美國炮管抗燒蝕涂層工藝技術新進展
2021-03-08 08:01:02
hualin
炮(pao)管(guan)的(de)(de)壽命會受到火炮(pao)發射(she)時(shi)的(de)(de)熱(re)燒蝕(shi)、化學(xue)燒蝕(shi)以(yi)及機械磨(mo)損等多種因(yin)素(su)的(de)(de)影響， 自從第二(er)次世界大戰(zhan)結(jie)束以(yi)來， 炮(pao)鋼的(de)(de)冶(ye)煉技術和炮(pao)管(guan)燒蝕(shi)的(de)(de)影響因(yin)素(su)就一直沒(mei)有什么改(gai)變 。現(xian)代火炮(pao)系統的(de)(de)性能(neng)要求繼續朝著(zhu)高初速(su)、高射(she)速(su)、高膛(tang)壓和遠(yuan)射(she)程的(de)(de)方向(xiang)發展， 為了(le)實現(xian)這(zhe)些(xie)性能(neng)， 必須(xu)要采用高火焰溫度(du)的(de)(de)現(xian)代發射(she)藥(yao)(yao)， 可(ke)是， 這(zhe)些(xie)發射(she)藥(yao)(yao)具有極(ji)高腐(fu)蝕(shi)性， 與常規發射(she)藥(yao)(yao)相比，會加速(su)炮(pao)管(guan)的(de)(de)燒蝕(shi)。
目前(qian)的(de)火(huo)炮系(xi)統(tong)一(yi)般是(shi)采用(yong)電(dian)(dian)沉積鉻(ge)層(ceng)保護炮管內膛。但是(shi)， 電(dian)(dian)鍍(du)鉻(ge)涂層(ceng)存(cun)在許多缺點， 如它(ta)的(de)脆性比較高(gao)， 剪切強度和(he)抗拉強度比較低， 鍍(du)鉻(ge)層(ceng)容易(yi)剝落 ;電(dian)(dian)鍍(du)鉻(ge)工藝中(zhong)的(de)六價鉻(ge)是(shi)一(yi)種致癌物質(zhi)，存(cun)在嚴(yan)重的(de)環(huan)境危害(hai)問題；電(dian)(dian)鍍(du)生(sheng)產設備中(zhong)必須包括污水處理設備， 從而提高(gao)了生(sheng)產成(cheng)本 。因(yin)此， 隨著高(gao)溫發(fa)射藥的(de)發(fa)展(zhan)(zhan)和(he)應用(yong)， 電(dian)(dian)鍍(du)鉻(ge)已經不能(neng)滿足炮管抗燒蝕(shi)的(de)更(geng)高(gao)需求，發(fa)展(zhan)(zhan)綠色的(de)替代(dai)炮管電(dian)(dian)鍍(du)鉻(ge)的(de)各類涂層(ceng)工藝技(ji)術已經成(cheng)為當前(qian)技(ji)術發(fa)展(zhan)(zhan)趨(qu)勢 。
從近年來的(de)發展來看， 美(mei)(mei)(mei)(mei)國(guo)(guo)(guo)在(zai)炮(pao)(pao)管(guan)(guan)抗燒(shao)蝕涂層工藝(yi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)研(yan)究方面(mian)走(zou)在(zai)世界前(qian)列， 開發了一系(xi)(xi)列新型綠色涂層工藝(yi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)， 包括(kuo)美(mei)(mei)(mei)(mei)國(guo)(guo)(guo)陸(lu)軍(jun)貝尼特試驗(yan)室的(de)柱(zhu)面(mian)磁(ci)控(kong)濺射(she)工藝(yi) 、美(mei)(mei)(mei)(mei)國(guo)(guo)(guo) T P L 公(gong)司的(de)爆(bao)炸(zha)包敷(fu)(fu)焊接技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)、美(mei)(mei)(mei)(mei)國(guo)(guo)(guo)橡樹嶺國(guo)(guo)(guo)家試驗(yan)室（ O RN L ） 的(de)大功率等離子弧光涂敷(fu)(fu)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)、美(mei)(mei)(mei)(mei)國(guo)(guo)(guo)新澤西技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)研(yan)究所(suo)的(de)化學汽相沉積涂層技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)以及美(mei)(mei)(mei)(mei)國(guo)(guo)(guo) A lameda 應(ying)(ying)用科(ke)技(ji)(ji)公(gong)司的(de)同(tong)軸高(gao)能沉積（ CED） 涂層技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)等 。其中， 柱(zhu)面(mian)磁(ci)控(kong)濺射(she)工藝(yi)和爆(bao)炸(zha)包敷(fu)(fu)焊接技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)具有顯著(zhu)的(de)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)優勢， 應(ying)(ying)用前(qian)景比(bi)(bi)較樂觀， 是(shi)美(mei)(mei)(mei)(mei)國(guo)(guo)(guo)軍(jun)方目前(qian)比(bi)(bi)較看好的(de) 2 項技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)， 已列入(ru)美(mei)(mei)(mei)(mei)國(guo)(guo)(guo)陸(lu)軍(jun)制造技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)（ M an-tech） 計(ji)劃(hua)和小企(qi)業創新（ SBIR） 計(ji)劃(hua)， 以支持這 2 項技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)在(zai)艾布拉姆斯(si)坦克 120 mm 加農炮(pao)(pao)身管(guan)(guan) 、未(wei)來戰斗(dou)系(xi)(xi)統中車載作戰系(xi)(xi)統（ FCS M CS） 加農炮(pao)(pao)身管(guan)(guan) 、M2 布拉德(de)利戰車的(de) 25 mm M 242 叢(cong)林之王(wang)加農炮(pao)(pao)身管(guan)(guan)的(de)應(ying)(ying)用研(yan)究 。
1 柱面磁控濺(jian)射沉積鉭涂層工藝
美(mei)國陸(lu)軍貝(bei)尼特試驗室的(de)柱面磁控濺射鉭涂層工(gong)(gong)藝(yi)屬于物理汽相沉積工(gong)(gong)藝(yi)， 能用(yong)于沉積各種(zhong)難熔(rong)金屬材料， 不(bu)存(cun)在電鍍(du)鉻(ge)工(gong)(gong)藝(yi)的(de)廢(fei)水處理等問題， 是(shi)一種(zhong)綠色工(gong)(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)。鉭涂層比鉻(ge)涂層材料的(de)韌性和抗熱沖擊性能都(dou)較好， 熔(rong)點比鉻(ge)高， 是(shi)一種(zhong)理想的(de)抗燒(shao)蝕材料， 針(zhen)對目前炮管采用(yong)鍍(du)鉻(ge)技(ji)術(shu)的(de)污染和壽命(ming)不(bu)足問題， 貝(bei)尼特試驗室提出了用(yong)柱面磁控濺射鉭工(gong)(gong)藝(yi)作為替代技(ji)術(shu)， 提高炮管壽命(ming)的(de)預期目標(biao)， 見表1 。
表1 柱面磁控(kong)濺射鉭工藝替代傳統鍍鉻(ge)技術
提(ti)高炮(pao)管壽(shou)命的預(yu)期(qi)目標(biao)
1 .1 柱面磁控(kong)濺射工藝(yi)基本概念和(he)原理(li)
濺(jian)射(she)沉(chen)(chen)積(ji)(ji)技術是(shi)用(yong)荷能粒(li)子(zi)(zi)轟擊某一(yi)(yi)靶(ba)材(cai)（ 陰極） , 使靶(ba)材(cai)表層原子(zi)(zi)以(yi)一(yi)(yi)定的(de)能量逸出， 然后在(zai)基材(cai)表面沉(chen)(chen)積(ji)(ji)成(cheng)膜的(de)技術。例如(ru)， 在(zai)圖 1 的(de)軸向電(dian)流柱面濺(jian)射(she)系統(tong)結(jie)構中， 對(dui)炮(pao)(pao)管(guan)(guan)(guan)基體(ti)(ti)加正電(dian)壓， 在(zai)中心(xin)(xin)陰極銅管(guan)(guan)(guan)流過(guo) 1 000 ～ 2 000 A 電(dian)流， 產生(sheng)柱面方位磁場， 它與徑向電(dian)場相(xiang)互作(zuo)用(yong)， 使惰性氣體(ti)(ti)離(li)子(zi)(zi)化為(wei)等(deng)離(li)子(zi)(zi)體(ti)(ti)， 產生(sheng)濺(jian)射(she)作(zuo)用(yong)， 鉭靶(ba)材(cai)在(zai)中心(xin)(xin)陰極銅管(guan)(guan)(guan)上滑動， 就可(ke)以(yi)完成(cheng)鉭涂(tu)(tu)層的(de)濺(jian)射(she)沉(chen)(chen)積(ji)(ji)。涂(tu)(tu)層沉(chen)(chen)積(ji)(ji)前(qian)必(bi)須對(dui)靶(ba)材(cai)和(he)炮(pao)(pao)鋼基體(ti)(ti)進行濺(jian)射(she)凈(jing)化清(qing)理(li)(li)， 以(yi)保(bao)證涂(tu)(tu)層的(de)附(fu)著性和(he)質量 。在(zai)清(qing)理(li)(li)靶(ba)材(cai)時(shi)， 要在(zai)濺(jian)射(she)系統(tong)中插(cha)入一(yi)(yi)個(ge)較(jiao)大(da)直(zhi)徑的(de)銅套管(guan)(guan)(guan)， 它對(dui)基體(ti)(ti)起著防(fang)護罩的(de)作(zuo)用(yong)， 對(dui)靶(ba)材(cai)起著收集清(qing)理(li)(li)掉(diao)雜(za)質的(de)作(zuo)用(yong) 。在(zai)清(qing)理(li)(li)基體(ti)(ti)時(shi)， 要用(yong)一(yi)(yi)個(ge)較(jiao)小直(zhi)徑的(de)銅套管(guan)(guan)(guan)（ 可(ke)滑動） 收集從基體(ti)(ti)上清(qing)理(li)(li)掉(diao)的(de)雜(za)質。
1 .2 柱(zhu)面磁控濺(jian)射工藝的關鍵影(ying)響(xiang)因素
磁(ci)控(kong)濺射系(xi)(xi)(xi)統(tong)中(zhong)等(deng)(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)(li)子體(ti)密(mi)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)均(jun)勻(yun)(yun)性(xing)(xing)是(shi)(shi)濺射沉(chen)積(ji)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)均(jun)勻(yun)(yun)性(xing)(xing)和(he)(he)附(fu)著(zhu)(zhu)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)關鍵環(huan)節 。但(dan)是(shi)(shi)， 由(you)于在(zai)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)向(xiang)電流產生的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)位(wei)磁(ci)場中(zhong)， 等(deng)(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)(li)子密(mi)度(du)(du)(du)(du)往往集中(zhong)在(zai)炮管(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)端(duan)，這就導致(zhi)了(le)(le)在(zai)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)向(xiang)和(he)(he)圓周方(fang)向(xiang)上的(de)(de)(de)(de)(de)均(jun)鍍能(neng)力降低。同(tong)時， 由(you)于等(deng)(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)(li)子體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)密(mi)度(du)(du)(du)(du)沿軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)向(xiang)方(fang)向(xiang)是(shi)(shi)變(bian)(bian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)， 不(bu)(bu)能(neng)使(shi)內膛表(biao)(biao)面和(he)(he)靶材表(biao)(biao)面得到均(jun)勻(yun)(yun)的(de)(de)(de)(de)(de)侵蝕(shi)凈化(hua)清(qing)理(li)， 這也(ye)直接影(ying)響后續濺射沉(chen)積(ji)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)附(fu)著(zhu)(zhu)力，所以(yi)(yi)改進(jin)磁(ci)控(kong)濺射系(xi)(xi)(xi)統(tong)等(deng)(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)(li)子體(ti)密(mi)度(du)(du)(du)(du)分(fen)布均(jun)勻(yun)(yun)性(xing)(xing)就成為(wei)關鍵技術 。貝尼(ni)特(te)試(shi)驗(yan)室(shi)解決的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法是(shi)(shi)沿著(zhu)(zhu)濺射靶材軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)向(xiang)方(fang)向(xiang)設計(ji)了(le)(le)一(yi)系(xi)(xi)(xi)列可以(yi)(yi)擺動的(de)(de)(de)(de)(de)等(deng)(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)(li)子環(huan)， 改進(jin)離(li)(li)子化(hua)效率 。具(ju)體(ti)措施是(shi)(shi)在(zai)柱面磁(ci)控(kong)系(xi)(xi)(xi)統(tong)內部中(zhong)心銅管(guan)上安裝了(le)(le)一(yi)系(xi)(xi)(xi)列均(jun)勻(yun)(yun)間隔的(de)(de)(de)(de)(de)永久(jiu)磁(ci)鐵， 在(zai)磁(ci)鐵和(he)(he)徑向(xiang)電場之間的(de)(de)(de)(de)(de)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)向(xiang)磁(ci)場分(fen)量產生一(yi)系(xi)(xi)(xi)列與中(zhong)心靶同(tong)心的(de)(de)(de)(de)(de)寬約 25 mm 的(de)(de)(de)(de)(de)等(deng)(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)(li)子體(ti)環(huan)，而且通過(guo)激(ji)勵器可以(yi)(yi)使(shi)等(deng)(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)(li)子體(ti)環(huan)產生振(zhen)蕩(dang)， 因此(ci)克服(fu)了(le)(le)不(bu)(bu)均(jun)勻(yun)(yun)侵蝕(shi)清(qing)理(li)和(he)(he)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)均(jun)勻(yun)(yun)性(xing)(xing)問題(ti)。采用這種系(xi)(xi)(xi)統(tong)已經(jing)成功沉(chen)積(ji)了(le)(le) 70 ～ 160 μm 厚的(de)(de)(de)(de)(de)鉭(tan)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)， 厚度(du)(du)(du)(du)變(bian)(bian)化(hua)在(zai) 10 μm 以(yi)(yi)內（ 改進(jin)前厚度(du)(du)(du)(du)變(bian)(bian)化(hua)超過(guo) 60 μm） , 涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)厚度(du)(du)(du)(du)均(jun)勻(yun)(yun)性(xing)(xing)和(he)(he)附(fu)著(zhu)(zhu)性(xing)(xing)明顯得到改善(shan) 。此(ci)外， 濺射沉(chen)積(ji)鉭(tan)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)結構(gou)(gou)也(ye)是(shi)(shi)影(ying)響涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)均(jun)勻(yun)(yun)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)關鍵因素。濺射沉(chen)積(ji)鉭(tan)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)會出現(xian)(xian) 2 種不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)結構(gou)(gou)， 即 α相(xiang)(xiang)(xiang)鉭(tan)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)和(he)(he)β 相(xiang)(xiang)(xiang)鉭(tan)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)， 其中(zhong) α相(xiang)(xiang)(xiang)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)具(ju)有比較理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)顯微組(zu)織和(he)(he)顯微硬度(du)(du)(du)(du)等(deng)(deng)(deng)(deng)(deng)性(xing)(xing)能(neng) （ 努氏(shi)(shi)硬度(du)(du)(du)(du) 270, 與電鍍鉻(ge)硬度(du)(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)當(dang)） , 而 β 相(xiang)(xiang)(xiang)鉭(tan)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)性(xing)(xing)能(neng)較差(cha)， 硬度(du)(du)(du)(du)高（ 努氏(shi)(shi)硬度(du)(du)(du)(du) 1 100） , 脆(cui)性(xing)(xing)大。用貝尼(ni)特(te)試(shi)驗(yan)室(shi)開發的(de)(de)(de)(de)(de)激(ji)光脈沖加熱技術測定(ding) 2 種相(xiang)(xiang)(xiang)結構(gou)(gou)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)， 模擬(ni)火炮發射環(huan)境的(de)(de)(de)(de)(de)作用， 結果表(biao)(biao)明， α相(xiang)(xiang)(xiang)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)完(wan)好無損， 而β 相(xiang)(xiang)(xiang)鉭(tan)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)出現(xian)(xian)開裂(lie) 。研究發現(xian)(xian)，合理(li)控(kong)制工(gong)藝(yi)參數(shu)是(shi)(shi)關鍵環(huan)節，在(zai)不(bu)(bu)同(tong)濺射氣體(ti)、壓力和(he)(he)炮鋼基體(ti)溫度(du)(du)(du)(du)等(deng)(deng)(deng)(deng)(deng)工(gong)藝(yi)參數(shu)條件下， 可以(yi)(yi)獲得性(xing)(xing)能(neng)截然(ran)不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)鉭(tan)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)相(xiang)(xiang)(xiang)結構(gou)(gou)。
1 .3 應用研究(jiu)進展情(qing)況
美國(guo)陸(lu)軍貝尼特(te)試(shi)(shi)驗室的(de)炮(pao)(pao)管(guan)涂層技(ji)術項(xiang)目涉及 7 個(ge)不同(tong)計劃， 從 1998 ～ 2005 財年投入(ru)總經費約 3 000 多萬美元(yuan) 。目前(qian)， 20 m m M 61A 1 炮(pao)(pao)管(guan)內(nei)膛(tang)(tang)已獲(huo)得 100 % α相鉭涂層， 其炮(pao)(pao)管(guan)壽命在 150 發/分鐘(zhong)的(de)條件下， 達到(dao) 1 500 發， 很少能測量(liang)到(dao)磨損， 性(xing)能優于鍍鉻(ge)層。此外， 還成功完成了 M242“ 叢林王”和(he)(he) 45 m m Casius 炮(pao)(pao)管(guan)的(de)全(quan)膛(tang)(tang)磁(ci)控濺射(she)(she)(she)沉積鍍鉭，并經過了射(she)(she)(she)擊試(shi)(shi)驗 。同(tong)時(shi)， 在華特(te)弗(fu)利特(te)兵工廠(chang)建(jian)造了用于 120 m m 、155 mm 、105 mm 濺射(she)(she)(she)全(quan)長(chang)度大(da)口徑(jing)炮(pao)(pao)管(guan)的(de)試(shi)(shi)生產柱面(mian)磁(ci)控濺射(she)(she)(she)沉積工藝(yi)平(ping)臺， 用于“ 艾布(bu)拉姆斯” 、“ 十字軍” 和(he)(he)未來(lai)作戰系統(tong)等大(da)口徑(jing)炮(pao)(pao)管(guan)的(de)磁(ci)控濺射(she)(she)(she)全(quan)膛(tang)(tang)鍍鉭， 在 2005 年壽命射(she)(she)(she)擊試(shi)(shi)驗成功后， 該(gai)技(ji)術將進(jin)入(ru)炮(pao)(pao)管(guan)的(de)批生產計劃 。此外，美國(guo)海軍也有(you)興趣(qu)在先進(jin)火炮(pao)(pao)系統(tong)項(xiang)目中采用這種技(ji)術。
2 爆炸包敷焊接(jie)技術
爆(bao)(bao)(bao)炸(zha)包敷(fu)焊(han)接(jie)(jie)技(ji)術(shu)(shu)是一種(zhong)利用(yong)爆(bao)(bao)(bao)炸(zha)沖擊波焊(han)接(jie)(jie)金(jin)屬的(de)(de)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)(shu)， 在工(gong)業界已(yi)經應用(yong)了(le) 40 年(nian)， 能夠連接(jie)(jie)任何(he)相異的(de)(de)金(jin)屬， 現已(yi)廣(guang)泛用(yong)于(yu)宇航、軍工(gong)、化工(gong)等(deng)行業。例如：宇宙火(huo)(huo)箭(jian)上各種(zhong)形狀的(de)(de)大(da)型鋁制(zhi)(zhi)艙壁、壓力容器(qi)上的(de)(de)圓(yuan)蓋、鍋(guo)爐的(de)(de)頂(ding)板(ban)、熱交換器(qi)中(zhong)的(de)(de)凸狀通風(feng)板(ban)以(yi)及鋁制(zhi)(zhi)大(da)型反射(she)器(qi)等(deng)， 都采用(yong)了(le)爆(bao)(bao)(bao)炸(zha)包敷(fu)焊(han)接(jie)(jie)技(ji)術(shu)(shu)。2004 年(nian)，美國(guo)(guo)海(hai)軍選擇爆(bao)(bao)(bao)炸(zha)包敷(fu)焊(han)接(jie)(jie)技(ji)術(shu)(shu)用(yong)作(zuo)先進火(huo)(huo)炮系(xi)(xi)(xi)統（ A GS ） 項目(mu)炮管(guan)的(de)(de)抗燒蝕(shi)涂層工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)(shu) 。2005 年(nian)， 美國(guo)(guo)陸軍將(jiang)爆(bao)(bao)(bao)炸(zha)包覆工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)(shu)列(lie)入 Mantech 制(zhi)(zhi)造技(ji)術(shu)(shu)計(ji)劃(hua)， 以(yi)支持美國(guo)(guo)T P L 公司爆(bao)(bao)(bao)炸(zha)包敷(fu)焊(han)接(jie)(jie)技(ji)術(shu)(shu)用(yong)于(yu) 25/ 30 mm 和 76 m m 海(hai)軍火(huo)(huo)炮系(xi)(xi)(xi)統并(bing)作(zuo)為(wei)用(yong)于(yu) 155 mm 海(hai)軍 A G S系(xi)(xi)(xi)統的(de)(de)侯選方案， 并(bing)計(ji)劃(hua)應用(yong)在未來(lai)戰斗系(xi)(xi)(xi)統的(de)(de)中(zhong)口徑加農炮（ Mk44 30/ 40m m） 身(shen)管(guan)的(de)(de)制(zhi)(zhi)造中(zhong)。
2 .1 爆炸包敷(fu)焊接(jie)技術基本原理(li)及技術特點
爆炸包(bao)(bao)敷(fu)焊(han)(han)接(jie)(jie)工藝是隨著焊(han)(han)接(jie)(jie)物的形(xing)狀(zhuang) 、尺寸(cun)及材料的性(xing)質而有所不同(tong)的， 但包(bao)(bao)敷(fu)焊(han)(han)接(jie)(jie)原理基本一(yi)致（ 如(ru)圖(tu) 2） , 以平板(ban)(ban)(ban)包(bao)(bao)敷(fu)焊(han)(han)接(jie)(jie)為例， 在(zai)爆炸前， 飛(fei)板(ban)(ban)(ban)與基板(ban)(ban)(ban)之間(jian)有一(yi)個預置(zhi)角(jiao)， 炸藥引爆后， 以恒定的速度 Vd （ 一(yi)般為 1 500 ～ 3 500 m/ s） 爆轟(hong)， 使飛(fei)板(ban)(ban)(ban)產(chan)生變形(xing)并與基板(ban)(ban)(ban)產(chan)生高(gao)速斜碰(peng)撞(zhuang)， 速度可達 200 ～500 m／s, 在(zai) 撞(zhuang)擊(ji)點 處會產(chan) 生一(yi)種射(she)流(liu)， 正(zheng)是依(yi)靠這種射(she)流(liu)，才能 得到良(liang) 好的焊(han)(han)接(jie)(jie)質量， 此(ci)時沖擊(ji)角(jiao) β 保(bao)持在(zai) 7°～ 25°之間(jian)。
圖 2 爆炸包敷(fu)焊接工藝(yi)原理
炮管涂層(ceng)的(de)爆炸包敷(fu)(fu)焊接工藝(yi)(yi)是將管狀(zhuang)的(de)包敷(fu)(fu)層(ceng)材料(liao)， 借助(zhu)炸藥驅動， 實現與炮管內膛的(de)結合。該工藝(yi)(yi)通過(guo)控制炸藥爆轟能(neng)量(liang)， 迫使涂層(ceng)材料(liao)包敷(fu)(fu)在炮管基(ji)體(ti)材料(liao)上， 通過(guo)在高壓下引(yin)起大量(liang)塑性應變(bian)，形成冶(ye)金(jin)結合。因此，與常(chang)規鍍鉻(ge)和物理及化學汽相沉積等技術相比， 爆炸包敷(fu)(fu)焊接技術有如下優(you)點 。
1） 工(gong)藝效率高(gao)， 進行(xing)爆(bao)炸包(bao)敷焊接的工(gong)藝持續時間僅為(wei)幾秒， 而相比(bi)之下， 其(qi)它(ta)技術(shu)的典型沉積速(su)率是每小時 0 .025 4 mm 厚度。
2） 將(jiang)難熔金(jin)屬如(ru)鉭涂層通過爆(bao)炸包敷焊接(jie)到中(zhong)、大(da)口(kou)徑炮管內膛表面， 不存在鍍鉻(ge)工(gong)藝中(zhong)出(chu)現(xian)的氫(qing)脆(cui)問(wen)(wen)題和致(zhi)癌(ai)問(wen)(wen)題， 不會出(chu)現(xian)由此造(zao)成的炮管破壞(huai)和環境污染問(wen)(wen)題。
3） 不需要重(zhong)點考慮表(biao)面(mian)準備的(de)問題， 因為在包(bao)敷工藝中， 包(bao)層和基體(ti)材料表(biao)面(mian)會(hui)(hui)形成等離(li)子(zi)體(ti)， 而等離(li)子(zi)體(ti)會(hui)(hui)迫使壓垮前沿(yan)向前運動， 會(hui)(hui)起到擦洗 2個表(biao)面(mian)的(de)作用， 其后面(mian)都(dou)是純(chun)凈(jing)的(de)材料， 無氧(yang)化物(wu)或(huo)碎片， 有利于獲得最理想(xiang)的(de)結(jie)合。
4） 壽命(ming)發射試驗(yan)已經證明(ming)了(le)爆炸包敷焊接技術能顯著提高炮管壽命(ming)， 如美國陸軍 M 242 炮管經爆炸包敷焊接金屬涂層后， 比標準“ 叢林王”炮管壽命(ming)最少提高 6 倍 。
5） 爆炸包(bao)敷焊(han)接(jie)技(ji)術是一(yi)種固態(tai)冷焊(han)接(jie)工藝(yi)，能(neng)夠使難(nan)熔金屬涂(tu)層和基體連接(jie)而(er)不損失連接(jie)前的(de)性能(neng)， 實現冶金結合(he)， 能(neng)承受內(nei)彈道力和火炮反復 、快速發射的(de)惡劣化學(xue)和熱環(huan)境(jing) 。
2 .2 在炮管中(zhong)的(de)應用研究進展情況
從(cong) 2001 年開始， 美國陸軍和海軍就開始了爆炸(zha)包敷(fu)焊接技術在中(zhong)口徑和大口徑火炮身管的應(ying)用研究工作。
2 .2 .1 中口徑炮管(guan)
2001 年， 根據美國陸(lu)軍爆(bao)炸(zha)包(bao)敷(fu)焊(han)接技術對 2個叢林 王 M242 炮(pao)管(guan)(guan)(guan)包(bao)敷(fu)了 純(chun)鉭(tan)涂層， 并采 用 XM 919/ 616W 尾(wei)翼(yi)穩定脫殼穿甲彈(dan)進(jin)行了發(fa)射(she)試(shi)驗(yan)(yan)。陸(lu)軍選擇(ze)的(de)試(shi)驗(yan)(yan)炮(pao)管(guan)(guan)(guan)結(jie)(jie)(jie)構(gou)包(bao)括(kuo)滑(hua)膛(tang)(tang)炮(pao)管(guan)(guan)(guan)和(he)在鉭(tan)中切削無纏角(jiao)膛(tang)(tang)線(xian)(xian)結(jie)(jie)(jie)構(gou)炮(pao)管(guan)(guan)(guan)。T P L 公司的(de)炮(pao)管(guan)(guan)(guan)滑(hua)膛(tang)(tang)結(jie)(jie)(jie)構(gou)爆(bao)炸(zha)包(bao)敷(fu)鉭(tan)在發(fa)射(she) 1 385 發(fa)以后仍(reng)可使用，線(xian)(xian)膛(tang)(tang)結(jie)(jie)(jie)構(gou)包(bao)敷(fu)鉭(tan)在發(fa)射(she)了 600 發(fa)后仍(reng)可以使用 。說明爆(bao)炸(zha)包(bao)敷(fu)焊(han)接鉭(tan)涂層炮(pao)管(guan)(guan)(guan)的(de)熱-化學機械強度與常規炮(pao)管(guan)(guan)(guan)相比有(you)顯著提(ti)高(gao)。但是， 對有(you)膛(tang)(tang)線(xian)(xian)結(jie)(jie)(jie)構(gou)的(de)炮(pao)管(guan)(guan)(guan)試(shi)驗(yan)(yan)結(jie)(jie)(jie)果(guo)及其分(fen)析結(jie)(jie)(jie)果(guo)表(biao)明， 純(chun)鉭(tan)太軟，以至(zhi)于不能承受施加(jia)在線(xian)(xian)膛(tang)(tang)炮(pao)陽線(xian)(xian)和(he)陰(yin)線(xian)(xian)上的(de)力， 需要進(jin)一步研究(jiu)鉭(tan)鎢合金（ 含 W 質量分(fen)數(shu)為 5 %～ 10 %）以及鎢鉻鈷(gu)合金的(de)可行性。
2 .2 .2 大口徑炮管
美國 T P L 公司已經證(zheng)實了(le)能夠在 120 m m 炮管(guan)中分別爆炸包敷焊接(jie) T a-2.5W 合(he)金(jin)和純鉭， 厚度達到(dao)0 .69 m m 和1 .6 m m 。2003 年， BAE系(xi)統進(jin)(jin)行了(le)一項篩選(xuan)(xuan)試(shi)(shi)驗(yan)， 選(xuan)(xuan)擇和開發(fa)最(zui)有前(qian)(qian)景的難熔材料(liao)技(ji)(ji)術， 作(zuo)為(wei)先進(jin)(jin)的內膛表面(mian)涂(tu)層(ceng)， 用于海軍(jun) 155 mm A G S 項目(mu)。篩選(xuan)(xuan)試(shi)(shi)驗(yan)采用 BA E 系(xi)統專用的 45 mm試(shi)(shi)驗(yan)裝置，將鍍(du)鉻(ge)涂(tu)層(ceng)技(ji)(ji)術與其它(ta) 6 種綠色涂(tu)層(ceng)技(ji)(ji)術進(jin)(jin)行對(dui)比(bi) 。其中， 美國 T P L 公司的爆炸包敷焊接(jie)技(ji)(ji)術被選(xuan)(xuan)中進(jin)(jin)入 AG S 項目(mu) 。目(mu)前(qian)(qian)， 試(shi)(shi)驗(yan)已經從 45 mm模擬發(fa)射裝置轉移到(dao)了(le)全尺寸原型火炮試(shi)(shi)驗(yan)，包括(kuo)陸軍(jun) M242（ 25 m m） 、陸軍(jun) M k44（ 30 mm ） 和海軍(jun) M k75（ 76 m m） 炮管(guan)， 2006 年進(jin)(jin)行最(zui)終壽命試(shi)(shi)驗(yan)，2007 年初(chu)在海軍(jun) 155 m m 炮中進(jin)(jin)行應用開發(fa)研究，進(jin)(jin)行爆炸包敷層(ceng)壽命試(shi)(shi)驗(yan)并與目(mu)前(qian)(qian)的鍍(du)鉻(ge)技(ji)(ji)術結果進(jin)(jin)行對(dui)比(bi)。
目前(qian)(qian)， 美(mei)(mei)國陸軍(jun)制造技(ji)術(shu)計劃(hua)（ M anTech） 已經投(tou)資， 支持美(mei)(mei)國 T P L 公司(si)(si)爆(bao)炸(zha)(zha)包(bao)(bao)敷(fu)焊接(jie)(jie)(jie)技(ji)術(shu)用(yong)于 25/ 30 mm 和 76 m m 海(hai)軍(jun)火炮系(xi)統(tong)并作為用(yong)于 155 m m 海(hai)軍(jun) A G S 系(xi)統(tong)的(de)侯(hou)選方案(an)。P EO -IWS 已經投(tou)資研(yan)究爆(bao)炸(zha)(zha)包(bao)(bao)敷(fu)焊接(jie)(jie)(jie)與大口(kou)徑海(hai)炮（ 155 m m） 中(zhong)殘余應力關系(xi)。戰略(lve)環(huan)境研(yan)究發展計劃(hua)也投(tou)資， 驗證爆(bao)炸(zha)(zha)包(bao)(bao)敷(fu)焊接(jie)(jie)(jie)技(ji)術(shu)與目前(qian)(qian)鍍鉻(ge)方法相比的(de)優點。美(mei)(mei)國 T P L 公司(si)(si)爆(bao)炸(zha)(zha)包(bao)(bao)敷(fu)焊接(jie)(jie)(jie)技(ji)術(shu)的(de)優勢已經證實了其在美(mei)(mei)國陸軍(jun)和海(hai)軍(jun)中(zhong) 、大口(kou)徑火炮系(xi)統(tong)中(zhong)的(de)應用(yong)前(qian)(qian)景(jing)， 明顯能(neng)夠向 57 m m 海(hai)岸警(jing)衛， 155 m m 海(hai)軍(jun)和 120 mm 坦克炮擴展。
3 其它(ta)涂層工藝技術
美(mei)國研究的(de)其它替代炮(pao)管電鍍(du)鉻的(de)涂(tu)層(ceng)(ceng)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)有(you)同軸(zhou)高能(neng)(neng)(neng)沉(chen)積（ CED） 鉭涂(tu)層(ceng)(ceng)技(ji)術(shu)、大功率等(deng)(deng)離(li)(li)子(zi)弧光涂(tu)敷技(ji)術(shu)和(he)化學汽(qi)相(xiang)沉(chen)積涂(tu)層(ceng)(ceng)技(ji)術(shu)等(deng)(deng)。CED （ Coaxi al Energe tic Depo sitio n） 工(gong)藝(yi)是(shi)美(mei)國 A lameda 應(ying)用科(ke)技(ji)公司開發的(de)， 目前還不(bu)成(cheng)熟，沒能(neng)(neng)(neng)通過(guo)美(mei)國海軍 A G S 項目炮(pao)管抗燒蝕涂(tu)層(ceng)(ceng)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)的(de)第一(yi)(yi)輪篩選 。CED 工(gong)藝(yi)原理見圖(tu) 3 。CED 工(gong)藝(yi)裝置中的(de)陰極(ji)是(shi)涂(tu)層(ceng)(ceng)材料的(de)來(lai)源(yuan)， 與作(zuo)陽(yang)極(ji)的(de)炮(pao)管同軸(zhou)， 外(wai)部有(you)激(ji)勵線圈施加(jia)軸(zhou)向(xiang)磁場(chang)， 在陰極(ji)、陽(yang)極(ji)之(zhi)間(jian)可燃弧，能(neng)(neng)(neng)將材料從陰極(ji)傳遞到陽(yang)極(ji)炮(pao)管內壁上， 在低(di)壓(ya)真(zhen)空(kong)狀態下(xia)產(chan)生涂(tu)層(ceng)(ceng)沉(chen)積。該工(gong)藝(yi)沉(chen)積離(li)(li)子(zi)的(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)非常(chang)高， 超過(guo) 20 eV （ 而化學汽(qi)相(xiang)沉(chen)積 、電鍍(du)和(he)濺射等(deng)(deng)工(gong)藝(yi)都(dou)低(di)于(yu)(yu) 1 eV ） , 因(yin)此有(you)助于(yu)(yu)獲得更好的(de)涂(tu)層(ceng)(ceng)， 是(shi)一(yi)(yi)種有(you)前景(jing)的(de)炮(pao)管涂(tu)層(ceng)(ceng)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)。
圖(tu) 3 CED 工藝原理
目前， 美國 A lameda 應用科技(ji)公司(si)已經在線(xian)膛(tang)和(he)滑膛(tang) 4340 鋼炮管(guan)試樣(yang)上， 沉積了 T a10 %W 和(he) α鉭涂(tu)層(ceng)(ceng)， 厚(hou)度(du)達(da)到 25 μm, 但是發(fa)射(she)壽命(ming)試驗結果表(biao)明涂(tu)層(ceng)(ceng)完全脫(tuo)離(li)了基體(ti) 。因(yin)此， 工(gong)藝設(she)備的不斷完善和(he)改造將(jiang)成為該技(ji)術成功的關鍵環節(jie)， 涂(tu)層(ceng)(ceng)性(xing)能 、工(gong)藝效率(lv)和(he)成本(ben)還(huan)有待進一步觀察 。
2005 年， 美國新澤西技(ji)術研究所針對中口(kou)(kou)徑炮(pao)管的(de)(de)抗燒(shao)蝕(shi)問(wen)(wen)題(ti)， 提出(chu)化學汽(qi)相沉(chen)積(ji)工(gong)藝制備高質量鉭涂層技(ji)術， 為(wei)解決中口(kou)(kou)徑炮(pao)管的(de)(de)耐磨損(sun)和(he)燒(shao)蝕(shi)防(fang)護問(wen)(wen)題(ti)提供了一種可選擇的(de)(de)技(ji)術途徑 。已(yi)經(jing)列入了美國防(fang)污染項目計劃， 預期 2008 年完成(cheng) 。但是(shi)，該技(ji)術目前處于(yu)探(tan)索階段， 很多問(wen)(wen)題(ti)并沒有明確， 尤其是(shi)在化學汽(qi)相沉(chen)積(ji)涂層的(de)(de)抗燒(shao)蝕(shi)性(xing)(xing)， 工(gong)藝性(xing)(xing)， 涂層組織結構， 附著性(xing)(xing)，工(gong)藝效率以及工(gong)程化應(ying)用的(de)(de)可行(xing)性(xing)(xing)等方(fang)面， 還需要繼續觀望。
最近， 美(mei)國橡樹嶺(ling)國家試驗室（ O RN L） 提出， 要采用大功率等(deng)離子弧光(guang)設備， 在(zai)炮(pao)管(guan)內(nei)膛(tang)涂(tu)敷(fu)冶金結合的(de)難熔(rong)金屬涂(tu)層， 解決炮(pao)管(guan)燒蝕問(wen)題。美(mei)國陸軍則表示在(zai)通(tong)過樣品(pin)試驗后(hou)， 將(jiang)投資給予研(yan)究(jiu)支持(chi) 。
ORNL 紅外加工中心研制(zhi)的這(zhe)種等離子弧燈，設備功率(lv)高達 300 000 W, 能(neng)產生高強(qiang)度紅外能(neng)量，直(zhi)接照(zhao)射到難熔金屬(shu) 、粉末涂(tu)層(ceng)上(shang)， 在炮管(guan)鋼內膛獲(huo)得冶(ye)金結(jie)合(he)的涂(tu)層(ceng)， 有(you)效提(ti)高炮管(guan)抗疲勞和抗燒蝕性能(neng)， 有(you)效延長(chang)其(qi)使用(yong)壽(shou)命。
ORNL 首 選 的(de)炮 管難 熔 金屬 涂(tu)(tu) 層材 料 是(shi)Mo41Re, 目前(qian)(qian)已經進(jin)行了模擬(ni)熱(re)循環試驗， 表明具有較好的(de)抗熱(re)沖(chong)擊(ji)和抗燒蝕能力。但(dan)該(gai)技術目前(qian)(qian)還不成(cheng)熟(shu)， 存在許多尚待解決和研究的(de)問題(ti)， 如前(qian)(qian)道涂(tu)(tu)敷工藝、熔敷處理(li)、是(shi)否需要再加(jia)工，冶金結合界面性能及影響(xiang)等。
4 結(jie)語
理想(xiang)的(de)炮管抗燒蝕涂層(ceng)技術除了(le)應采用高(gao)熔點涂層(ceng)材料之(zhi)外、更(geng)重要的(de)是應發展具有冶(ye)金結(jie)合 、足夠厚度(du) 、均(jun)勻涂層(ceng) 、并且是綠色(se)、高(gao)效(xiao) 、低(di)成本的(de)工(gong)藝(yi)技術。在上(shang)述研究的(de)幾種涂層(ceng)工(gong)藝(yi)中， 柱面磁(ci)(ci)控濺射(she)鉭工(gong)藝(yi)技術已經進入工(gong)程化階段，應用前景比較(jiao)樂觀， 但(dan)磁(ci)(ci)控濺射(she)設備比較(jiao)復雜， 需要投資較(jiao)高(gao)， 經濟可承受性是其廣泛應用的(de)主要問題(ti) 。
爆炸包敷焊接技(ji)術(shu)(shu)已經在工業(ye)界應用(yong)(yong)(yong)了 40 年(nian)，近幾年(nian)美國陸軍(jun)的(de)發射(she)試驗(yan)也證明該(gai)技(ji)術(shu)(shu)在炮(pao)管(guan)(guan)中的(de)應用(yong)(yong)(yong)是可(ke)行(xing)的(de)。該(gai)技(ji)術(shu)(shu)工藝效率高， 無(wu)環境污染(ran)，能顯著(zhu)提高炮(pao)管(guan)(guan)壽命， 是很有前途的(de)炮(pao)管(guan)(guan)抗燒蝕涂層技(ji)術(shu)(shu) 。我國在爆炸包敷焊接技(ji)術(shu)(shu)方面也有多年(nian)的(de)研究(jiu)和應用(yong)(yong)(yong)基礎， 建議我國重(zhong)點(dian)開展(zhan)該(gai)技(ji)術(shu)(shu)在炮(pao)管(guan)(guan)抗燒蝕涂層方面的(de)應用(yong)(yong)(yong)研究(jiu) 。
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作(zuo)者簡介：郭瑞萍(ping)（ 1968-） , 女， 副(fu)研究(jiu)員， 主要從(cong)事兵器材料與工藝技術咨詢及研究(jiu)工作(zuo)。