美国陆军利用新材料解决炮管使用寿命的问题

钽的熔点高,耐发射药化学侵蚀,热传导率比较低,延性高,是取代硬铬层的优良防烧蚀磨损材料。根据美国21世纪初制造计划,美国将在2004财年演示溅射镀钽新工艺,力争使大口径火炮镀钽身管的耐烧蚀磨损寿命为镀铬身管的8倍。

三、炮管中的应力自紧是用于大口径火炮制造,在炮膛表面产生有益残余应力的一种独特工艺方法。自紧产生压缩残余应力,从而可以采用壁厚较薄的炮管。因此,这些应力提高抗疲劳性能,降低炮管总重量。压缩残余应力在炮膛表面最大,具有抗应力生成和扩展的作用。在曾采用的自紧方法中(如Hill介绍的方法),残余应力随时间的变化关系是近似的。Hill的方法只计算了闭端压力容器,没有考虑Bauschinger效应。Parker公布的最近工作采用了传统方法,包含了典型开端钢压力容器的Bauschinger效应。Parker和Underwood进一步改进这项工作,包含了在一些不同的候选压力容器钢中的Bauschinger效应。当炮管进行自紧时,炮管内的应力在最初施加自紧载荷时沿O-A-B路线变化,在除去自紧载荷时沿B-C-D-E路线变化。因此,单轴周期族O-A-B-C-D-E初始塑性应变与径向位置的函数确定自紧工艺期间炮钢的等值应力。该值与适宜的平衡曲线、相容性以及边界条件一起,足以计算自紧锁定在炮管中的残余应力。这些计算结果被许多现用炮钢的文件证明,并且与ASME压力容器与管件编码非常一致。炮管中的应力、应变和鲍辛格(Bauschinger)效应的精确数字分析要求有高质量的单轴应力-应变数据以及与这些数据的精确数字匹配。如同Von
Mises和Tresca解决复杂的2D和3D问题一样,这些数据针对屈服标准提供了等值应力输入。通过数字证明,在计算出由于鲍辛格效应与开端压力容器的条件产生的应力损失时,可精确预测自紧压力容器内膛中压缩残余环形应力的损失。四、包缠复合材料提高炮管的性能使加农炮内获得预应力的另外一种方法是,采用外部保护套。包缠外保护套可使炮管材料发生弹性变形,而不是自紧施加的塑性变形,在炮管内产生有益的预压缩应力。针对脆性炮膛材料(例如无任何塑性变形能力的陶瓷),包缠外保护套层是炮膛内获得预应力的唯一方法。外保护套可以是采用收缩装配或者压力装配方法装配到炮膛内衬上的金属圆筒,而另外一种吸引人的技术是,用聚合物基纤维复合材料保护套缠绕炮膛。用复合材料包缠的保护套具有制造比较简单,重量较轻的优点。与钢相比,玻璃/聚合物复合材料在纤维取向方向的强度等同于钢,但是,其密度是钢密度的1/3。碳/聚合物复合材料在纤维取向方向的标称强度比钢高3~4倍,但其密度是钢的1/5。采用缠绕纤维工艺方法可制造典型的复合材料包缠炮管。制造包缠炮管最有效的技术是简单地把纤维直接缠绕在炮膛内衬的外径上。此外,纤维必须以预先规定的角度放置在复合材料层中,以便获得特定炮管设计所需的强度与刚性。为了获得最大的预压缩应力与抗弹强度,多层包缠保护套要求纤维具有主要在环形方向取向的纤维结构。为了获得刚性炮管(即身管抗”横向抖动”变形),需要纤维朝轴向方向取向。典型的包缠保护套具有沿炮管长度发生变化的稳定纤维结构。特拉华大学发展了易于设计复合材料包缠加农炮的炮管设计工具。Benet实验室以及美国陆军军械研究、发展与工程中心的部分单位利用该设计工具,设计了105mm和120mm加农炮,这两种火炮已被制造出来,并进行了试验。为了获得预压缩应力,在纤维缠绕工艺的纤维包缠过程中必须产生与保持大的拉紧等级。美国陆军研究实验室进行了一些研究项目,这些项目利用包缠方法增加纤维的拉紧等级,以便大大增加施加到炮管内衬上的预压缩应力。与采用传统的设备与技术获得的拉紧等级相比,陆军研究实验室的技术经证明增加了4倍的拉紧等级。研究人员进行了广泛的试验研究,以便确定高拉紧包缠工艺的模型,该模型现在已经用于陶瓷炮管,可使其在弹道射击条件下保持结构完整性。五、提高炮管寿命目前,美国武装部队在其大口径直接瞄准武器系统中采用镀铬工艺,使炮膛内表面防热发射药气体以及射击时弹丸机械磨损等苛刻坏境的影响作用。电镀工艺在这些大口径炮膛内沉积铬。该工艺方法通过使电流通过与炮膛接触的电解液镀铬。电镀工艺的主要部分包括炮管、接通电路的阳极、含需沉积的金属铬离子的电解液以及直流电源。炮管与阳极被浸入富铬的电解液中,阳极与电源的正极连接,炮管与电源的负极连接。当电流由零开始增加,到达某一电流指标值时,电镀金属铬开始在身管内膛上进行。镀铬的优点是:将直接在炮管内表面沉积比较厚的铬层;镀铬表面具有高耐磨性能、低摩擦系数、极好的硬度以及优良的耐腐蚀性能。遗憾的是,随着最近武器弹药技术的进步,人们认为电镀铬不能充分防护大口径炮膛。增加初速与射程的要求迫使人们发展先进的发射药配方,它们磨损和烧蚀现在的镀铬炮管,大大减少炮管的寿命。M1A1阿布拉姆斯坦克的主要武器,120mm
M256加农炮演变到采用现系列的120mm炮弹后,大大降低了寿命。最新的候选发射药配方使120mm炮管发射50发炮弹后,就被废弃。通过发射药配方改进,使现在的炮管寿命大约为260发,但仍达不到过去射击400发~500发的寿命。此外,电镀工艺采用的铬酸是危险物质,因为它含被认为是致癌物质的六价铬。华特弗利特兵工厂,即120mm坦克炮的制造工厂因120mm炮管镀铬,每年就要花费巨大的环境治理费用。由于多种原因,电镀铬层不能承受先进的发射药。还值得注意的是,沉积态的电镀铬层在电镀过程中产生大量裂纹。这些裂纹是电镀过程杂质释放气体时使铬层发生体积变化的结果。这种体积变化产生大量拉伸负荷,并且只有在形成微裂纹时才能释放这些拉伸负荷。在火炮射击周期中,出现大量环形应变时就会产生更多的裂纹。这些裂纹是热发射药气体到达钢基体的路径。这些热发射药气体使具有较低熔点的钢转变成碳化物与氧化物,进一步损害附着铬层的”基础”。结果,”损害层”崩落,暴露出更多未被保护的钢基体,加速了烧蚀进程。先进的材料与涂覆技术是充分保护炮膛的一种途径。如果选择另一种涂层材料,该涂层材料必须满足许多要求。它必须具有高于铬的熔点。根据这个要求,人们确定了11种可考虑的难熔金属。此外,涂层材料需具有与钢基体大概相等的弹性模量,以便防止产生裂纹。用这个限定条件进行筛选,留下3种可考虑的难熔金属,即钽、铼与铌。由于成本与反应性的原因,钽是这3种材料中第一被选择的涂层材料。六、新型涂覆工艺除了研究新材料之外,研究人员还投入大量力量发展新的涂覆工艺,以便克服电镀工艺固有的裂纹问题。自紧处理之后,进行热均热处理,有助于”正火”消除自紧产生的应力(使不匹配的热应力减少到最少)。超过自紧后的热均热处理温度,会减少预先产生的有益残余应力,牺牲炮管的强度。所以,任何涂层沉积工艺的处理温度必须低于自紧后的热均热处理温度。这排除了考虑许多沉积技术。绝大多数喷涂技术、化学汽相沉积技术以及激光基技术的处理温度都比该温度高得多。贝内特实验室研究了称作圆筒磁控管溅射的离子基物理汽相沉积工艺,该工艺由于其处理温度低于临界处理温度而被认可。CMS是一种真空涂覆工艺。在实施该工艺时,正气体离子产生,被加速到高速,撞击带负电荷的金属靶源。气体离子的动力以能量形式传递给金属靶的金属原子,使其从金属靶表面被驱逐出或者”溅射出”。需涂覆涂层的基体被设置在被驱逐出的不带电的金属原子的直接路径中,在这些金属原子撞击炮膛表面时,形成涂层薄膜。该工艺可制造具有良好附着性与均匀性的高质量涂层。该工艺的局限性是成本高,有涂层厚度限制,涂覆复杂形状工件时受视线条件限制。溅射是非水溶液、无污染的涂覆工艺,因为设备的真空系统只产生少量残渣,所以,该工艺对健康基本上是有益的。七、爆炸焊接另一种涂覆难熔金属涂层的技术是爆炸焊接,一般称作”包覆”。该技术已经使用了40多年,经证明能够连接结合用其它方法难于粘结或者冶金不相容的不同金属。该工艺方法通过控制炸药爆炸产生的能量,在高压下对基体材料上的涂层材料或包覆层施加压力,产生大量塑性应变,最后形成冶金结合结构。Carpenter和Wittman很好地评论了爆炸焊接工艺,并且确定了产生充分涂层结合的4种边界条件要求,即喷射成形临界角、临界冲击压力、临界流动转变速度以及最大冲击速度。爆炸焊接优于传统的镀铬技术、物理汽相沉积以及化学汽相沉积技术。形成爆炸焊接层的持续时间为若干秒。相反,其它技术的典型沉积速率为0.001英寸厚度/小时。氢脆是电解液镀铬过程中可能发生的一种降解过程,多年来使许多炮管发生了破坏。而爆炸焊接工艺与此无关。与物理汽相沉积与化学汽相沉积不同的是,爆炸焊接的表面准备不是一个重要的考虑因素。爆炸焊接时,在包覆层表面与基体材料表面形成等离子。在碰撞面前施加等离子,可产生擦洗上述两个表面的作用,留出没有不受欢迎的氧化物与残渣的清洁表面,这有益于获得最佳的焊接结合。过去的25年在表征与确定重要的工艺参数方面取得了巨大进展。TPL公司演示了分别在120mm管件中爆炸包覆0.027英寸厚度Ta-2.5W合金和0.063英寸厚度纯钽涂层的能力。此外,TPL公司的研究人员采用该工艺在线膛以及磨光的25mm
M242
Bushmaster炮管中包覆了纯钽涂层。通过在线膛炮管上的试验及随后的分析证明,纯钽太软,不能承受作用在线膛炮阳膛线与阴膛线上的力。含5%~10%钨的钽以及Stellite钴基合金被认为是可行的替代合金。

八、超声速颗粒沉积工艺涂覆难熔金属涂层的第三种工艺是超声速颗粒沉积工艺,因为该工艺在低于沉积材料的熔化温度下进行,也称作”冷喷涂”。在实施该工艺时,金属粉末(可能含大量陶瓷颗粒)被加速到超声速,飞向适宜的基体。粉末颗粒的直径为1mm~45mm,飞行速度为300m/s~1200m/s。美国陆军研究实验室采用超声速度颗粒沉积工艺在7075铝合金上成功沉积了具有所需显微结构特征的纯钽涂层,并打算借助于贝内特实验室模拟120mm坦克炮环境的开口燃烧药室试验与鉴定这类涂层。超声速度的颗粒沉积时因为无熔化与再凝固现象而不产生热应力,但是,由于包覆涂层材料与基体材料紧密混合,仍然能够形成类似于爆炸焊接涂层的粘接涂层,陆军研究实验室把上述混合方式定义为”超级塑性凝聚混合”,即SPAM。九、陶瓷内衬研究过去30年来,被反复尝试的提高炮管寿命的另一种途径是,镶嵌代替炮膛表面的材料,典型的镶嵌材料是难熔材料,即陶瓷。陶瓷材料与炮钢相比,具有较高的熔化温度以及优良的高温性能(机械性能保持性、耐烧蚀与腐蚀以及硬度)。这些性能可减少烧蚀与磨损速率,使陶瓷材料显而易见成为炮管内衬的选择材料。遗憾的是,妨碍陶瓷用作内衬材料的限制条件是其较低的抗拉强度、脆性断裂、低韧性、实测强度的可变程度大以及高成本。目前,陆军研究实验室重新研究采用陶瓷内衬的炮管。过去30年来,人们尝试了采用不同难熔材料内衬的火炮设计。20世纪70年代,陆、海、空三军的一些机构采用难熔内衬提高炮管寿命。其中每项研究都确定,需对内衬材料施加压缩预应力,以使拉应力最小化,并克服材料的低抗拉强度问题。研究过程中出现了从不良的热管理到不能精确控制内衬的预应力等问题,导致研究项目失败。20世纪80年代末和90年代初开始了新的研究计划,主要集中在选择最佳的内衬材料设计新的系统。结果证明,碳化硅、SiAlON以及氮化硅都具有优良的耐烧蚀性能,能够承受射击时产生的应力与温度。据报道,在一个弹道模拟器中进行烧蚀试验时,不同陶瓷材料的烧蚀速率大约是研究钢试样的1%。研究项目进行的每一种尝试都获得了不同程度的成功。某些系统成功射击了1000发弹而未发生破坏,有些系统破坏是因为未预料到的温度偏离额定值或因此出现的未预料到的材料性能。幸运的是,过去10年来,陶瓷材料、材料破坏建模以及包覆材料技术有了发展。陶瓷工业的进步,使陶瓷材料改善了质量,提高了强度,降低了成本。设计材料使其具有很大程度的强度可变性的设计需求,导致概率建模方法的发展,这些方法采用统计分析,计算陶瓷内衬在经受特殊的负荷情况时破坏的概率。这些模型被用于分析试验结果,将用作研究陶瓷内衬身管的最佳设计工具。目前,采用上述设计方法制造的炮管正在进行弹道试验。改进材料与概率建模,与产生理想三轴压缩应力状态的包覆技术相结合,已把陶瓷身管技术定位为取代涂镀层的一种可行技术。十、结论先进的材料与新颖的工艺技术相结合,正在被用于发展提高烧蚀与磨损寿命、减轻重量以及改善结构与耐热能力的加农炮,以便采用具有更高能量的发射药。更高性能的各种口径加农炮仍然是陆军军械部门的发展目标,目前研究的材料与工艺技术是21世纪先进加农炮的基础。

目前,美国已经鉴定或正在鉴定的在炮膛表面上制造钽保护涂层的方法有多种。美国太平洋西北国家实验室和陆军贝内特实验室研究的炮管溅射沉积钽新工艺技术尤为突出,显示出良好的应用前景,已接近摸索出溅射沉积实际炮管所需的工艺条件。