羅天放，陳榮剛，吳　斌

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院 四系， 合肥　230031)

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭要求火炮必須具備更大威力、更大射速、更短發(fā)射間隔，但這無疑使身管更容易燒蝕、磨損以及疲勞，其壽命將會(huì)大大縮短甚至過早報(bào)廢，極大影響作戰(zhàn)能力。而在火炮身管中，坡膛是燒蝕、磨損最嚴(yán)重的部位[1]，因此對身管坡膛部位延壽格外重要。

本文介紹了坡膛部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、破壞機(jī)理以及兩種常見延壽措施，采用對坡膛進(jìn)行等離子淬火的方法使身管延壽，而且在火炮使用一段時(shí)間后仍可以二次強(qiáng)化。并通過有限元仿真模擬了該過程，探究了該方法使身管延壽的優(yōu)勢及可行性。

1　坡膛的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

坡膛是連接藥室和膛線的部分，并把藥室的徑向尺寸通過坡膛錐度逐漸過渡到膛線的直徑尺寸[2]。其形狀類似圓臺(tái)，材料與所連接的身管材料相同，圖1為坡膛結(jié)構(gòu)簡圖。錐度為膛線直徑與藥室直徑的差與坡膛長度之比，有的火炮將坡膛設(shè)計(jì)成一個(gè)錐度或兩個(gè)錐度，不過當(dāng)火炮達(dá)到一定射彈發(fā)數(shù)后，由于內(nèi)膛的燒蝕和磨損，兩個(gè)錐度最終將會(huì)變成一個(gè)錐度[3]。

由于彈帶和坡膛相同徑向尺寸相接處，使彈丸在坡膛內(nèi)定位并處于待發(fā)射狀態(tài)。當(dāng)彈丸發(fā)射以后，坡膛會(huì)受到高溫、高壓、高速的火藥燃?xì)獾臒g與沖擊，內(nèi)壁反復(fù)承受熱冷循環(huán)與應(yīng)力循環(huán)作用并產(chǎn)生交變應(yīng)力，使坡膛材料疲勞，從而出現(xiàn)大量網(wǎng)狀裂紋使坡膛表面蓬松。坡膛表面蓬松處會(huì)受到下一發(fā)炮彈的彈帶的沖擊，隨著射彈發(fā)數(shù)的增加，坡膛蓬松處會(huì)被逐漸刮掉，變得光亮(圖2為燒蝕后的身管內(nèi)膛照片)，也促使彈丸定位點(diǎn)與陽線起始點(diǎn)提前，降低彈丸與坡膛的結(jié)合強(qiáng)度，降低彈丸初速與威力；并且坡膛強(qiáng)度與硬度下降，影響身管安全?；鹋谏砉苤衅绿攀菬g、磨損最嚴(yán)重的部位，會(huì)引起火炮彈道性能和身管壽命的急劇變化[2]。

2　目前坡膛延壽的措施

目前對坡膛延壽的措施主要有兩種：一是改善發(fā)射環(huán)境，如添加緩蝕劑、采用低爆溫火藥等；二是提高身管抗燒蝕的能力，如采用陶瓷身管、身管自緊、身管鍍鉻、激光強(qiáng)化等[1]，國內(nèi)外通用身管延壽手段是鍍鉻，也有激光淬火[4]。

2.1　身管鍍鉻

身管內(nèi)膛鍍鉻是一種利用電解方法沉積形成所需形態(tài)的鍍層的生產(chǎn)工藝。鉻具有優(yōu)良的低摩擦因數(shù)、高硬度、高熔點(diǎn)(1 900 ℃)、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，鍍鉻可以改變內(nèi)膛表面的特性，提高炮管耐介質(zhì)腐蝕性和抗磨損能力。采用鍍鉻方法對身管基體進(jìn)行防護(hù)是身管延壽的主要手段[5-9]。

鉻質(zhì)地硬脆且鍍鉻層中存在固有裂紋，射彈發(fā)數(shù)增多以后高溫高壓的火藥燃?xì)庖约胺磸?fù)熱應(yīng)力會(huì)使隔層中的裂紋徑向擴(kuò)展并延伸到坡膛金屬，坡膛表面受到燒蝕作用形成燒蝕坑，最終在火藥燃?xì)庖约皬椡璧淖饔孟裸t層開裂、剝落。圖3為120 mm口徑鍍鉻身管118發(fā)后的金相圖。雖然目前通過離子體氮(碳)化處理、電火花沉積鍍鉻[10]等技術(shù)可延緩鉻層的開裂，但是鉻層的剝落是一個(gè)不斷破壞且不可逆的過程，在身管使用后無法進(jìn)行二次鍍鉻，傳統(tǒng)的內(nèi)膛表面鍍鉻處理技術(shù)已無法滿足火炮身管的實(shí)際需求。

2.2　激光淬火預(yù)處理

鑒于身管鍍鉻工藝的以上問題，陳光南等[4]提出了激光淬火預(yù)處理基體內(nèi)表面提高鍍鉻身管壽命的新工藝方法。激光淬火預(yù)處理技術(shù)，就是在鍍鉻工序之前先進(jìn)行激光淬火處理，利用激光對基體材料的表面改性優(yōu)勢，在身管基體與鍍鉻層之間的界面間接發(fā)揮作用[12]。經(jīng)初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[13]，激光淬火預(yù)處理基體可以提高鉻層的抗剝落能力。但此方法在火炮壽命周期內(nèi)只能進(jìn)行一起強(qiáng)化，無法對已鍍鉻后的身管進(jìn)行二次激光淬火。文獻(xiàn)[12]發(fā)現(xiàn)先鍍鉻后激光淬火會(huì)使鍍鉻層的硬度大幅度降低，發(fā)生軟化，耐磨性更差，達(dá)不到在身管射擊一定發(fā)數(shù)后再對坡膛進(jìn)行強(qiáng)化的目的。圖4為激光預(yù)處理后的結(jié)構(gòu)示意圖。

3　等離子淬火

3.1　等離子淬火原理

等離子弧表面淬火技術(shù)是一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)，它的熱源為機(jī)械和電磁壓縮產(chǎn)生高能量熱流密度的收縮等離子束，通過掃描金屬表面使金屬工件迅速被加熱，工件表面組職在極短時(shí)間內(nèi)(<100 ms)奧氏體化，然后急速冷卻，使工件表層組織由奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體并細(xì)化，從而提高表層的硬度和耐磨性以及腐蝕性。圖5為等離子弧發(fā)生裝置原理圖。等離子弧是一種高能密度熱源，等離子淬火屬于一種快速淬火，無須冷卻介質(zhì)，僅僅依靠金屬本身的熱傳導(dǎo)完成“自淬火”[15]。美、德、日等國在已將等離子弧表面淬火技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益[16-18]。

3.2　等離子淬火可用于身管延壽的原因

1) 雖然目前無該技術(shù)應(yīng)用于身管內(nèi)膛強(qiáng)化的記載，但已應(yīng)用于武器其他部件的強(qiáng)化中。論文[19]利用等離子弧高溫高能量密度的特點(diǎn)，進(jìn)行了坦克零件表面局部淬火實(shí)驗(yàn)，使零件表面硬度達(dá)到55～65HRC，淬火后零件的變形量很小，減小了后續(xù)加工難度，解決了軍用坦克大型零件局部淬火的難題。并且該論文認(rèn)為該項(xiàng)工藝可以應(yīng)用于各種裝甲車輛零件摩擦副表面的局部強(qiáng)化處理，延長維修周期，降低維修成本，提高軍事裝備的可靠性。

2) 等離子淬火與激光淬火在很多方面都有相似性，比如它們都是利用高能束為熱源進(jìn)行表面淬火處理；其淬硬層都具有較高的硬度；它們的參數(shù)及效果都比較相似相近，都是產(chǎn)生圓形光斑和月牙狀的淬火帶；二者的淬火顯微組織和材料性能也非常相似；都具有熱處理變形小、硬度高 、無污染的優(yōu)點(diǎn)[20]。雖然目前無該技術(shù)應(yīng)用于身管延壽的記載，但如論文[4]所說，激光淬火技術(shù)已應(yīng)用于身管內(nèi)膛強(qiáng)化并取得了不錯(cuò)的效果，用等離子淬火技術(shù)對身管進(jìn)行強(qiáng)化在原理上也完全適用。

3) 身管材料為中碳合金鋼，成分主要為Cr-Ni-Mo-VA四種。雖然未有過對身管進(jìn)行等離子淬火的研究報(bào)道，但早在1984年，美國瓦特伏利特“陸軍軍械研究與發(fā)展中心”就曾發(fā)表過一篇研究報(bào)告，介紹了對炮鋼“奧氏體淬火”及有關(guān)性能的研究工作。采用這種工藝處理過的炮鋼沖擊韌性可提高9.49J，整個(gè)鍛件都成了回火馬氏體組織，極大地增強(qiáng)了使用壽命。我國學(xué)者也進(jìn)行過類似研究工作，論文[21]通過對炮鋼進(jìn)行雙重淬火達(dá)到了在不降低強(qiáng)度的條件下，使炮鋼的切口韌性和斷裂韌性全面提高。由此可見，對炮鋼材料進(jìn)行淬火工藝早已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，因此有理由相信，對身管坡膛進(jìn)行等離子淬火強(qiáng)化能達(dá)到延壽效果。

4) 坡膛形狀與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸套相似，都為管狀部件，其工作條件相似。當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作于爆發(fā)行程時(shí)，氣缸套的“上死點(diǎn)”區(qū)域溫度可達(dá)到幾千度，隨后在吸氣過程時(shí)溫度又降為環(huán)境溫度。由此可見，氣缸套的溫度波動(dòng)范圍為幾千度[22]。而身管坡膛處的溫差范圍也可達(dá)幾千度，這與氣缸套類似；并且氣缸套工作時(shí)將產(chǎn)生大量煙塵，對內(nèi)表面產(chǎn)生沖擊與燒蝕。而坡膛在射擊時(shí)同樣會(huì)收到高溫、高壓火藥氣體的燒蝕與沖擊，這與氣缸套相似。等離子淬火提高氣缸套壽命這一方法已使用多年，有效的提高了氣缸套的使用性能，延長了使用壽命[23]，其可靠性毋庸置疑。因此可以認(rèn)為對身管坡膛進(jìn)行等離子淬火同樣可以延壽。圖6為等離子淬火后氣缸套內(nèi)壁形成的波紋、網(wǎng)格、螺旋痕跡。

3.3　坡膛等離子淬火的仿真模擬

由于等離子淬火過程速度非常快，溫度非常高，很難測出淬火過程中的溫度分布和冷卻速度，因此采用有限元方法模擬坡膛淬火過程成為首選。

3.3.1淬火過程的熱傳導(dǎo)方程

對坡膛進(jìn)行等離子淬火是溫度、組織和應(yīng)力相互耦合的過程，其熱傳導(dǎo)過程數(shù)學(xué)模型較多。本文采用半無限體非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型，考慮相變潛熱的影響，熱傳導(dǎo)偏微方程在直角坐標(biāo)系中為：

(1)

其中：qv為相變潛熱，T為溫度，t為時(shí)間，ρ為材料密度，Cp為定壓比熱，λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

3.3.2淬火過程的熱源模型

1) 根據(jù)文獻(xiàn)[24-26]介紹，等離子弧熱源傳播是一種呈高斯分布的傳播過程，熱源的熱流密度按高斯定律分布在加熱斑點(diǎn)半徑上：

q(r)=qme-kr2

(2)

(3)

其中：q(r)為半徑r處的表面熱流(w/m2)；qm為加熱軸線上的最大熱流密度(w/m2)；k為高斯熱源分布曲線形狀系數(shù)；rH為有效熱源半徑；r為加熱區(qū)某點(diǎn)距離等離子電弧加熱斑點(diǎn)中心的距離。

2) 已知等離子弧加熱工件的總有效功率為：

q=η·U·I

(4)

其中，U為等離子弧電壓；I為等離子弧電流；η為等離子弧有效功率系數(shù)。

3) 由文獻(xiàn)[27]可知，在垂直方向的加熱平面上，q、qm和k的關(guān)系如下式：

(5)

4) 最后聯(lián)立式(3)、式(4)、式(5)，得出高斯熱源加熱軸線上最大熱流密度的計(jì)算公式為：

(6)

3.3.3有限元模型的建立

使用ANSYS軟件，建立坡膛仿真模型。工件長100 mm，外圓直徑290 mm，內(nèi)圓直徑174 mm。為簡化模型，忽略坡膛錐度。由于炮鋼材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%，因此仿真材料選擇45鋼。采用三維熱實(shí)體八節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid70，淬火工藝參數(shù)見表1。建模后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在熱源作用區(qū)域使用較大的網(wǎng)格密度，從而得到精確的數(shù)值。45鋼熱物性參數(shù)，見表2[28]，設(shè)材料的密度不隨溫度變化。由于等離子淬火時(shí)固體導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于氣體，工件與空氣接觸冷卻影響較小，因此邊界條件設(shè)置為絕熱。坡膛等離子淬火仿真模型見圖7。

3.3.4仿真結(jié)果與分析

圖8為t=0.03、0.06、0.12、0.15 s時(shí)工件表面的溫度云圖。從圖8可以看出，加熱后工件溫度迅速升高，熱源中心前方溫度下降較劇烈，熱源中心后方溫度下降較緩慢，熱源附近溫度下降為中等梯度。表面等溫線為半橢圓形，在熱源中心前方密集，后方稀散。熱源移動(dòng)速度越快，等溫線越長。圖中顯示等溫線的范圍不斷擴(kuò)大，最終各點(diǎn)溫度趨于環(huán)境溫度。在表面各節(jié)點(diǎn)溫度值中，熱源中心后方節(jié)點(diǎn)的溫度最高，因?yàn)闊嵩辞胺浇佑|時(shí)的金屬是冷的，熱源中心后方金屬在熱源到來之前已經(jīng)有一定溫度。

噴嘴直徑/mm離子弧電流/A工作電壓/V熱源移動(dòng)速度/(mm·s-1)熱有效功率系數(shù)/%2．5623440．885

表2　坡膛淬火45鋼材料的熱物性參數(shù)(ρ=7 824 kg/m3)

通過時(shí)間歷程后處理器可得到工件上點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線，取節(jié)點(diǎn)5892，節(jié)點(diǎn)4545，繪制兩節(jié)點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線，如圖9所示。根據(jù)此曲線可以看出淬火溫度的傳遞過程和節(jié)點(diǎn)到達(dá)的最高溫度、加熱和冷卻速度等。圖10為節(jié)點(diǎn)5892的溫度變化率。由圖10可知等離子淬火最大溫升速率可達(dá)到1.5×105以上，因此可以在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到淬硬相變溫度以上，形成較大的溫度梯度，隨后快速冷卻，從而實(shí)現(xiàn)自冷淬火，無需淬火介質(zhì)。

圖10還能看出溫度上升的速度大于溫度下降的速度以及該節(jié)點(diǎn)的加熱和冷卻時(shí)間。

通過對坡膛進(jìn)行仿真模擬發(fā)現(xiàn)坡膛模型的溫度可以達(dá)到等離子淬火所達(dá)到的相變溫度，并且冷卻速度與等離子淬火的冷卻速度相似，因此可以認(rèn)為該工藝在原理上是可行的。

3.4　等離子淬火與激光淬火的比較

只要激光光束能照射到的部位均可進(jìn)行激光淬火，所以激光淬火比等離子淬火應(yīng)用范圍更廣，適合各種形面的表面淬火。特別是對一些其他硬化技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)或不能實(shí)現(xiàn)的某些零件的表面強(qiáng)化處理，如槽壁、深孔以及腔筒內(nèi)壁等，且淬火后材料性能好[20]。但是激光淬火存在以下主要缺點(diǎn)：① 激光淬火主要設(shè)備激光發(fā)生器價(jià)格相對較高，設(shè)備昂貴，體積龐大，操作困難，容易損壞，對環(huán)境和條件的要求比較苛刻，無法在條件差的地方進(jìn)行淬火作業(yè)，因此推廣應(yīng)用受到很大的限制；② 激光淬火發(fā)生器發(fā)射出來的光束為點(diǎn)蝕，光束不連續(xù)，工作效率較低；③ 激光淬火之前要表面黑化處理，工藝復(fù)雜。對已使用的火炮身管進(jìn)行二次淬火時(shí)需要將火炮拆卸，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

等離子淬火適合于純平面或圓周面淬火，而身管坡膛為圓周形狀，剛好適用。等離子弧作為僅次于激光的高能量密度的表面處理熱源，其能量密度對于身管坡膛強(qiáng)化完全夠用。等離子淬火裝置簡單，體積小，易操作，具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，且不需要增加工序，可以在野外對身管進(jìn)行二次淬火處理。目前的等離子炬已經(jīng)實(shí)現(xiàn)小型化[29]，可用于直徑較小的身管，拓寬了設(shè)備的使用范圍，對不同型號、不同口徑的火炮身管都可以進(jìn)行淬火處理。

等離子表面淬火，具有效果好、使用方便靈活、設(shè)備投資小、運(yùn)行成本低，工作效率高，對環(huán)境無特殊要求及設(shè)備維護(hù)簡單等優(yōu)勢。由于采用了開關(guān)電源作為電能轉(zhuǎn)換裝置，大大減少了設(shè)備的體積和重量，方便搬運(yùn)，可對一些大型工件、表面形狀特殊的工件或者是對火炮身管的內(nèi)膛這些難以淬火的工件進(jìn)行淬火，減少了加工成本并提高了身管壽命，從經(jīng)濟(jì)角度而言這種設(shè)備比激光淬火設(shè)備更合適。另外，完善的控制系統(tǒng)可使火炮身管淬火過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，產(chǎn)品的質(zhì)量具有更高的可靠性和穩(wěn)定性[30-31]。與激光技術(shù)相比，等離子表面淬火更適合身管延壽。

4　結(jié)論

將離子弧淬火工藝應(yīng)用身管坡膛強(qiáng)化，不但可以延長身管壽命，更重要的是可以在火炮身管已使用一段時(shí)間的情況下對其進(jìn)行二次強(qiáng)化，這對于提高身管表面強(qiáng)度，提高軍事裝備保障能力都有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文僅初步說明該技術(shù)可以用于身管延壽，下一步將進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)與準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)，通過模擬火炮發(fā)射時(shí)的極端狀態(tài)進(jìn)一步驗(yàn)證等離子淬火技術(shù)在身管延壽上的可行性。

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