蘇 北，盧旭東

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院， 沈陽 110159)

熱燒蝕成為影響火炮身管壽命的主要因素。國內(nèi)火炮身管用鋼材料主要為Cr-Ni-Mo-V中碳低合金系列鋼[1]。身管內(nèi)膛表面普遍采用電鍍鉻保護(hù)內(nèi)膛，但電鍍鉻涂層存在諸如脆性較高、剪切強度和抗拉強度較低、鍍鉻層容易剝落及對環(huán)境有污染等缺點[2-3]。

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對火炮延壽問題做了大量研究[4-5]。萬軼等[6]利用輝光等離子滲透法制備了滲鉭層，對其燒蝕性能和耐蝕性能的研究表明，滲鉭層能抑制C、N與基體結(jié)合引起的脆化，降低金屬的熔融和氣化作用。Matson等[7]以4340鋼為基體制備的鉭涂層在燒蝕工況下，通過改進(jìn)制備工藝獲得了較厚bcc相的鉭涂層，降低了燒蝕影響。國外引入激光脈沖加熱來研究身管內(nèi)壁的熱降解機(jī)制[8]，包括涂層中的冶金轉(zhuǎn)變、熱沖擊裂紋和鋼基體中的熱損傷和界面退化。

本文利用磁控濺射技術(shù)在鋼基體表面鍍覆Ta-W涂層，在固體激光脈沖照射鋼基體和Ta-W涂層后，分析兩者表面激光燒蝕形貌和熱效應(yīng)，探究Ta-W涂層耐燒蝕機(jī)理。

1 實驗部分

1.1 基體制備

將鋼基體選用線切割法加工成20mm×10mm×4mm樣品，用800#砂紙將樣品進(jìn)行機(jī)械研磨，研磨后用丙酮超聲波清洗，烘干備用。

1.2 涂層制備

使用鉭含量為90%(質(zhì)量百分比，wt%)的鉭鎢合金為濺射靶材。利用QHV-JGP400BⅡ型號的多靶磁控濺射儀，在鋼基體表面濺射厚度約為50 μm的Ta-W涂層。

1.3 激光燒蝕

用Beamtech Nimma-900固體脈沖激光器作為照射光源，對鋼基體和Ta-W涂層進(jìn)行燒蝕實驗。脈沖能量為19.6MJ，波長1064nm，脈寬9ns，樣品垂直固定于距離激光發(fā)射器40cm處。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 原始Ta-W涂層表面形貌

圖1為在鋼基體表面濺射Ta-W涂層的顯微形貌。

圖1 Ta-W涂層表面形貌

由圖1可見，涂層表面結(jié)構(gòu)致密，無明顯裂痕。由于大功率沉積，涂層表面粗糙，因為磁控濺射固有的技術(shù)原因，會在鉭鎢合金表面生長形成形狀大小不一的微量白色顆粒(如圖1中標(biāo)識1所示)。涂層表面經(jīng)EDAX取樣分析，涂層中Ta、W元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值均約為9∶1，分析結(jié)果列于表1。

表1 Ta-W涂層能譜分析

圖2為Ta-W涂層截面形貌。由圖2可見，涂層厚度約50μm，與鋼材基體結(jié)合緊密，無明顯空隙和裂紋；涂層內(nèi)部沒有孔隙和斷痕，涂層晶粒呈柱狀晶生長特征。

圖2 Ta-W涂層截面形貌

2.2 鋼基體和涂層樣品燒蝕形貌

2.2.1涂層樣品燒蝕形貌

圖3是脈沖能量為19.6MJ條件下涂層樣品的燒蝕形貌。

圖3 涂層的激光燒蝕顯微形貌

由圖3可知，經(jīng)脈沖激光照射燒蝕后，涂層表面產(chǎn)生直徑約120μm的燒蝕區(qū)，燒蝕區(qū)邊緣呈不規(guī)則剝落?？梢?，激光照射產(chǎn)生的熱量在極短時間內(nèi)將Ta-W涂層部分燒成熔融狀態(tài)，同時激光的高能量使涂層下方的鋼基體氧化體積增加，基體在燒蝕區(qū)及外延部分發(fā)生形變，對涂層產(chǎn)生由內(nèi)而外的擠壓力，而且涂層在氧化后脆性增加，塑性降低，最終導(dǎo)致燒蝕區(qū)域周圍部分涂層脫落。熔融狀態(tài)的Ta-W涂層，在燒蝕結(jié)束冷凝后，呈現(xiàn)不規(guī)則的螺紋狀分布，在涂層燒蝕區(qū)域邊緣白色結(jié)晶物為穩(wěn)定態(tài)Ta2O5，燒蝕區(qū)域中黑色物質(zhì)主要成分是α-Fe，含有少量Cr、Mo等氧化物。

圖4為19.6MJ脈沖能量下Ta-W涂層形貌，是圖3中A區(qū)域放大后的形貌。圖4中B位于激光照射中心區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)涂層與基體元素相互擴(kuò)散混合。點C、D、E逐漸遠(yuǎn)離中心區(qū)域。在靠近燒蝕的中心區(qū)域，含有少量的元素Mo，靠近燒蝕區(qū)域的邊緣，元素Fe和Ta的含量升高，表明此處涂層被激光燒穿。

圖4 19.6mJ脈沖能量下的涂層顯微形貌

表2是圖4中各點位置元素的含量。

表2 不同燒蝕點位置元素分布 at%

2.2.2鋼基體燒蝕形貌

圖5是鋼基體經(jīng)脈沖能量19.6mJ激光照射后的燒蝕形貌。

圖5可見，由于激光脈沖能量高，使得被照射的鋼基體區(qū)域經(jīng)歷了氣化、熔融和凝固的過程。根據(jù)燒蝕程度的不同，燒蝕區(qū)域分為三層，外層燒蝕區(qū)域直徑約400μm，中間燒蝕區(qū)域直徑約240μm，中心燒蝕區(qū)域直徑約80μm；靠近激光燒蝕的中心區(qū)域，燒蝕程度最為嚴(yán)重，出現(xiàn)燒蝕坑，隨距離燒蝕中心區(qū)越遠(yuǎn)，燒蝕程度逐漸減弱。與圖3涂層燒蝕相比，相同激光照射能量下，鋼基體的燒蝕面積和燒蝕程度明顯較涂層嚴(yán)重。

圖5 鋼基體的激光燒蝕形貌

3 討論

涂層和基體在高能激光脈沖下都經(jīng)歷高溫熔融、氣化、凝固的過程，激光使部分金屬氣化，激光的熱量透過涂層后引起涂層和鋼基體的氧化反應(yīng)。涂層經(jīng)激光照射后，中心區(qū)域溫度極高，遠(yuǎn)超過所有元素沸點，因而在激光照射的極短時間內(nèi)，照射范圍內(nèi)涂層中的Ta、W元素金屬迅速氣化，形成灼熱氣流，高溫熔融狀態(tài)金屬中的元素迅速氧化，形成Ta、W氧化物。經(jīng)激光照射后涂層下方的基體中Fe、Mo、Cr等元素迅速發(fā)生氧化，并貫穿涂層到達(dá)燒蝕區(qū)域的邊緣；其中鋼材基體內(nèi)Mo超過500℃迅速氧化,在生成MoO2之前，中間態(tài)氧化產(chǎn)物為Mo2O3、MoO和Mo3O。鋼材基體內(nèi)Cr在達(dá)到600℃迅速氧化后,生成的Cr2O3與α-Fe形成氧化混合物。W元素氧化生成WO3和WO2，高溫狀態(tài)的WO2在空氣中很快形成WO3(沸點1750℃)，而WO3在850℃時會顯著升華。在圖4中的B、D點處，F(xiàn)e富集，點E處Ta富集，說明在照射范圍外邊緣的金屬全部熔化，呈熔融液體狀。輻照中心溫度超過Fe的沸點(2750℃)，達(dá)到沸點的Fe元素氣化，氣化的Fe迅速膨脹形成由涂層內(nèi)表面向涂層外的熱氣流，推動熔融混合金屬向外流動，熔融狀態(tài)的混合金屬在向外流動的過程中冷卻氧化凝固，形成質(zhì)地堅硬的氧化混合物。而氣態(tài)元素遇冷后迅速凝結(jié)、凝固后下降沉積在涂層表面。在燒蝕區(qū)域外圍，涂層因為相變產(chǎn)生裂紋，裂紋方向沿?zé)g區(qū)域周圍分布，與Cote等[8]研究的155mm和122mm的鍍鉻炮管表面形成的裂紋分布情況具有相似性。有涂層與沒有涂層的鋼基體相比，沖蝕作用未發(fā)生在涂層表面。尤其是涂層內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物的膨脹作用將使部分涂層受應(yīng)力作用剝落。

由于沒有涂層保護(hù)，鋼材燒蝕范圍與涂層相比明顯增大，燒蝕形貌呈現(xiàn)明顯波紋狀向外延展，這是由于Fe具有良好熱傳導(dǎo)效應(yīng)，將照射點的高熱量均勻向四周傳導(dǎo)，呈現(xiàn)溫度梯度，中心溫度最高，逐漸向周圍遞減。涂層和鋼基體的燒蝕區(qū)形狀呈V形，如圖6所示。

圖6 激光燒蝕涂層原理

4 結(jié)論

經(jīng)過照射能量19.6MJ激光照射燒蝕，涂層和鋼基體都經(jīng)歷氣化、熔融和凝固的過程。鋼的熔化機(jī)制為快速侵蝕，Ta-W涂層減弱了激光對涂層的直接熱沖擊，在Ta-W涂層燒蝕區(qū)域中心氧化物為凝固后白色穩(wěn)定的Ta2O5晶體，涂層通過高溫相變吸收了部分輻照能量，縮小了激光燒蝕熔融范圍，說明Ta-W涂層對基體具有一定耐燒蝕保護(hù)作用，但基體及涂層相變引起的體積變化導(dǎo)致基體與涂層間結(jié)合力降低，致涂層部分剝落。