胡 明,唐月陽,趙 云,萬新田,潘夢菲
(1. 沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110159;2. 中國人民解放軍預(yù)備役聯(lián)勤保障第三旅,重慶 400054;3. 黑龍江北方工具有限公司,黑龍江 牡丹江 156013)
艦炮是海軍各類水面艦艇不可或缺的武器系統(tǒng)組成部分,攻防兩端都起關(guān)鍵作用。艦炮長期在海洋鹽霧環(huán)境下服役,其結(jié)構(gòu)與性能受周圍海洋大氣和海水飛濺環(huán)境影響嚴(yán)重[1,2]。特別是作為艦炮核心組成的身管部位,除燒蝕和磨損外,在嚴(yán)苛的海洋腐蝕氣氛作用下還會產(chǎn)生諸如主體結(jié)構(gòu)損傷、彈道性能下降、服役壽命大幅降低等問題,甚者可導(dǎo)致發(fā)射事故。分析艦炮所處服役環(huán)境的特點(diǎn)、降低和減緩艦炮身管腐蝕程度和速率、延長其海洋環(huán)境下服役壽命具有極高的軍事意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3,4]。先前的研究重點(diǎn)多集中在艦炮身管燒蝕和磨損兩方面,王升等[5]采用固相混料方式熔鹽電鍍Ta涂層并研究了其耐燒蝕磨損性能。楊君寶等利用電火花沉積技術(shù)在炮鋼基體表面沉積了NiCrAlY[6]、W - Ni - Fe - Co[7]涂層并研究了其磨損機(jī)理。劉朋科等[8]在不考慮涂層影響的條件下,單純研究了身管材料的燒蝕磨損性能。相反,對身管腐蝕方面開展的研究則較為零散,角度各異且因素單一,未對身管腐蝕問題形成較為完整和系統(tǒng)的認(rèn)知[9]。為更深入和全面地認(rèn)識和理解艦炮身管失效形式,亟需開展腐蝕環(huán)境影響的艦炮身管海洋環(huán)境服役性能研究。研究金屬腐蝕要考慮其所處的特定環(huán)境,及在此特定環(huán)境中的腐蝕過程和機(jī)理,從而才能有針對性地提出相應(yīng)的防護(hù)措施[10]?;诖?,本綜述從艦炮所處海洋環(huán)境、身管內(nèi)膛防護(hù)現(xiàn)狀、身管內(nèi)膛腐蝕機(jī)理3個(gè)方面開展論述,分析艦炮發(fā)射內(nèi)膛環(huán)境和海洋服役環(huán)境的交互作用及交互作用下的內(nèi)膛腐蝕機(jī)理,提出了一種艦炮身管全服役周期腐蝕的研究觀點(diǎn)。建議從發(fā)射過程中的燒蝕和磨損到停射之后的海洋環(huán)境腐蝕,及發(fā)射狀態(tài)對停射狀態(tài)的影響等角度開展艦炮身管的腐蝕研究,正視并重視海洋環(huán)境腐蝕作用對艦炮身管服役壽命的影響[11]。此項(xiàng)工作一方面可為艦炮環(huán)境適應(yīng)性研究提供參考,另一方面可為艦炮設(shè)計(jì)提供些許支撐。
海洋環(huán)境是自然界中腐蝕性最為嚴(yán)酷的外部環(huán)境,對所處其中的艦炮身管金屬材料極不友好。通常將海洋環(huán)境劃分為海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海洋潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)5個(gè)不同區(qū)域。艦炮通常置于艦船甲板位置之上,服役過程中會受到高濕、高溫、高鹽、高風(fēng)的海洋大氣區(qū)環(huán)境影響。與此同時(shí),艦炮隨艦船一同受海浪拍擊而顛簸振動,身管外表面和內(nèi)膛不可避免地會受到海水激起浪花的飛濺作用和海水滯留。對應(yīng)5大海洋環(huán)境區(qū)域不難發(fā)現(xiàn),艦炮身管長期處于海洋大氣區(qū),間歇處于浪花飛濺區(qū)影響之下,持續(xù)遭受鹽霧侵蝕和海水沖擊,極易發(fā)生腐蝕。艦炮身管所處區(qū)域的環(huán)境條件和腐蝕特點(diǎn)如表1所示[12]。
表1 艦炮所處海洋環(huán)境區(qū)域腐蝕特點(diǎn)
在海洋大氣區(qū)域內(nèi),外部環(huán)境影響因素多變且相互作用[13]。艦炮身管在吸收了大量的含鹽水分后,其表面會形成薄薄一層電解液膜,并以此為介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。含鹽水分吸附量主要受環(huán)境相對濕度和溫度影響,濕度越大,吸附量越大,溫度越高,含鹽量越大,電化學(xué)腐蝕反應(yīng)就更易發(fā)生。在浪花飛濺區(qū)域內(nèi),波浪和潮汐交替作用,艦炮身管周期性遭受海水的包圍和拍打,腐蝕程度將大大加深。海水作為一種強(qiáng)腐蝕性電解質(zhì)溶液,含有NaCl在內(nèi)的大量鹽類[14]。這其中,Cl-一直是腐蝕武器裝備的“急先鋒”,對艦炮身管腐蝕破壞性極大。當(dāng)海風(fēng)吹起或海浪激起的鹽霧吸附到艦炮身管內(nèi)膛表面時(shí),半徑小、穿透力強(qiáng)的Cl-擴(kuò)散并穿透艦炮內(nèi)膛表面Cr涂層裂紋和微孔間隙,形成腐蝕源,進(jìn)入并腐蝕炮鋼基體。相關(guān)研究也表明,海水含氧量、溫度、海洋生物等外部因素也會間接影響腐蝕進(jìn)程,但其不應(yīng)作為影響艦炮身管腐蝕行為與機(jī)制的主要因素進(jìn)行考慮[15,16]。
單純認(rèn)為海洋環(huán)境決定了艦炮身管腐蝕趨勢的觀點(diǎn)是不客觀且片面的,艦炮身管內(nèi)膛發(fā)射環(huán)境及停射后內(nèi)膛與海洋環(huán)境的交互作用同樣不可忽視。不同于艦船一般構(gòu)件,艦炮身管發(fā)射時(shí)內(nèi)膛環(huán)境極為嚴(yán)苛。發(fā)射過程中,3 000 K以上、數(shù)百M(fèi)Pa的高溫高壓火藥燃?xì)庖赃_(dá)到甚至超過800~1 400 m/s 的速度沿身管內(nèi)膛軸向前進(jìn),對身管內(nèi)膛表面產(chǎn)生劇烈的熱沖擊和流體沖刷作用。發(fā)射藥燃?xì)鉀_刷作用可使內(nèi)膛材料表面軟化甚至熔化,進(jìn)而開裂和破碎,最終呈微粒狀剝落被燃?xì)獯底摺M瑫r(shí),未完全燃燒的固體發(fā)射藥顆粒及剝落下來的固體金屬微粒隨發(fā)射藥燃?xì)飧咚龠\(yùn)動,同樣會沖刷身管內(nèi)膛表面并產(chǎn)生磨損。高溫高壓的發(fā)射藥燃?xì)膺€會使身管內(nèi)膛表面溫度陡升,涂層發(fā)生龜裂,甚至膨脹變形,而龜裂恰恰是身管內(nèi)膛裂紋分叉伸長的誘因。在火藥燃?xì)庾饔玫耐瑫r(shí),還伴有高速彈帶對身管內(nèi)膛表面的機(jī)械摩擦[17,18]。
將艦炮發(fā)射環(huán)境納入身管腐蝕研究考慮范圍后不難發(fā)現(xiàn),在艦炮射擊間隙和停射冷卻過程中身管溫度勢必較高,此時(shí)與海洋環(huán)境接觸極易發(fā)生高溫氧化和熔鹽熱腐蝕。關(guān)于熱腐蝕,目前普遍認(rèn)可的觀點(diǎn)是硫素和鹵素的化合物在高溫環(huán)境下的反應(yīng)產(chǎn)物對金屬材料的持續(xù)侵蝕過程。按所處環(huán)境溫度,可將熱腐蝕分為高溫?zé)岣g和低溫?zé)岣g2種類型(見圖1)[19-21]。
由圖1可知,高溫?zé)岣g(type 1)一般在 815~980 ℃之間發(fā)生,低溫?zé)岣g(type 2)則通常在560~815 ℃之間發(fā)生,而560~980 ℃恰好處于射擊狀態(tài)下艦炮內(nèi)膛表面溫度的變化區(qū)間內(nèi),從而具備了發(fā)生熱腐蝕的溫度條件。與此同時(shí),無論是發(fā)生高溫?zé)岣g的關(guān)鍵誘因Na2SO4[22],還是發(fā)生低溫?zé)岣g的氣相SO3[23],都可在海洋環(huán)境下富含S的內(nèi)膛氣氛中獲得。SO3可由發(fā)射時(shí)膛內(nèi)殘留物K2SO4經(jīng)高溫?zé)岱纸獾玫絒24]。而作為同時(shí)參與高溫?zé)岣g和低溫?zé)岣g反應(yīng)的Na2SO4,需對其來源進(jìn)行追蹤。
由熱動力學(xué)理論可知,S元素易與NaCl發(fā)生反應(yīng)進(jìn)而生成Na2SO4,具體反應(yīng)式為[25]:
(1)
在液相環(huán)境中發(fā)生的反應(yīng)為:
2NaCl+SO3+H2O=Na2SO4+2HCl
(2)
上式表明在艦炮發(fā)射環(huán)境中已具備了發(fā)生熱腐蝕的反應(yīng)物條件。實(shí)際射擊過程中,內(nèi)膛溫度、環(huán)境濕度、熱力學(xué)條件等不斷變化,2種熱腐蝕類型應(yīng)處于伴隨發(fā)生狀態(tài)。此外,一直被忽略的艦炮身管停射冷卻后無法清理干凈的留膛殘?jiān)鼘ι砉芨g進(jìn)程和機(jī)理的影響也應(yīng)加以考慮。一部分留膛殘?jiān)鼮閴A性火藥殘?jiān)浔旧黼m無腐蝕性,但能夠在內(nèi)膛營造出“差異充氣”的腐蝕環(huán)境而加劇內(nèi)膛表面二相界面間的電化學(xué)腐蝕趨勢。另一部分留膛殘?jiān)鼮榻饘傺趸锖?KNO3等少量無機(jī)鹽,以及線膛火炮彈丸運(yùn)動脫落在身管內(nèi)壁的附著性殘?jiān)?Cu、Zn、KCl 等[26-28]。在包含NaCl和H2O的海洋環(huán)境作用下,上述物質(zhì)將主要以離子形式存在于艦炮身管內(nèi)膛表面,這些離子同樣會對身管內(nèi)膛腐蝕機(jī)制產(chǎn)生不同程度的影響[17]。
考慮海洋環(huán)境和發(fā)射環(huán)境交互作用后,發(fā)現(xiàn)艦炮身管溫升階段發(fā)生的熱腐蝕和冷卻后的留膛殘?jiān)g同樣會影響和改變身管腐蝕速率。以往單純考慮海洋環(huán)境對艦炮腐蝕的影響難免會以偏概全,無法準(zhǔn)確獲取服役艦炮的真實(shí)腐蝕狀況?;诖?,本文作者提出了一種艦炮身管全服役周期腐蝕的研究觀點(diǎn),認(rèn)為不能單因素研究海洋環(huán)境影響,應(yīng)結(jié)合海洋環(huán)境下艦炮身管自身發(fā)射環(huán)境綜合考慮,盡可能全面準(zhǔn)確地獲取身管內(nèi)膛腐蝕狀態(tài)和關(guān)系,并以此為依據(jù)有針對性地設(shè)計(jì)各類艦炮身管腐蝕試驗(yàn)和制定考核評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
艦炮停射后,炮膛擦拭是維護(hù)保養(yǎng)內(nèi)膛的必要環(huán)節(jié),其目的是清除內(nèi)膛火藥殘?jiān)突覡a,并施以潤滑油保護(hù)[29]。根據(jù)艦炮種類、彈藥組分、射擊過程等差異,目前已針對性地開發(fā)出多種擦拭工藝、方法和設(shè)備。常規(guī)內(nèi)膛擦拭手段主要包括機(jī)械物理去除殘?jiān)突瘜W(xué)反應(yīng)去除殘?jiān)C(jī)械物理去除法針對內(nèi)膛固態(tài)殘留物,通過摩擦、沖擊、震動等機(jī)械作用直接清除?;瘜W(xué)反應(yīng)去除法則主要針對內(nèi)膛掛銅等問題,通過各類擦拭劑的化學(xué)反應(yīng)、溶解、滲透等作用解除或降低殘留物與內(nèi)膛表面的粘連,再輔以機(jī)械物理作用清殘留物出內(nèi)膛[30]。目前各類擦拭劑和擦炮設(shè)備雖不斷出現(xiàn),但據(jù)了解我國艦炮擦拭還多采用傳統(tǒng)長桿擦頭進(jìn)行擦拭。之所以如此,是因?yàn)橐环矫嫘滦筒僚谠O(shè)備擦拭效果不佳,另一方面擦拭工藝缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),最終的擦炮質(zhì)量難以保證。擦炮結(jié)束后,艦炮口部加裝的炮口塞一定程度上也能起到封閉內(nèi)膛空間、減緩腐蝕的效果,但也僅限于非戰(zhàn)斗狀態(tài)防護(hù)。
與炮膛擦拭等外部間接防護(hù)手段相比,艦炮身管內(nèi)膛表面涂層防護(hù)是更佳選擇。長久以來,艦炮身管主要通過內(nèi)膛電鍍Cr涂層來進(jìn)行防護(hù)。金屬Cr是一種化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定的銀白色金屬,在大氣中具有很強(qiáng)的鈍化能力,能夠長時(shí)間保持光澤,且兼具高硬度、高電阻率及良好的耐腐蝕性等特點(diǎn),是一種較為理想的內(nèi)膛防護(hù)涂層材料[17]。緊實(shí)致密的Cr涂層能夠有效阻斷腐蝕環(huán)境與身管基體材料的接觸,從物理上屏蔽掉內(nèi)膛腐蝕的可能性。當(dāng)然,這是一種理想情況,實(shí)際使用的電鍍Cr涂層還是暴露出了諸多問題。
首先是固有制備微裂紋逐漸擴(kuò)展成縱向主裂紋問題。在電鍍過程中,在電化學(xué)反應(yīng)和鍍層應(yīng)力共同作用下,鍍層易產(chǎn)生密布微裂紋。制備電鍍Cr涂層過程常伴隨有活性H+的存在,陰極處形成的CrH分解產(chǎn)生H2的同時(shí)形成金屬Cr。六方晶格結(jié)構(gòu)的CrH分解產(chǎn)生體心立方的金屬Cr會造成炮鋼基體難以與體積發(fā)生變化的Cr涂層相適應(yīng),從而在Cr涂層內(nèi)部累積很高的內(nèi)應(yīng)力。電鍍Cr涂層沉積到一定厚度時(shí),裂紋隨之產(chǎn)生以釋放部分內(nèi)應(yīng)力,之后不斷重復(fù)這一過程,直至完成Cr涂層沉積[17]。含有固有制備微裂紋的電鍍Cr涂層表面形貌如圖2所示。
由固有制備微裂紋到縱向主裂紋的不可逆轉(zhuǎn)變是由艦炮發(fā)射過程導(dǎo)致的。在艦炮發(fā)射時(shí),高溫高壓的發(fā)射藥燃?xì)夂团趶棌椡璺磸?fù)燒蝕、沖刷和擠蹭內(nèi)膛表面Cr涂層。Cr涂層固有制備微裂紋在反復(fù)燒蝕、沖刷及交變熱應(yīng)力耦合作用下逐漸擴(kuò)展、延伸至身管基體,最終轉(zhuǎn)化為貫穿型主裂紋[31]。
若認(rèn)為電鍍Cr涂層為海洋環(huán)境腐蝕艦炮內(nèi)膛提供了物理阻斷,那么Cr涂層中貫穿主裂紋的萌生則意味著腐蝕通道的開啟,涂層將無法再有效阻擋腐蝕介質(zhì)侵蝕艦炮身管基體。伴隨射擊過程的持續(xù),交變高溫高壓發(fā)射藥燃?xì)鈱⒀亓鸭y通道源源不斷地進(jìn)入涂層與身管基體交界面,沖擴(kuò)并損傷界面處的Cr涂層和身管基體,進(jìn)而將連續(xù)的Cr涂層切割成若干個(gè)斷續(xù)的“孤島”[33]。當(dāng)“孤島”間缺乏相互支撐和聯(lián)系后,電鍍Cr涂層將進(jìn)入大面積開裂、鼓泡和剝落的失效階段。相比于貫穿裂紋帶來了腐蝕通道,Cr涂層的鼓泡和剝落則相當(dāng)于“門戶大開”,徹底喪失了防護(hù)作用。整個(gè)防腐蝕失效過程的主導(dǎo)因素為嚴(yán)苛的艦炮內(nèi)膛發(fā)射環(huán)境(見圖4)。艦炮服役周期內(nèi),在燒蝕和腐蝕的共同作用下,內(nèi)膛Cr涂層一旦萌生出貫穿性主裂紋,其失效速度將大幅提高,整根艦炮身管服役壽命將大幅降低。
燒蝕和腐蝕是共同影響和決定身管使用壽命的關(guān)鍵因素[35]。單純從腐蝕角度出發(fā)研究內(nèi)膛腐蝕機(jī)理時(shí),可將燒蝕看做影響腐蝕進(jìn)程的一個(gè)因素加以考慮,以此來簡化研究難度,突出研究重點(diǎn)。從艦炮身管全服役周期腐蝕角度出發(fā),按內(nèi)膛Cr涂層狀態(tài)的不同,劃分出涂層未開裂、涂層開裂及剝落和身管基體暴露3個(gè)階段,分別研究其具體的腐蝕機(jī)理。
在此階段,內(nèi)膛Cr涂層可有效阻斷腐蝕介質(zhì)與身管基體的接觸[36]。腐蝕發(fā)生在海洋環(huán)境與Cr涂層之間。此時(shí)的腐蝕因素包括NaCl鹽膜、水蒸氣及發(fā)射后內(nèi)膛的高溫,遵循的是化學(xué)氧化和電化學(xué)腐蝕協(xié)同機(jī)制[37,38]。由于具有連續(xù)致密的Cr2O3保護(hù)膜,艦炮身管在未經(jīng)歷嚴(yán)酷射擊環(huán)境前,即使長時(shí)間處于外部大氣環(huán)境中,也難以產(chǎn)生較為明顯的腐蝕現(xiàn)象。而一旦遭遇NaCl、H2O、O2及內(nèi)膛高溫等多重作用,腐蝕將顯著加劇,發(fā)生一系列的化學(xué)氧化反應(yīng),作用機(jī)理可表示為:
(3)
(4)
2CrCl3+3H2O=Cr2O3+6HCl
(5)
(6)
發(fā)射狀態(tài)下的內(nèi)膛高溫會促進(jìn)NaCl和Cr2O3熔鹽反應(yīng),生成Na2CrO4和HCl。生成的HCl會與Cr反應(yīng)生成易揮發(fā)的CrCl3,揮發(fā)出的CrCl3遇水后會重新生成HCl,從而不斷循環(huán)腐蝕內(nèi)膛的Cr涂層。CrCl3不但能夠加速腐蝕,其易揮發(fā)的特性還會破壞Cr2O3氧化膜,使得氧化膜疏松和富含孔洞。暴露出的Cr也可與NaCl反應(yīng)生成Na2CrO4和HCl,導(dǎo)致腐蝕加劇[39]。
在化學(xué)氧化的基礎(chǔ)上,還應(yīng)加以考慮電化學(xué)腐蝕對整個(gè)腐蝕進(jìn)程的影響?;瘜W(xué)氧化反應(yīng)生成的產(chǎn)物HCl會與內(nèi)膛Cr涂層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),作用機(jī)理可表示為:
(7)
陽極:
Cr-3e=Cr3+
(8)
生成的產(chǎn)物HCl被電化學(xué)反應(yīng)不斷消耗的同時(shí),會促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生來提供更多的HCl,從而間接加速了氧化反應(yīng)的發(fā)生。與化學(xué)氧化反應(yīng)相比,電化學(xué)腐蝕雖占腐蝕總量較低,但其可促進(jìn)化學(xué)氧化反應(yīng)的發(fā)生[40]。還應(yīng)注意到,發(fā)射過程中內(nèi)膛的熱腐蝕環(huán)境因有HCl生成,同樣會加速化學(xué)腐蝕反應(yīng)的發(fā)生[如式(2)所示]。由以上分析可知,對艦炮身管來講,即使不考慮彈丸機(jī)械磨損,在高溫發(fā)射狀態(tài)下的Cr涂層也是難以長久為繼的,破壞程度視發(fā)射狀態(tài)和涂層性能而定。
一旦Cr涂層出現(xiàn)貫穿性主裂紋,其腐蝕和失效機(jī)理將發(fā)生根本性改變。內(nèi)膛Cr涂層將無法再有效阻斷腐蝕介質(zhì)與身管基體的接觸,海洋環(huán)境中的Cl-和O2將率先穿透裂紋,到達(dá)Cr涂層與身管基體的界面結(jié)合處。Cl-和O2分別和身管基體反應(yīng)生成氯化鐵和氧化鐵,從而在界面結(jié)合處形成鐵銹等腐蝕產(chǎn)物。此時(shí),雖Cr涂層表面無腐蝕跡象,實(shí)際上內(nèi)部腐蝕已經(jīng)萌生。隨著腐蝕的持續(xù),身管基體腐蝕范圍不斷擴(kuò)大、且有明顯斷裂趨勢(圖4b)。一旦海洋潮濕環(huán)境透過裂紋在裂紋中充滿腐蝕介質(zhì)時(shí),身管基體和Cr涂層由于腐蝕電位差異,將構(gòu)成腐蝕原電池,進(jìn)而發(fā)生電偶腐蝕[41]。該電偶腐蝕體系中,身管材料炮鋼的腐蝕電位低于Cr涂層,將優(yōu)先腐蝕,某種程度上也增大了身管基體的腐蝕速度。腐蝕產(chǎn)物在Cr涂層下方的累積會產(chǎn)生張應(yīng)力,與發(fā)射時(shí)身管與Cr涂層熱膨脹系數(shù)、彈性模量差異形成的內(nèi)應(yīng)力共同作用,加速Cr涂層的裂紋擴(kuò)展和局部剝落。
值得注意的是,圖5的腐蝕進(jìn)程發(fā)生在身管外表面,即無內(nèi)膛燒蝕和磨損工況伴生。而在真實(shí)的發(fā)射藥燒蝕和彈丸擠蹭作用下,內(nèi)膛腐蝕進(jìn)程要大大加快,極有可能發(fā)生Cr涂層主裂紋擴(kuò)展相交,短時(shí)間即被燒軟蹭掉的現(xiàn)象。
內(nèi)膛Cr涂層大面積剝落后,身管炮鋼基體將直接暴露至海洋腐蝕環(huán)境中。一方面Cl-和O2繼續(xù)腐蝕身管基體,持續(xù)生成氯化鐵和氧化鐵等腐蝕產(chǎn)物。另一方面,前2階段生成的HCl和覆蓋在身管基體表面的水膜共同作用的酸性環(huán)境下,發(fā)生析氫腐蝕[42]。
陰極:
Fe-2e=Fe2+
(9)
陽極:
2H++2e=H2
(10)
當(dāng)艦炮進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)時(shí),內(nèi)膛溫度急劇升高,輔以發(fā)射藥中的硫化物殘留,身管基體表面會發(fā)生S的熱腐蝕;而且身管內(nèi)膛溫度覆蓋高溫?zé)岣g和低溫?zé)岣g溫度區(qū)間,腐蝕機(jī)理極其復(fù)雜[43-47]。能夠確定的是,F(xiàn)e基合金氧化速度較快,通常發(fā)生均勻腐蝕且會生成分層的腐蝕產(chǎn)物。腐蝕產(chǎn)物表層是Fe2O3、里層是富含Cr的氧化物和富含S的硫化物層。隨著熱腐蝕的持續(xù),腐蝕產(chǎn)物層的厚度也隨之增加,其腐蝕機(jī)理可表示為:
艦炮身管基體發(fā)生氧化反應(yīng):
Fe-2e=2Fe2+
(11)
Fe2+=Fe3++e
(12)
擴(kuò)散進(jìn)入的O2和S2O72-發(fā)生還原反應(yīng):
3S2O72-+6e=3SO42-+3SO2+3O2-
(13)
(14)
形成的O2-與Fe3+結(jié)合生成Fe2O3:
2Fe3++3O2-=Fe2O3
(15)
與此同時(shí),暴露的身管基體遇到火藥殘?jiān)任镔|(zhì)同樣會被腐蝕。一種觀點(diǎn)認(rèn)為殘?jiān)拇嬖谠斐蓛?nèi)膛表面局部產(chǎn)生“差異充氣”現(xiàn)象[10,48,49]。附著有火藥殘?jiān)膬?nèi)膛表面部分中心區(qū)域含氧量少,邊緣區(qū)域含氧量多,且它們具有各自的腐蝕電位,易形成氧濃度差電池。
根據(jù)能斯特方程:
(16)
Ozx和Oby分別為殘?jiān)采w中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的氧濃度,其由物質(zhì)濃度除以標(biāo)準(zhǔn)濃度后得到,無物理量單位。Ozx 也有研究認(rèn)為,包括火藥殘?jiān)趦?nèi)的留膛殘?jiān)诤Q蟓h(huán)境中會形成離子化合物,其對內(nèi)膛腐蝕也有一定影響[17]。Cr涂層3個(gè)階段腐蝕機(jī)理各不相同,但都會遭受發(fā)射藥燃?xì)獾臒g和彈丸的擠蹭。也就是說,艦炮內(nèi)膛Cr涂層3個(gè)階段的腐蝕過程和腐蝕產(chǎn)物都受發(fā)射環(huán)境影響。腐蝕產(chǎn)物可能在形成過程中即被燒蝕和沖刷掉,不斷暴露出新的底層身管基體材料而無法完整發(fā)生上述腐蝕過程[50]。具體腐蝕機(jī)理可見圖7。 隨著我國軍事工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,我國各型艦炮性能也得到了大幅提升,但艦炮身管服役壽命與外軍仍有不小差距。不斷加強(qiáng)艦炮身管理論研究,將先前忽視的可能對艦炮身管性能產(chǎn)生影響的因素加以考慮,逐步建立起客觀且全面的艦炮身管失效分析和評價(jià)體系是迫切與亟需的。綜合考慮了內(nèi)膛發(fā)射環(huán)境和海洋環(huán)境交互作用下身管的服役特性,發(fā)現(xiàn)艦炮腐蝕先前未獲得足夠重視,燒蝕和腐蝕處于伴生狀態(tài),相對于短暫和嚴(yán)苛的內(nèi)膛發(fā)射環(huán)境,艦炮身管更要經(jīng)歷漫長而平和的腐蝕環(huán)境的考驗(yàn)。只有抗燒蝕和抗腐蝕等各項(xiàng)性能均衡提升以后,艦炮身管服役壽命才能獲得實(shí)質(zhì)性延長。4 結(jié) 語