延寿修复材料在身管武器上的应用研究

魏化震， 高守臻， 李大勇， 马开宝， 王晓立， 罗长宏， 齐风杰， 徐晓媛

(山东非金属材料研究所， 山东 济南 250031)

延寿修复材料在身管武器上的应用研究

魏化震， 高守臻， 李大勇， 马开宝， 王晓立， 罗长宏， 齐风杰， 徐晓媛

(山东非金属材料研究所， 山东 济南 250031)

为了研究延寿修复材料对武器身管的修复延寿效果，开展了延寿修复材料的应用研究。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、能谱仪、烧蚀试验机、摩擦磨损试验机等对延寿修复材料的形貌、相结构、烧蚀性能、腐蚀性能、摩擦磨损性能进行了表征；并利用某型枪、某型滑膛炮进行了实弹射击试验。研究结果表明：修复后，在金属表面附着一层涂层材料，枪管及炮管表面的凹坑、裂纹逐渐被填补，表面渐趋光滑；修复材料使用后能够明显降低枪管温升，且不会对枪的精度产生影响；对于中小口径火炮，修复材料可在一定范围内增大弹丸初速，减小膛径磨损量。

兵器科学与技术； 武器身管； 烧蚀磨损； 修复； 延寿； 膛径磨损量

0 引言

火炮寿命最重要的是身管寿命，身管的使用寿命在很大程度上决定了火炮服役的经济性。而决定身管寿命的主要因素为身管的疲劳寿命和烧蚀磨损寿命。在采用现代高强韧炮钢、炮钢精炼以及自紧技术后，疲劳寿命已得到较好解决。因而，身管烧蚀磨损寿命成为制约火炮经济性进一步提高的关键因素之一。近年来，在金属磨损自修复方面，周平安[1]介绍了自修复材料的技术指标及应用前景，指出自修复材料能够预防并自动修复机件磨损。董伟达[2]对自修复材料机理进行了分析。方建华等[3]系统地综述了自修复类型、种类及修复机理。在火炮身管内膛烧蚀方面，管怀建等[4]和Lawton[5]系统分析了火炮身管内膛热化学烧蚀现象。欧阳青等[6]综述了火炮身管烧蚀磨损问题国内外的研究进展，彭小敏等[7]对钢质火炮的烧蚀磨损及其防护技术的研究进展进行了分析。在火炮寿命预测方面，王平等[8]研究了火炮身管膛线过渡区图像处理技术，李明涛等[9]基于熔化层理论建立了一种寿命预测的新方法。基于以上研究，陈永才等[10]和蒋泽一等[11]综述国内外火炮身管延寿技术的研究进展。李洪广等[12]、梁西瑶等[13]在提高火炮身管烧蚀磨损寿命方面进行了不断地探索研究，系统研究了影响缓蚀剂降烧蚀效果的因素、材料设计原则。林少森等[14]分析了缓蚀剂的作用机理。陈永才等[15]利用半密闭爆发器烧蚀试验法验证了缓蚀剂的降烧蚀作用。虽然缓蚀剂在一定程度上减轻了身管烧蚀磨损问题，但是随着火炮口径的进一步增大，射程进一步提高，以及人们环保意识的增强，该技术已经越来越不能满足新一代火炮的延寿需求，发展新的身管延寿技术成为技术必需。

延寿修复材料是一种由微纳米矿物材料和脂类制成的膏状物，射击前涂覆于弹丸表面或身管内膛表面，在发射瞬间该材料均匀飞散和分布于内膛表面，并在高温高压燃气流和高速摩擦及特种催化剂作用下陶瓷化，填补烧蚀坑槽，在火炮内膛表面形成与金属紧密结合的陶瓷保护膜，对内膛起到修复、保护和延寿的目的。该绿色在线修复延寿技术不影响火炮的勤务处理，是当前身管延寿技术的发展趋势。本文分析了修复材料主要性能，并在某型枪管及某型滑膛炮上进行了应用试验，初步验证了材料的修复延寿效果。

1 试验方法

1.1 试验样品

延寿修复材料，自制；50号钢片，德诺金属钢铁有限公司产；59号黄铜片，广东皓然金属材料有限公司产。

1.2 试验方法

1)涂层表面形貌分析、透射电镜组织与相结构分析。使用日本Hitachi公司产H-8010扫描电子显微镜观察涂层的表面形貌；使用荷兰Philips公司产PV9900能谱仪及日本Hitachi公司产H-800透射电子显微镜进行涂层成分及透射电镜组织及相结构分析。样品制备方法：枪管射击修复试验后，对枪管前端进行解剖，用J0-780数控电火花线切割机床平行涂层表面截取0.2 mm厚试片，用金相砂纸沿基体研磨至0.1 mm，然后置于北京英东伟业科技有限公司产GL-6960型离子减薄仪上由基体向涂层侧单面减薄至穿孔。

2)修复材料腐蚀性能分析。参照石油化工标准SH/T 0331—1992 润滑脂腐蚀试验方法及SH/T 0384—2005弹药保护脂(弹保脂)，以浸入修复材料金属试片表面与修复材料在一定温度下，经一定时间作用后所发生的颜色变化，来确定修复材料对金属的腐蚀性。腐蚀性能测试试样采用磨光的50号钢片与59号黄铜片，垂直浸入室温放置的修复材料中，在(100±2) ℃下留置3 h. 试验完毕，取出金属片，然后用脱脂棉擦拭除去表面修复材料，再用无水乙醇溶液擦拭金属片表面至不粘手，仔细检查。铜片需先行检查，确定无绿色，再用干脱脂棉轻轻擦拭，重新仔细检查。如在铜片上无肉眼可见的绿色、深褐色或钢灰色等斑点，在钢片上不存在褐色或黑色斑点时，即认为合格。

3)修复材料烧蚀性能分析。采用山东非金属材料研究所制的OA型烧蚀试验机进行修复材料的烧蚀试验，在3 000 ℃的高温下烧蚀3 s，观察修复材料表面状态。

4)修复材料摩擦磨损性能分析。利用MG-2000型摩擦磨损试验机，在一定压力下，将修复材料添加到两个摩擦面之间，利用金属表面的高速滑动摩擦作用进行修复效果验证。试验条件为：相对转速200 r/min；压力1 500 N；摩擦时间10 h.

2 材料性能试验

2.1 涂层表面形貌分析、透射电镜与相结构分析

图1为涂层横截面扫描电镜放大400倍表面形貌，由图1可以看出，在金属表面附着一层涂层材料。涂层与钢基体存在明显的结合界面，界面结合致密，经测试，该界面是原子相互扩散而形成的结合，属冶金结合。

图1 涂层横截面扫描电镜形貌(放大400倍)Fig.1 SEM morphology of coating cross section (400×)

图2为涂层主要组分透射电镜组织形貌和电子衍射图，由图2可以看出，涂层的组织状态为颗粒状和块状，将颗粒状和块状组织放大到100 000倍左右观察时，发现在某些区域上均匀分布着粒状纳米晶体，其尺寸在6～12 nm范围内。电子衍射分析结果表明，图2(a)中白色部分为α-SiC，颗粒状和块状组织为正交晶系的Fe2SiO4；图2(c)中粒状纳米晶体为正交晶系的Fe5.36Si0.64O8；图2(b)中涂层内某些区域还存在面心立方结构的Mg0.36Al2.44O4. 火炮发射时，膛内温度在3 000 ℃左右，在有氧的条件下，涂层的主要成分α-SiC、Mg0.36Al2.44O4、Fe5.36Si0.64O8等随弹丸的高速摩擦产生磨损，同时新加入的修复材料在高温、高压及特种催化剂下，在火炮内膛表面生成金属- 陶瓷保护膜。磨损- 修复循环进行，大大减轻了身管内膛烧蚀磨损，延长了身管寿命。

2.2 修复材料腐蚀性能分析

用无水乙醇擦拭金属片表面后，先行仔细检查铜片，铜片表面无绿色，再用干脱脂棉轻轻擦拭，重新仔细检查。由图3可以看出，在铜片上，无肉眼可见的绿色、深褐色或钢灰色等斑点；在钢片上，不存在褐色或黑色斑点，从而证明修复材料无腐蚀性。

图3 金属片腐蚀试验前(左)后(右)图片Fig.3 Metal sheets before (left) and after (right) corrosion

2.3 修复材料烧蚀性能分析

由图4可知，修复材料烧蚀后表面形成一种黑色物质，在烧蚀气流作用下，黑色物质有剥落现象。黑色物质剥落后在气流中心裸露新的修复材料层。修复材料烧蚀后反应产物能够沉积或附着在内膛表面，形成耐烧蚀隔热层，阻碍高温、高速燃气流对膛面的热传导和冲刷作用，并且能够隔离燃气与金属的接触，降低金属温度。从而有效地提高基体的耐高温冲蚀能力、显著降低基体烧蚀磨损速率。

图4 烧蚀后表面状态Fig.4 Post ablation surface images

2.4 修复材料摩擦磨损性能分析

随着摩擦的进行，金属摩擦接触面逐渐有膜状物生成(见图5)，并能有效地降低摩擦系数(见图6)。对其进行表面元素分析可知，摩擦金属表面引入了新的元素，如Mg、Al、Si等。试验过程中修复材料原始无机化合物和反应产物附着在摩擦面上，这些物质具有较低的导热率，大幅度降低摩擦表面温度，减轻摩擦面向内部的热传递。混合粉末分解出的粒子，表面能高，与其他粒子的碰撞几率大，表面吸附作用强，在摩擦过程中，微纳米粉颗粒就容易参与各种物化反应，反应形成稳定的高熔点化合物，从而对摩擦表面起到保护作用。

图5 金属间线摩擦方式Fig.5 Metal line friction

图6 摩擦系数- 时间曲线Fig.6 Fiction coefficient-time

3 修复材料枪管应用效果分析

以某型枪管发射状态的条件进行枪管修复试验，检测该材料在枪管修复中及防烧蚀保护中的作用，确定以改善枪管内表面状态、提高弹丸初速度及精确度为检测方法的试验方案。试验选取两支发射弹丸数基本相似的枪进行试验，一支枪发射50发修复弹，另一支枪发射50发普通弹头，验证了修复材料的修复效果。图7为修复材料使用前后某型枪管内表面图片。图8为枪管温升与磨损(修复)次数关系曲线。

图7 修复前后枪管表面状态对比Fig.7 Comparison of gun surface topographies before and after restoration

由图7可以看出，修复前，枪管内表面存在大小不一的凹坑、裂纹，特别是阳线表面，烧蚀磨损严重。修复后，枪管内表面大小不一的凹坑、裂纹逐渐被填补，表面渐趋光滑，阳线表面修复效果特别突出，大部分表面的凹坑、裂纹被填平，表面又恢复使用前状态的趋势。

图8 枪管温升与磨损(修复)次数关系曲线Fig.8 Relationship between temperature rise and wear (repair) of gun surface

从图8枪管温升与射击发数关系图看出，修复材料使用后能够明显减缓枪管温升，在弹头发射过程中的高温及高速摩擦下，涂覆在弹头表面的修复材料在枪管表面陶瓷化，并紧紧附着在身管内表面。一方面通过陶瓷涂层的隔热作用减少热量向枪管的传递，降低枪管温度；另一方面通过吸热填料在发射高温时分解吸热，减少对枪管的热冲击。

为了验证涂敷该材料对枪管发射精度的影响，采用5支某型新枪进行了涂敷前后的射击精度对比，通过试验验证，该材料不会对枪的精度产生影响，具体精度对比如图9所示。

图9 修复前后的射击精度对比(射程100 m)Fig.9 Accuracies of gun before and after restoration

4 修复材料大口径火炮应用效果分析

采用已发射 250余发炮弹的某型滑膛炮进行了使用修复材料及未使用修复材料对比射击试验，试验共发射150发左右弹丸，射击完成后进行膛径变化量测试。

从图10修复前后内膛表面对比图可以看出，修复前身管内表面存在大小深浅不一的凹坑，部分凹坑连通在一起形成裂纹，身管内表面烧蚀磨损较为严重。修复后，身管内表面存在大小深浅不一的凹坑、裂纹被涂层材料填补，身管内表面渐趋光滑，从图10可以看出，修复材料填补凹坑、裂纹等的修复效果较为明显。

图10 修复前和修复后内膛表面对比Fig.10 Comparison of inner bore surface before and after restoration

图11为发射未使用修复材料及使用修复材料的弹丸的两门火炮膛径磨损量对比。测量位置为炮膛起始部及距炮膛起始部30 mm处。

图11 修复前及修复后的两门火炮膛径磨损量对比Fig.11 Comparison of bore wears of two guns before restoration and after restoration

图11(a)为射击未使用修复材料弹丸的火炮，从图11(a)中可以看出，随着弹丸发射数量增加，火炮膛径磨损量呈增大趋势，经计算，每发炮弹的膛径磨损量为0.002 mm；图11(b)为射击使用修复材料弹丸的火炮，从图11(b)中可以看出，随着修复弹丸发射数量增加，火炮膛径磨损量逐渐减小，经计算，每发炮弹的膛径磨损量减少0.002 mm. 由图11对比效果显示，修复材料具有较好的修复延寿效果。

在测试修复材料修复前后内膛表面状态、膛径磨损量的同时，对弹丸初速度进行了对比测试。图12为射击普通弹丸的a号炮(试验前已射击258发普通弹丸)和射击使用修复材料弹丸的b号炮(试验前已射击278发普通弹丸)火炮初速度的对比。

图12 修复前及修复后的两门火炮初速度对比Fig.12 Comparison of initial velocities of two guns before restoration and after restoration

从图12可以看出，随着射弹发数增加，射击普通弹丸的a号炮弹丸初速度整体呈下降趋势，射击使用修复材料弹丸的b号炮，初速度较射击普通弹丸的a号炮增加15 m/s，初速度在一定范围内呈曲线增长。通过射弹发数基本相当的某型滑膛炮射击使用修复材料弹丸及射击普通弹丸初速度对比发现，对于中小口径火炮，修复材料可在一定范围内增大初速度。而前期试验证明，对于大口径火炮，修复材料只能保持初速度不降低，并不能明显增大初速度。

5 结论

1) 修复后，在金属表面附着一层涂层材料，放大1 000倍时发现，涂层表面有颗粒状和块状组织，涂层与钢基体存在明显的结合界面，界面结合致密。

2) 火炮发射时，膛内温度在3 000 ℃左右，在有氧的条件下，涂层的主要成分α-SiC、Mg0.36Al2.44O4、Fe5.36Si0.64O8等随弹丸的高速摩擦产生磨损，同时新加入的修复材料在高温、高压及特种催化剂下，在火炮内膛表面生成金属- 陶瓷保护膜，磨损- 修复循环进行，大大减少了身管内膛烧蚀磨损，延长了身管寿命。

3) 参照石油化工标准SH/T 0331—1992 润滑脂腐蚀试验方法及SH/T 0384—2005弹药保护脂(弹保脂)进行腐蚀试验后，证明修复材料无腐蚀性。

4) 修复材料烧蚀后表面形成一种黑色物质，在烧蚀气流作用下，黑色物质有剥落现象，黑色物质剥落后在气流中心裸露新的修复材料层。修复材料烧蚀后反应产物能够沉积或附着在内膛表面，形成耐烧蚀隔热层，阻碍高温、高速燃气流对膛面的热传导和冲刷作用，并且能够隔离燃气与金属的接触，降低身管温度。从而有效地提高基体的耐高温冲蚀能力、显著降低基体烧蚀磨损速率。

5) 随摩擦的进行，金属摩擦接触面逐渐有膜状物生成，摩擦金属表面引入了新的元素，如Mg、Al、Si等，可大幅度降低摩擦表面温度，减轻摩擦面向内部的热传递。

6) 修复后，枪管内表面大小不一的凹坑、裂纹逐渐被填补，表面渐趋光滑，阳线表面修复效果特别突出，大部分表面的凹坑、裂纹被填平，表面有恢复使用前状态的趋势。修复材料使用后能够明显降低枪管温升，且不会对枪的精度产生影响。

7) 对于滑膛炮，修复材料填补凹坑、裂纹等的修复效果较为明显，修复材料使用后，火炮膛径磨损量逐渐减小。对于中小口径火炮，修复材料可在一定范围内增大初速度。而前期试验证明，对于大口径火炮，修复材料只能保持初速度不降低，并不能明显增大初速度。

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Applied Research on the Life Prolonged and Restored Materials in Gun Tube Weapon

WEI Hua-zhen, GAO Shou-zhen, LI Da-yong, MA Kai-bao, WANG Xiao-li, LUO Chang-hong, QI Feng-jie, XU Xiao-yuan

(Shandong Institute of Non-metallic Materials, Jinan 250031, Shandong, China)

In order to study the effect of life prolonged and restored materials on gun barrel, the life prolonged and restored materials are studied. The morphology, phase structure, ablative resistance, corrosion resistance, friction and wear properties of the life prolonged and restored materials are characterized by scanning electron microscope (SEM),transmission electron microscope (TEM),energy disperse spectroscope(EDS),ablation test machine and friction wear test machine. The firing tests of gun and smoothbore cannon made of the life prolonged and restored materials were completed. The results show that a layer of coating material is attached to the metal surface after restoring. The barrel surface is filled with pits and cracks, and the surface is smoothed. The restored material can significantly reduce the barrel temperature, which will not affect the accuracy of the gun . For the small caliber gun, the restored material can not only increase the initial velocity, but also reduce the wear of gun barrel.

ordnance science and technology; gun barrel; abrasion; ablation; renovation; prolongation; gun barrel wear

2016-07-12

国家部委预先研究项目(2011年)

魏化震(1963—)，男，研究员。E-mail: weihz53@sina.com

高守臻(1981—)，女，副研究员。E-mail: gaoshouzhen@163.com

TJ306+.1

A

1000-1093(2017)03-0440-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.03.004