李大勇,高守臻,羅長宏,袁 君,甘 霖

(1.山東非金屬材料研究所，山東 濟南 250031；2.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003)

本文提出了一種利用摩擦自修復(fù)機理修復(fù)炮膛的材料。該材料能涂敷于彈丸表面或火炮內(nèi)膛表面，利用發(fā)射過程中彈丸和身管產(chǎn)生的摩擦作用，使內(nèi)膛表面與修復(fù)材料產(chǎn)生能量交換和物質(zhì)交換，在摩擦表面形成正機械梯度的金屬陶瓷保護膜，以補償摩擦磨損與腐蝕,從而對火炮內(nèi)膛的損傷進行修復(fù)并延長炮管使用壽命。

1 提高火炮身管壽命的主要措施

燒蝕磨損和疲勞是決定身管壽命的兩大因素，在身管設(shè)計時，必須采取相應(yīng)技術(shù)措施，提高身管壽命[1]。主要技術(shù)措施包括：低爆溫發(fā)射藥、發(fā)射藥內(nèi)添加緩蝕劑、改善彈丸、彈帶結(jié)構(gòu)和材料、加強內(nèi)膛表面處理(鍍鉻等耐蝕、耐磨覆層)以及改進身管材料(高強度)等，使火炮身管壽命得到一定的提高，并滿足一定的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，但還是難以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的要求，且越來越受到未來火炮更高膛壓、更高壽命要求的挑戰(zhàn)[2-4]。

炮膛修復(fù)劑是以摩擦自修復(fù)及燒蝕吸熱機理的身管修復(fù)延壽技術(shù)。某研究所實現(xiàn)了材料制備，隨后在此基礎(chǔ)上完成了修復(fù)材料在大口徑火炮上的應(yīng)用試驗研究，并對其延壽效果進行了評價。

2 炮膛修復(fù)劑制備及試驗

2.1 修復(fù)材料的制備

材料的制備過程包括用于成膜材料的礦物粉末的細化加工及其與載體的混合兩個步驟。礦物粉末的細化主要通過高能研磨及氣相沉積法完成修復(fù)材料亞微米及納米級顆粒制備，修復(fù)材料固體粉末粒徑D50<5 μm(采用激光粒度分析儀測試)，并用自制高速研磨設(shè)備完成超細粉體與分散載體的混合，從而制得修復(fù)材料。

2.2 修復(fù)機理分析

摩擦自修復(fù)大致分為4類[5-8]：第1類是鋪展成膜自修復(fù)，即潤滑介質(zhì)中的添加劑分子與活化的金屬表面發(fā)生物理化學(xué)作用，形成化學(xué)吸附膜或極性添加劑分子直接吸附在摩擦副表面形成物理吸附膜，從而起到抗磨減摩作用。傳統(tǒng)添加劑中含硫、磷、氯、硼等活性元素，因在摩擦副表面形成硫化亞鐵、硫酸亞鐵、有機磷酸鹽、磷酸鹽、氯化鐵、氯化亞鐵和硼的間隙化合物等成膜物而表現(xiàn)出鋪展成膜自修復(fù)功能。第2類是共晶成膜自修復(fù)，即在邊界潤滑條件下，局部摩擦高溫促使?jié)櫥橘|(zhì)中添加劑微粒與磨損微粒形成共晶微球，從而在摩擦副表面形成具有滾動潤滑功能的保護膜，這種膜還可以填充摩擦表面微觀溝谷，改善摩擦表面的密封性能，并降低摩擦阻力，延長壽命。第3類是沉積成膜自修復(fù)，即分散在油品中的固體微粒沉積在摩擦副表面，形成一層具有抗磨減摩作用的保護膜。如潤滑油中加入微米級的二硫化鉬(如MoS2)、石墨及其層間化合物等主要表現(xiàn)為沉積成膜自修復(fù)。具有層狀結(jié)構(gòu)的MoS2、石墨等沉積在摩擦副表面后，由于其層間以范德華力結(jié)合，剪切強度低，表現(xiàn)出低的摩擦系數(shù)，具有良好的減摩性能。在上世紀80年代初，前蘇聯(lián)研制的炮管防護劑中，加入半石墨礦粉(一種硅酸鹽礦物與石墨礦的混合物)，其中部分即是利用了這一機理。第4類是選擇性轉(zhuǎn)移，它是由于摩擦表面上出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，這一過程有助于摩擦表面的相對位移，減少磨損或是對磨損提供自適應(yīng)。其特征是形成保護性膜，這種保護膜有高的點缺陷或空位密度，而無疲勞過程所固有的缺陷積累。

火炮身管燒蝕磨損主要表現(xiàn)為3個方面：金屬間的劇烈摩擦；高溫下的化學(xué)反應(yīng)；金屬內(nèi)膛表面的間接和直接熔化、吹失。筆者研制的修復(fù)材料包含硅酸鹽礦物粉體、納米稀土催化劑和吸熱載體，利用上述第2類摩擦自修復(fù)機理，在金屬表面原位生成金屬陶瓷，填補燒蝕磨損產(chǎn)生的坑槽，通過減少金屬間的摩擦、降低火藥對身管的化學(xué)作用和熱作用來進行身管的熱防護，達到延長身管壽命的目的。

2.3 炮膛修復(fù)劑在大口徑火炮上的應(yīng)用研究

2.3.1 炮膛修復(fù)劑在某型100 mm滑膛炮應(yīng)用試驗

本試驗選用某型100mm滑膛炮，將修復(fù)劑涂覆于彈帶處，發(fā)射7發(fā)彈丸進行修復(fù)，對比發(fā)射前后的內(nèi)膛面變化及膛徑變化。內(nèi)膛表面變化見圖1，從圖像可以看出，修復(fù)劑材料能夠填補龜裂紋并使內(nèi)膛表面平整光滑。

炮膛磨損量檢測結(jié)果如圖2所示(Δdm表示膛徑平均增加值，負值表示膛徑減少；l表示檢測部位距炮口距離)，使用該修復(fù)材料后，產(chǎn)生的修復(fù)層可以使擴張的內(nèi)膛直徑減小，同時修復(fù)層厚度與火炮燒蝕磨損程度有關(guān)，磨損量過分嚴重的部位(膛徑超過102 mm)雖達不到膛徑減小的效果，但也能有效減緩膛徑擴大趨勢。

2.3.2 炮膛修復(fù)劑在某型130 mm線膛炮上應(yīng)用試驗

對某型130 mm線膛炮身管內(nèi)膛進行了修復(fù)試驗，采用兩門炮(1#和2#)進行射擊試驗，考核修復(fù)材料使用前后效果。

2.3.2.1 炮膛磨損量測試

采用光柵測徑儀對修復(fù)前后的身管內(nèi)膛進行了測試，測試數(shù)據(jù)見圖3。

圖3中(a)為不涂覆修復(fù)材料的情況下，2#炮發(fā)射18發(fā)彈后的內(nèi)膛磨損量數(shù)據(jù)。每發(fā)彈丸對內(nèi)膛的平均磨損量約為2～3 μm。圖3中(b)為在1#炮炮膛及彈帶處同時使用修復(fù)劑射擊18發(fā)后，內(nèi)膛成負增長趨勢，說明修復(fù)材料對炮膛內(nèi)壁起到了填補及修復(fù)作用。

修復(fù)材料使用前后膛徑變化趨勢對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 使用修復(fù)材料前后內(nèi)膛變化趨勢對比

由表1可以得出：

1)未使用修復(fù)材料的2#炮，在發(fā)射18發(fā)彈丸后，整體炮管膛徑變化及炮管起始部變化都呈正增長趨勢。

2)使用修復(fù)材料的1#炮，在發(fā)射18發(fā)彈丸后，整體炮管膛徑變化及炮管起始部變化都呈負增長趨勢。

3)2#炮在發(fā)射18發(fā)彈丸，再經(jīng)過10發(fā)彈丸射擊修復(fù)后，平均內(nèi)膛增大0.015mm，起始段內(nèi)徑平均增大0.033 mm，膛徑增長趨勢減緩，以上數(shù)據(jù)說明：

按照本次試驗的修復(fù)劑和使用工藝，2#炮共發(fā)射28發(fā)彈丸(其中有10發(fā)為修復(fù)材料彈丸)，平均每發(fā)彈丸對內(nèi)膛的磨損量為0.5 μm，而不涂覆修復(fù)材料每發(fā)彈丸對內(nèi)膛的磨損量大于2 μm，修復(fù)效果是明顯的。

在進行炮膛修復(fù)后，可以使內(nèi)膛增大的趨勢減緩，修復(fù)后平均膛徑增大量0.015 mm，起始段膛徑增大量0.034 mm。并可計算出：在發(fā)射10發(fā)使用修復(fù)劑彈丸后，平均膛徑增大趨勢減緩69%，起始段膛徑增大趨勢減緩61%。

修復(fù)材料同時涂覆于炮膛內(nèi)壁和彈帶處與單獨涂覆彈帶部位的修復(fù)效果相當(dāng)，說明涂覆于彈帶處完全可以將修復(fù)成分帶入炮膛內(nèi)壁。修復(fù)材料對于磨損較大的炮膛起始段修復(fù)形成的保護層也較厚，可隨炮膛磨損程度進行對應(yīng)填補，在彈帶使用修復(fù)劑的2#炮內(nèi)膛變化規(guī)律與在炮膛及彈帶處均使用修復(fù)劑基本一致，膛徑成負增長趨勢，驗證了修復(fù)材料使用有效性。

2.3.2.2 內(nèi)膛表面狀態(tài)分析

采用火炮膛內(nèi)疵病自動檢測儀對修復(fù)前后的內(nèi)膛表面進行觀測拍照，對比圖像見圖4(5000為距炮口距離，1為拍攝角度)。

由圖4可以看出，根據(jù)內(nèi)膛表面觀測圖像，炮膛使用一定階段以后，表面坑洼不平，特別是炮膛起始部，有很多的燒蝕坑與燒蝕紋存在。修復(fù)材料使用以后，表面的燒蝕坑及燒蝕裂紋得到了填補，阻止了內(nèi)膛進一步擴大。

2.3.3 修復(fù)材料延壽效果分析

彈丸初速下降量與火炮內(nèi)膛徑向磨損量Δd兩者之間是相互聯(lián)系的，它們互為因果。通過內(nèi)膛徑向磨損量Δd這一靜態(tài)檢測量可以反映彈丸初速下降量，從而判別身管是否報廢。按照該方法，通過內(nèi)膛修復(fù)后的變化進行延壽效果分析，計算修復(fù)材料對于內(nèi)膛的貢獻。

根據(jù)Δd(內(nèi)膛變化對火炮壽命影響的評估方法)判定方法，按照起始部位內(nèi)膛減緩速度計算，修復(fù)材料的使用可以起到延長身管壽命的作用。

3 結(jié) 論

1) 修復(fù)材料的主要成分以微納米粉末為主，利用納米自修復(fù)效應(yīng)，在金屬表面形成堅硬的金屬陶瓷層，以達到身管延壽命目的。

2)對大口徑身管的修復(fù)試驗表明：修復(fù)材料劑對炮膛內(nèi)壁起到了填補及修復(fù)作用，該修復(fù)材料對于磨損較大的炮膛起始段修復(fù)形成的保護層也較厚，說明修復(fù)材料可隨炮膛磨損程度進行對應(yīng)填補，對于燒蝕磨損程度大的部位產(chǎn)生的修補層厚度也較大。

3)修復(fù)劑涂覆于炮膛內(nèi)壁和彈帶處與單獨涂覆彈帶部位的修復(fù)效果相當(dāng)。

4)修復(fù)材料的使用可以減緩內(nèi)膛磨損速度，起到延長火炮身管壽命的作用。

本修復(fù)材料以當(dāng)前各類火炮及輕武器身管為應(yīng)用方向，解決身管燒蝕磨損問題，為火炮身管延壽防燒蝕提供了一種新材料和新的技術(shù)途徑，經(jīng)試驗證明該技術(shù)對身管的延壽作用是明顯的。

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