火炮身管坡膛等離子淬火延壽

羅天放，陳榮剛，吳　斌

(陸軍炮兵防空兵學院 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，其壽命將會大大縮短甚至過早報廢，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、破壞機理以及兩種常見延壽措施，采用對坡膛進行等離子淬火的方法使身管延壽，而且在火炮使用一段時間后仍可以二次強化。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

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，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)計成一個錐度或兩個錐度，不過當火炮達到一定射彈發(fā)數(shù)后，由于內(nèi)膛的燒蝕和磨損，兩個錐度最終將會變成一個錐度[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)。當彈丸發(fā)射以后，坡膛會受到高溫、高壓、高速的火藥燃氣的燒蝕與沖擊，內(nèi)壁反復承受熱冷循環(huán)與應力循環(huán)作用并產(chǎn)生交變應力，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)，也促使彈丸定位點與陽線起始點提前，降低彈丸與坡膛的結(jié)合強度，降低彈丸初速與威力；并且坡膛強度與硬度下降，影響身管安全?；鹋谏砉苤衅绿攀菬g、磨損最嚴重的部位，會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(1 900 ℃)、耐腐蝕、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，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行防護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氣以及反復熱應力會使隔層中的裂紋徑向擴展并延伸到坡膛金屬，坡膛表面受到燒蝕作用形成燒蝕坑，最終在火藥燃氣以及彈丸的作用下鉻層開裂、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不斷破壞且不可逆的過程，在身管使用后無法進行二次鍍鉻，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際需求。

2.2　激光淬火預處理

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。激光淬火預處理技術(shù)，就是在鍍鉻工序之前先進行激光淬火處理，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)初步實驗結(jié)果表明[13]，激光淬火預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)只能進行一起強化，無法對已鍍鉻后的身管進行二次激光淬火。文獻[12]發(fā)現(xiàn)先鍍鉻后激光淬火會使鍍鉻層的硬度大幅度降低，發(fā)生軟化，耐磨性更差，達不到在身管射擊一定發(fā)數(shù)后再對坡膛進行強化的目的。圖4為激光預處理后的結(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化技術(shù)，它的熱源為機械和電磁壓縮產(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)應用到生產(chǎn)實踐中，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益[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)應用于身管內(nèi)膛強化的記載，但已應用于武器其他部件的強化中。論文[19]利用等離子弧高溫高能量密度的特點，進行了坦克零件表面局部淬火實驗，使零件表面硬度達到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。并且該論文認為該項工藝可以應用于各種裝甲車輛零件摩擦副表面的局部強化處理，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[20]。雖然目前無該技術(shù)應用于身管延壽的記載，但如論文[4]所說，激光淬火技術(shù)已應用于身管內(nèi)膛強化并取得了不錯的效果，用等離子淬火技術(shù)對身管進行強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行等離子淬火的研究報道，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，整個鍛件都成了回火馬氏體組織，極大地增強了使用壽命。我國學者也進行過類似研究工作，論文[21]通過對炮鋼進行雙重淬火達到了在不降低強度的條件下，使炮鋼的切口韌性和斷裂韌性全面提高。由此可見，對炮鋼材料進行淬火工藝早已應用于生產(chǎn)實踐，因此有理由相信，對身管坡膛進行等離子淬火強化能達到延壽效果。

4) 坡膛形狀與汽車發(fā)動機汽缸套相似，都為管狀部件，其工作條件相似。當汽車發(fā)動機工作于爆發(fā)行程時，氣缸套的“上死點”區(qū)域溫度可達到幾千度，隨后在吸氣過程時溫度又降為環(huán)境溫度。由此可見，氣缸套的溫度波動范圍為幾千度[22]。而身管坡膛處的溫差范圍也可達幾千度，這與氣缸套類似；并且氣缸套工作時將產(chǎn)生大量煙塵，對內(nèi)表面產(chǎn)生沖擊與燒蝕。而坡膛在射擊時同樣會收到高溫、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。因此可以認為對身管坡膛進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?？欤瑴囟确浅８?，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淬火過程的熱傳導方程

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

(1)

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

3.3.2淬火過程的熱源模型

1) 根據(jù)文獻[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)某點距離等離子電弧加熱斑點中心的距離。

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[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)量分數(shù)為0.45%，因此仿真材料選擇45鋼。采用三維熱實體八節(jié)點六面體單元Solid70，淬火工藝參數(shù)見表1。建模后進行網(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。由于等離子淬火時固體導熱系數(shù)遠大于氣體，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。熱源移動速度越快，等溫線越長。圖中顯示等溫線的范圍不斷擴大，最終各點溫度趨于環(huán)境溫度。在表面各節(jié)點溫度值中，熱源中心后方節(jié)點的溫度最高，因為熱源前方接觸時的金屬是冷的，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)

通過時間歷程后處理器可得到工件上點的溫度時間曲線，取節(jié)點5892，節(jié)點4545，繪制兩節(jié)點的溫度時間曲線，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)點到達的最高溫度、加熱和冷卻速度等。圖10為節(jié)點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到1.5×105以上，因此可以在非常短的時間內(nèi)達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)點的加熱和冷卻時間。

通過對坡膛進行仿真模擬發(fā)現(xiàn)坡膛模型的溫度可以達到等離子淬火所達到的相變溫度，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行激光淬火，所以激光淬火比等離子淬火應用范圍更廣，適合各種形面的表面淬火。特別是對一些其他硬化技術(shù)難以實現(xiàn)或不能實現(xiàn)的某些零件的表面強化處理，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：① 激光淬火主要設(shè)備激光發(fā)生器價格相對較高，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行淬火作業(yè)，因此推廣應用受到很大的限制；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，工藝復雜。對已使用的火炮身管進行二次淬火時需要將火炮拆卸，顯然是不現(xiàn)實的。

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化完全夠用。等離子淬火裝置簡單，體積小，易操作，具有很強的機動性，且不需要增加工序，可以在野外對身管進行二次淬火處理。目前的等離子炬已經(jīng)實現(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、運行成本低，工作效率高，對環(huán)境無特殊要求及設(shè)備維護簡單等優(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，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行淬火，減少了加工成本并提高了身管壽命，從經(jīng)濟角度而言這種設(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現(xiàn)自動化，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用身管坡膛強化，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間的情況下對其進行二次強化，這對于提高身管表面強度，提高軍事裝備保障能力都有非常重要的現(xiàn)實意義。

本文僅初步說明該技術(shù)可以用于身管延壽，下一步將進行動態(tài)試驗與準靜態(tài)試驗，通過模擬火炮發(fā)射時的極端狀態(tài)進一步驗證等離子淬火技術(shù)在身管延壽上的可行性。

參考文獻：

[1]金志明.槍炮內(nèi)彈道學[M].北京：北京理工大學出版社,2004：310-312.

[2]張喜發(fā),盧興華.火炮燒蝕內(nèi)彈道學[M].北京：國防工業(yè)出版社,2001：1-3.

[3]劉海平,賈長治,趙建新.火炮身管質(zhì)量評估方法探討[J].火炮發(fā)射與控制學報,2008(1):10-14.

[4]陳光南,羅耕星,張坤,等.提高鍍鉻身管壽命的激光強化新方法[J].兵工學報(增刊),2003,24:6-10.

[5]張國祥,陳光南,張坤,等.激光離散預處理基體鍍鉻身管延壽的力學機理研究[J].兵工學報,2006,27(6):978-983.

[6]潘宏俠,郭彥青,周杰.某身管鍍鉻系統(tǒng)自動化改造[J].火炮發(fā)射與控制學報,2010,2:34-38.

[7]楊鳳桿.大口徑火炮身管內(nèi)膛防燒蝕鍍鉻[J].表面技術(shù),1990,19(3),20-24.

[8]郭長城,張國祥.激光淬火基體對身管鍍鉻層界面裂紋形成的影響[J].科技創(chuàng)新導報,2012,20:115-116.

[9]張國祥,陳光南,張坤,等.基體激光淬火對鍍鉻層界面剪切強度的影響[J].中國表面工程,2016,19(6)：25-34.

[10] 郭策安,張健,尚光明,等.炮鋼表面電火花沉積 Cr 涂層的性能研究[J].沈陽理工大學學報,2013,32(2)：76-80.

[11] UNDERWOOD J H,VIGILANTE G N,MULLIGAN C P,et al.Thermo-mechanically Controlled Erosion in Army Cannons:A Review[J].Journal of Pressure Vessel Technology,2006,128(2):168-172.

[12] 李懷學,張坤,陳光南,等.鍍鉻/高能束復合表面處理研究進展[J].材料保護,2007,40(4)：39-41.

[13] 張國祥,張坤,羅耕星,等.激光淬火基體對鉻層主裂紋在基體內(nèi)擴展路徑的影響[J].新技術(shù)新工藝,2006,9:10-12.

[14] 張國祥,李懷學,張坤,等.初始鍍鉻層微裂紋形貌的基體化學腐蝕法研究[J].中國表面工程,2006,19(4)：8-12.

[15] 趙章吉,任保臣.等離子弧表面淬火技術(shù)及其應用[J].機械制造,2008,46(527)：33-34.

[16] DOMBROVSKII Y M,BROVER A V.Treatment of steel by an air-plasma arc with scanning[J].Metal Science Heat Treat,1999,(12)：62-66.

[17] SAAKOV A G,PETROV S V.Plasma surface hardening wheel couples[J].Atvomticheskaya Svarka,1999,(7)：71-72.

[18] 任保臣,李大慶,趙章吉.等離子弧表面淬火技術(shù)及其應用[J].濮陽職業(yè)技術(shù)學院學報,2008,21(3)：5-6.

[19] 李茂銳,張劍,孫英.等離子弧淬火工藝在坦克零件上的應用[J].沈陽工業(yè)大學學報,2003,25(1)：11-13.

[20] 溫宗胤,李寶靈,馮樹強.激光淬火與等離子淬火的比較分析[J].應用激光,2009,29(2):96-99.

[21] 張國瀚,錢劍晨,趙錦云,等.雙重淬火對炮鋼強韌性的影響[J].兵器材料科學與工程,1987(10)：27-33.

[22] 李銀俊,尹華躍,張文靜.等離子淬火提高汽缸套“等耐磨性”的研究[J].制造技術(shù)與機床,2005(11)：30-32.

[23] 崔洪芝,尹華躍.等離子束氣缸套內(nèi)壁硬化處理新技術(shù)[J].金屬熱處理,2000(3)：28-29.

[24] OVCHAROVA S.Numerical determination of heat flow in plasma-arc surface hardening[J].Materials Science Forum,1994,163-165:757-762.

[25] MICHAIL K.Validation of thermal-kinetic-diffusion model for plasma surface hardening of steel[J].Steel Research,1996(6):247-253.

[26] 吳姜瑋.等離子弧表面淬火過程的有限元法分析及實驗研究[D].合肥：中國科學技術(shù)大學,1999.

[27] 武傳松.焊接熱過程與熔池形態(tài)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[28] 金珍.等離子弧表面淬火過程的溫度場數(shù)值模擬[D].合肥：中國科學技術(shù)大學,2011.

[29] 張曉嫻,董燦.金屬材料等離子弧表面淬火裝置[P].中國:CN 202139264 U,2012.02.08.

[30] 楊靜山,劉冰,于光平.等離子淬火系統(tǒng)的研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2011(3)：161-162.

[31] 崔洪芝,高衍生.等離子束淬火技術(shù)及其專用發(fā)生器的研究[J].內(nèi)燃機配件,2001(5)：15-17.