光共聚焦掃描分析和電子探針分析，從試樣殘余部分裂紋中檢測到“灰層(Gray layer)”，即基體金屬的氧化物、硫化物和火藥殘余。他們的工作印證了化學燒蝕的作用。之后，Cote[15-16]等人分別在2001和2003年利用激光脈沖加熱(Laser Pulse Heating)試驗研究了內膛壁面在不同氛圍時受到高能沖擊后出現相變、局部熔化和快速氧化后出現灰層等對燒蝕進程的影響。他們的工作為驗證不同火藥燃氣成分在燒蝕磨損中的影響提供了一種方法。

Jaramaz[17]等人以M39型單管轉膛炮為原型，設計了一種模擬燒蝕器，通過分析不同型號發(fā)射藥的燒蝕率，認為燒蝕與發(fā)射藥的組成之間存在關系。以主要燒蝕氣體成分及相互之間的耦合關系為參量，利用多元線性回歸擬合出計算燒蝕率影響因子A的方程：

ln(A×103) =-0.272 87(%CO2)+0.078 5(%CO)-0.14083(%H2)-0.019 18(%N2)+0.348 33(%H2O)+1.002 46(%R)

式中：R表示除主要氣體之外的影響因子；A的數值越大表示燒蝕越嚴重。

該方程的線性回歸系數r= 0.847 2，即方程與試驗能很好擬合，方程中的負號表示其對燒蝕具有抑制作用。

1.3機械磨損

受到熱、化學作用后的基體金屬易于出現熱軟化、機械強度下降和裂紋等情況，彈管耦合過程中所產生的摩擦足以消耗該部分基體材料，此即機械磨損的主要方式。

火炮在發(fā)射過程中所產生的裂紋會造成火藥氣體的泄漏，從而加速身管燒燭。通過數值模擬，Andrade[18]等人認為火藥燃氣流泄露會使身管的燒蝕磨損顯著增加。另外，還指出由于燃氣流的泄露導致彈丸膛內運動不穩(wěn)定，增加了炮口的磨損。Lawton和Laird在30 mm火炮和模擬燒蝕裝置上進行試驗，發(fā)現泄露的燃氣流可使膛面瞬時溫度達到熔點，從而加速內膛燒蝕磨損[19]。

當內膛所處環(huán)境不足以導致嚴重的熱燒蝕和化學侵蝕時，機械磨損則成為身管損傷的主要因素[20]?；鹋诘某跏純葟椀肋^程對身管磨損具有重要影響。炮彈裝填時，彈帶和膛面之間的相互作用力使炮膛直徑增大、藥室增長。燃氣驅動彈丸沿身管軸向運動時，彈帶及彈體對陽膛線頂部及導轉側的擠壓和摩擦力致使徑向尺寸擴大[21]。

內彈道流場和內壁裂紋之間的相互作用表現為另一種機械磨損方式。影響這一燒蝕磨損過程的重要因素是裂紋的方位。Conroy[22]等人指出，火藥燃氣可順利流經軸向或與燃氣流同向的裂紋；但當經過徑向或軸向的裂紋時，燃氣產生回流，延長它與內膛的作用時間，導致傳遞到身管上的熱增加，也使化學侵蝕更為嚴重。

2　緩蝕劑作用機理

從身管燒蝕磨損機理的分析中可以看出，不論有無涂鍍層，嚴重燒蝕源于初始裂紋的形成。緩蝕的出發(fā)點首先是要防止裂紋形成，其途徑主要有預防熱沖擊和化學侵蝕。在身管發(fā)射環(huán)境中，傳統(tǒng)緩蝕劑能夠在內膛表面形成冷卻層，將高溫火藥燃氣與身管內膛隔離。其中，無機緩蝕劑還能在身管的內壁附著一層氧化物，該層物質的致密性和低導熱性使得身管在炮彈發(fā)射時能夠較好抵御熱沖擊、化學侵蝕和機械磨損。這些因素共同作用，使身管的燒蝕量下降。目前，常用緩蝕劑主要有TiO2型、滑石粉型和多元型，其緩蝕效果如表1所示[23]，使用方式主要有護膛劑方式和添加劑方式兩類。

表1　緩蝕劑在12.7 mm燒蝕模擬槍上的降燒蝕效果

注：火藥為4/7單基藥；藥溫為常溫。

2.1護膛劑方式緩蝕機理

護膛劑方式即把各種塑料、涂料、石蠟、纖維素、潤滑油、人造纖維、棉紗和絲織品等物質中的一種或者幾種組合在一起，做成片狀放在藥筒內部，吸收發(fā)射藥燃燒時所產生的熱量，自然生成冷氣體保護層，以隔絕發(fā)射藥的高溫氣體，實現對炮膛的保護。早期的緩蝕劑技術，以聚氨酯泡沫襯里和TiO2/wax襯套為典型代表。

Ward[24]等人連續(xù)發(fā)射添加TiO2/wax襯套的炮彈后發(fā)現火炮內膛形成了沉淀層，經分析發(fā)現主要成分是TiO2。為驗證該沉淀層的作用，他們利用脫殼穿甲彈實彈射擊數據，得到身管熱輸入與燒蝕量曲線，證實了該沉淀層的隔熱作用。之后，交替發(fā)射帶緩蝕劑的穿甲彈和用來清除沉淀的破甲彈，發(fā)現相比于連續(xù)發(fā)射帶緩蝕劑的穿甲彈，身管的燒蝕加重，表明連續(xù)射擊帶TiO2/wax型緩蝕襯里炮彈而形成的絕熱沉淀層有緩蝕作用。

2.2添加劑方式緩蝕機理

添加劑方式即把ZnO、ZnS、ZnCO3、Zn3(PO4)2、ZnF2、ZnCrO4、ZnSiO3、AlF3·3H2O，TiO2、Talc等金屬化合物捏合在發(fā)射藥中；或將金屬化合物與蠟的混合物與發(fā)射藥一同裝入炮彈。其主要緩蝕機理類似于護膛劑類型。

納米技術的應用為該類型緩蝕劑開發(fā)提供了一種新思路，其緩蝕機理與傳統(tǒng)緩蝕劑有所不同。陳永才[25]等人將納米添加劑捏合到雙基發(fā)射藥中，采用半密閉爆發(fā)器進行燒蝕試驗，對比某制式發(fā)射藥和含納米材料發(fā)射藥的燒蝕試驗結果，證實了納米材料在抑制燒蝕中的作用。借助電子掃描顯微鏡分析試驗后燒蝕管的形貌圖，發(fā)現發(fā)射納米添加劑發(fā)射藥作用后的燒蝕管內壁金屬表面組織細化，即該型納米添加劑可以抑制金屬銹蝕。

宋遒志[26]等人在制備納米材料緩蝕劑時，發(fā)現用于分散納米材料的有機物對抑制燒蝕具有幫助。認為其抑制燒蝕作用主要是因為有機材料可以減少火藥燃氣中的氧化成分。

Walsh[27]等人研發(fā)出一種以高氮有機物為主體的緩蝕添加劑，他們認為該添加劑的緩蝕作用主要在于營造一個高氮環(huán)境和降低內膛溫度。其中，高氮有機物在內膛環(huán)境下作用，提高火藥燃氣中的氮碳比，干擾滲碳過程。另外，對比制式發(fā)射藥與添加緩蝕劑發(fā)射藥的熱化學參數，發(fā)現高氮有機物在分解時吸收更多熱量。Hirvonen[28]等人使用高氮發(fā)射藥時發(fā)現在發(fā)射過程中的滲氮有降燒蝕的傾向。除了提高硬度外，滲氮可以提高內膛表面材料的熔點。因此，研制新型緩蝕劑時選取或開發(fā)適當的有機輔助劑將具有重要應用價值。

3　結束語

燒蝕磨損是隨身管武器發(fā)展而一直存在的工程實踐難題?；诠P者對身管燒蝕和緩蝕劑緩蝕機理的梳理，可以認為燒蝕磨損是熱作用主導下，熱-機械-化學復合作用的結果，而緩蝕劑具有吸熱、隔熱、抗機械磨損和化學侵蝕的作用，故當它充分發(fā)揮作用時，能有效降低身管燒蝕，提高其使用壽命。在發(fā)射環(huán)境下，為使緩蝕劑能夠在身管內膛形成隔熱層，所選擇的無機材料的熔點不能過低，以確保隔熱層能夠有足夠的作用時間。同時，在希望利用有機物的裂解吸熱形成冷卻層時，要選擇分解產物與身管基體具有較好相容性，比如高氮有機物即是較好的緩蝕劑組分。

從綜合的角度來看，緩蝕劑在其組分上可以考慮采用無機物與有機物的組合形式。通過有機物在身管發(fā)射環(huán)境中熱解吸熱，及其熱解產物對燒蝕的影響抑制燒蝕。再利用無機物與火藥燃氣的反應在身管內壁形成一個致密、低熱導率的涂層，從而延長身管壽命。結合納米材料的研究，可以設計成有機/無機納米雜化材料，在發(fā)射環(huán)境下達到表面修復及緩蝕作用等理想效果。

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Research Status of Gun Barrel Erosion and Inhibitor Mitigation Mechanism

LIN Shaosen, YAN Jun, YU Weibo, LI Hongguang, DU Shiguo

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang050003, Hebei, China)

Serious wear and erosion of barrel has limited the improvement of artillery performance and the extension of service life. In order to extend the life of barrel and increase gun performance, it is necessary to enhance anti-erosion endurance and resistance to attrition of artillery barrel. It summarized the domestic and international research status of wear and erosion mechanism of barrel in terms of thermal damage, chemical corrosion and mechanical wear. It was analyzed that the occurrence and aggravation of wear and erosion was primarily attributed to thermal-chemical-mechanical effects. Based on this, an analysis is made of the mitigation mechanism of the erosion inhibiting agent. The significance of nanometer materials in producing inhibitor is pointed out. And it is also pointed out that inorganic oxide and nitrogenous organic materials could protect gun bore under firing condition. Moreover, prospects in the future are envisioned in the design of inhibitor and provided thought-provoking ideas for the design of new type of inhibitor.

ordnance science and technology；gun barrel；erosion mechanism；inhibitor；mitigation mechanism

2015-05-07

國家自然科學基金(51272284)；軍械工程學院院基金(YJJXM13016)

林少森(1992—)，男，碩士研究生，主要從事兵器科學與技術研究。E-mail：lss_xuqing@163.com

TJ303+.1

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1673-6524(2016)01-0092-05