火炮身管延寿方法研究综述

许耀峰，单春来，刘朋科，温钢柱，王育维

(1.西北机电工程研究所, 陕西 咸阳 712099；2.内蒙古北方重工业集团有限公司, 内蒙古 包头 014033)

火炮在发射过程中，身管内膛处于高温、高压且伴随瞬态的高速冲击、磨损的复杂状态，其寿命问题是火炮工程领域的难题。各类火炮，特别是大、中口径火炮，身管的购置费用较高，甚至可达全炮价格的30%～40%[1].现代战争要求火炮向着更大威力、更大射速、更短发射间隔的方向发展,身管将面对更严重的烧蚀磨损和疲劳问题，极大降低其持续作战能力。在这样的发展趋势下，身管的延寿技术就显得尤为重要。笔者旨在对火炮身管的各类延寿技术进行概述，为开展下一步研究工作提供参考。

1 身管寿终机理及分析

1.1 失效现象

为研究身管的延寿技术，需要分析身管寿终失效的机理，有针对性地解决或改善。在发射过程中，身管内膛可能出现以下几种失效现象[2]：

1)孔径扩大：主要由于膛压产生的应力超过身管的弹性极限所导致。

2)炸膛或漏气：膛压产生的应力导致的身管管壁破坏。如果炮钢材料较硬，则易导致炸膛；如果炮钢材料偏软，则易导致弹丸弹带密封不严而漏气。

3)疲劳破坏：身管表面不可避免存在微裂纹，在成百上千次射击循环下，微裂纹增大、合并，最终整个身管发生疲劳破坏。

4)烧蚀或磨损：在射击过程中，高温高压的火药气体推动弹丸做高速运动，火药气体的冲刷主要会造成身管内膛表面的烧蚀，弹丸主要会造成磨损。另外，内膛表面的烧蚀磨损也会导致身管孔径扩大；多次射击反复的烧蚀磨损作用于内壁表面也会引起局部疲劳破坏，这种局部的疲劳破坏往往归于烧蚀磨损的研究范畴。

在身管得到合理设计的情况下，孔径扩大和炸膛或漏气这两种失效现象能够有效避免；采用炮钢精炼以及自紧技术后，身管疲劳寿命问题也得到了较好的解决[3]。因此，烧蚀寿命对身管寿命的决定作用变得更为突出，并成为制约火炮威力进一步提高的关键因素之一。

1.2 失效标准

以上4种失效现象会导致身管及弹丸出现多种不能完成作战目的的表现形式。各国制定的寿命终止标准大体相同，均从以下几个方面考虑：

1)初速下降量超过规定值。

2)弹丸飞行失稳，如横弹、近弹、弹带削光等。

3)引信连续瞎火或弹丸在弹道上早炸。

4)立靶或地面密集度超过规定值。

一旦出现上述现象之一，该身管失效寿终。

1.3 寿终机理

经过研究和实践，身管失效时，射击精度不满足要求的失效方式先于身管破坏、炸膛等失效方式出现，其最主要成因是火药气体的烧蚀和弹丸对内膛表面的磨损。身管烧蚀磨损的主要原因有：

1)热因素：火药燃气的高温作用，使身管内壁温度迅速升高，造成烧蚀。

2)化学因素：火药燃气及残渣在高温高压下渗入金属组织，发生化学作用，使膛面金属变得硬脆，产生龟裂，易于脱落。

3)机械因素：包括弹丸挤进膛线起始部时的挤压磨损、弹带对膛线导转侧的磨损、弹丸在膛内运动过程中弹带及定心部与膛壁发生高速摩擦，以及高温高压燃气的冲刷作用。

以上3个方面因素并非各自单独作用于膛内，而是共同作用并相互影响。如炮钢材料在常温下不会被弹带磨损，但在高温作用下，会由于机械性能严重下降而发生磨损。

1.4 延寿措施

通过对身管寿终机理的分析，可以从热、化学、机械3个因素角度出发，改善身管内膛的工作环境，对身管进行延寿处理。按改进对象进行分类，延寿技术主要可以分为以下3个方面的策略：

1)发射装药策略：改进发射药成分，如使用低爆温发射药，控制发射药火焰温度、元素含量，添加减摩擦添加剂、缓蚀剂等。

2)弹丸策略：改善弹丸结构，如提高制造精度避免偏心、弹带材料的软硬适中并且具有高熔点等。

3)身管策略：从身管入手，使用高性能材料或复合结构材料，在内膛表面做高硬度、耐热、耐腐蚀涂层处理，使用渐速膛线或混合膛线提高密封性，或对使用过一段时间的身管进行内膛修复等。

各种延寿措施进行综合使用能够取得更好的效果，特别是膛内环境差、使用寿命短的高膛压火炮，必须将内膛表面处理、高能低烧蚀发射药、身管材料和合理的弹、膛结构等技术进行综合应用，才能有效改善身管的延寿问题。

2 内膛表面处理技术

为缓解身管内膛因烧蚀磨损造成的破坏，提升身管内壁的性能。目前膛内镀层技术是提高身管抗烧蚀性能的主要方法。对身管内膛进行镀层处理时，对镀层材料的性能有一些基本要求[4]：

1)从热因素角度考虑，要求镀层具有更高的熔点和高温强度，热膨胀系数等性能与炮钢基体匹配，避免急剧的热-冷循环下镀层出现破裂。

2)从化学因素角度考虑，要求镀层材料能够抵抗反应性火药气体的烧蚀，保护炮钢基体。

3)从机械因素角度考虑，镀层材料材质过软起不到保护的作用，过硬不能很好地传力；镀层还应有良好的耐磨性，与基体有较高的结合强度等。

目前电镀铬是最广泛采用的内膛表面处理技术，磁控溅射、爆炸包敷焊接等也有较好的应用前景。

2.1 镀铬技术及改进技术

2.1.1 镀铬的基本流程

身管镀铬的整体流程如图1所示。火炮大多采用自紧身管，自紧时需升温到357 ℃保持残余应力，自紧后任何高于357 ℃的操作都会降低身管的自紧效果。工艺流程决定了身管需要先自紧再电镀，所以电镀过程的温度控制十分重要。

2.1.2 镀铬的缺陷

虽然电镀铬是目前身管延寿的最常用方法，但电镀铬技术存在许多缺点，主要有：

1)电镀过程中，基体难以与体积变化的铬层协调，铬层中存在很高的内应力，达到一定厚度后形成固有微裂纹，并在发射过程中逐渐扩展，成为失效的最主要原因[5]。

2)铬的脆性较高，剪切强度和抗拉强度较低，在发射的迅速升、降温过程中，镀铬层容易剥落。

3)电镀铬工艺中的六价铬是一种致癌物质，存在严重的环境危害问题，电镀生产设备中必须包括污水处理等设备，提高了生产成本。

4)为增加火炮射程和威力，一些新型高温高腐蚀性发射药也在发展和应用，电镀铬将来会更难以满足炮管抗烧蚀的更高需求。

2.1.3 铬层失效机理

在内弹道时期，高压火药燃气作用于身管内膛表面，内膛表面形成切向拉应力；高温的火药气体使表面铬层温度急剧增加，沿铬层径向产生极大的温度梯度，铬层表面受到切向的压应力[6]；由于热传递的滞后，两者不能相互抵消；在射击间隔期，温度和应力迅速下降，铬层承受剧烈的交变作用，固有微裂纹开始扩展，沿着垂直于冲蚀面向基体扩展，扩展到镀铬层与白层的界面处沿着界面延伸，裂纹相互连接使镀铬层与基体的结合力减弱，加速镀层的剥落，裸露出基体。因此，铬层不是由于其本身因磨损或腐蚀失效，而是由于镀层的开裂和小块的剥落而失效。过程分为两个阶段：

1)铬层中固有裂纹增大，扩展至基体并在基体内扩展。

2)镀铬层剥落，基体大面积烧蚀。裂纹扩展到炮钢基体中之后，再次发射时火药燃气将沿裂纹进入基体并造成基体的烧蚀。由于膛内环境的不同，基体烧蚀的状态可能出现界面烧蚀、次界面烧蚀和穿透性烧蚀3种状态，分别如图2中A、B和C所示，其中基体界面烧蚀的身管寿命最低，次界面烧蚀次之，穿透性烧蚀寿命最高。

2.1.4 镀铬改进技术

提高镀铬身管寿命的最直接方法是改善镀铬层与钢基体间界面的结合性。钢基体周期性梯度结构的形成可以大幅提高铬层的抗腐蚀剥落能力，比如运用激光离散预处理使钢基体表层形成周期性梯度结构，降低镀铬层-钢基体间的硬度梯度，提高铬层的抗腐蚀剥落能力[7]；运用高重频激光技术对钢基体进行处理可使钢基体表面形成微米量级的微坑，增加基体的表面积，改善铬层与基体的结合效果，提高了铬层抵抗复杂应力破坏的能力[8]。镀铬前处理工艺的控制对界面结合也有显著影响，如果工序控制不合理，身管内膛表面残存的反应产物会降低镀铬层的结合力。

2.2 柱面磁控溅射技术

柱面磁控溅射工艺可在内膛表面沉积难熔金属材料，且不存在污染问题；与铬相比，钽的韧性和抗热冲击性更好，熔点更高，因此，柱面磁控溅射钽工艺具有更好的应用前景。

柱面磁控溅射工艺在进行镀层沉积时，对身管基体施加正电压，靶材内部阴极通过电流产生磁场，并与电场相互作用，使氩气体离子转化成等离子体，通过使用荷能粒子轰击钽靶材，使靶材中钽原子产生溅射作用并在身管基体上沉积，实现膛内镀钽。

柱面磁控溅射工艺中的镀层均匀性和附着性是技术的关键。磁场中的等离子密度在轴向集中分布于身管的一端，镀层均匀性较差，且无法对内膛和靶材表面进行均匀的侵蚀清理，影响涂层的附着力。另外，磁控溅射钽镀层会出现α相和β相两种相结构，α相性能理想，β相脆性高、性能差，如果不能合理控制工艺参数，内膛沉积了β相钽涂层，身管寿命会受到非常不利的影响。虽然柱面磁控溅射工艺能够使身管寿命得到明显提升，但工艺难度较高。

2.3 爆炸包敷焊接技术

爆炸包敷焊接是一种利用爆炸冲击波将敷层材料与基体材料相结合的技术[9]。焊接前，包敷材料与身管基体成一定角度，在包敷材料内部放置炸药并引爆，炸药以恒定的爆轰速度使包敷材料变形并与身管基体高速斜撞，撞击点产生等离子射流，迫使包敷材料与身管内膛相结合形成敷层。爆炸包敷焊接工艺具有如下优点：

1)工艺效率高，敷层材料不需要长时间沉积。

2)不存在电镀铬的严重污染和致癌等问题。

3)等离子体的高速运动有擦洗内膛表面的作用，具有更良好的结合性。

4)属于冷焊接工艺，有利于保持敷层材料性能。

美军的射击试验已证明爆炸包敷焊接技术可以有效提高身管寿命。但对线膛身管而言，由于包敷材料硬度较低，阳线导转侧不能很好地承力，而硬质材料的焊接界面形态又不够理想，结合性较差。

2.4 电爆炸喷涂技术

电爆炸喷涂技术的基本原理[10]是在身管内部通入气体介质后，在绝缘体中插入涂层金属导体，对金属导体施加瞬态直流高电压，使金属导体瞬态爆炸，金属粒子高速喷射到基体表面，急速冷却后形成涂层。电爆炸喷涂技术具有以下优点：

1)可使用高熔点材料。

2)在气体介质中完成制备，涂层的氧化层较薄。

3)喷涂技术操作简单，效率高。

4)成本较低，重金属粉尘的污染问题较易控制。

作为一种在身管延寿上的新型工艺，电爆炸喷涂技术还有一些问题需要解决，电爆炸喷涂的表面不够光滑、涂层材料在电爆炸后的性能发生改变、不同的喷涂距离和次数以及其在基体上的温降速度等对涂层性能的影响等仍有待进一步研究。

2.5 等离子喷涂技术

等离子喷涂属于热熔覆技术[11]，喷涂时使用等离子火焰，将高熔点涂层材料熔化喷涂，喷嘴中需加入保护气体防止氧化等反应。在高温等离子体作用下，涂层材料与身管基体熔化并融合，因而结合性强。由于可使用高熔点材料，表面镀层具有很高的抗烧蚀能力。但由于喷涂温度较高，对炮钢基体有明显影响，喷涂温度、速度、距离等工艺参数还需深入研究。

2.6 表面热处理强化技术

除如2.1.4节所述的使用激光离散预处理技术和高重频激光技术外，激光技术还可在非镀铬身管上进行激光淬火，或在镀铬后的内膛进行激光强化[12]。

2.6.1 内膛淬火技术

内膛激光淬火技术的基本工艺原理是使用激光器发射出高能密度的激光束，使用反射镜将激光束折射到身管内膛壁面上，使壁面被照射位置温度达到相变温度以上、熔点以下。经加热后，被照射处材料变为奥氏体，激光束离开后温度快速下降，形成细化的马氏体，从而提高了硬度，形成的超载塑性区有利于控制射击时的裂纹扩展。

与其原理相似的还有等离子淬火技术[13]，使用等离子弧发生装置对内膛壁面进行加热，比激光淬火的工作效率更高，且简单易用，可在野外进行二次淬火处理。

经过射击试验验证，经过内膛淬火处理过的身管的寿命得到了明显的提高，但对于线膛身管，内膛淬火不够均匀，对阳线导转侧的淬火工艺还不够完善，加热、冷却速率等工艺也需要进一步研究。

2.6.2 铬层激光强化技术

对于内膛镀铬的身管，也可使用与内膛淬火相类似的方法，对铬层进行激光强化。强化后的铬层表面初始裂纹有所改善，且铬层下的基体金属性能得到提高，硬度和抗热性增加，相变后的再结晶组织提高了材料的延展性，改善了铬层的结合性[14]。

3 发射装药技术

由于热因素和化学因素是影响身管寿命的主要原因，因此，可以通过控制发射装药燃烧时的温度和燃烧产物来实现延寿的目的，如增加缓蚀衬里等措施减小身管烧蚀。使用镀铬等技术时，如果不对内弹道过程的温度和燃烧产物进行控制，镀层也会很快因烧蚀磨损而失效[15]。

3.1 缓蚀剂技术

缓蚀剂即为缓解身管烧蚀的添加剂。在发射过程中，缓蚀剂能够有效吸收热量，在内膛表面形成可以隔离火药燃气温度的冷却层，并形成氧化物附着于内膛表面，使身管内膛在一定程度上抵御热冲击和化学腐蚀。缓蚀剂可分为护膛剂和添加剂两种类型，其中护膛剂的使用方式是把塑料、石蜡、纤维素、润滑油等物质制作成片状放置于药筒中，发射时吸收发射药的热量并生成冷气保护层；添加剂的使用方式则是将Zn、Al、Ti等金属化合物混合于发射药中，降低发射药的爆燃温度。近年来纳米技术的发展提高了缓蚀剂的延寿效果，半密闭爆发器烧蚀试验初步验证了纳米添加剂具有缓释作用[16]。缓蚀剂的成分、配比、装填量、装填位置、装填结构、与身管药室的结构匹配和发射药属性等因素与缓蚀效果有较大影响。虽然延寿效果十分明显，但存在膛壁留有残渣较难清理等问题，且目前缓蚀剂的选用大都建立在大量试验的基础上，其作用机理和设计理论还有待进一步研究。

3.2 高能量、低爆温、低腐蚀性发射药技术

如果对发射药的成分、配比、结构等进行合理设计，使其燃烧时能够在更低的温度下产生更大的压力，则可以延长身管的使用寿命。但目前现有的低爆温发射药燃烧时的做功能力也相对较差，需要对爆温、装药量、最大膛压、初速多个参数进行优化设计，达到控制爆温、提高身管寿命的效果。

除降低发射药燃烧温度外，也可从化学因素的角度出发，控制化学成分，降低身管的烧蚀磨损。不同化学成分对身管的热化学侵蚀程度排序为[17]：

CO2>CO>H2O>H2>0>N2，

即CO2对身管内壁腐蚀性最强，而N2能够提高内膛的抗烧蚀能力。

由于发射药的能量和爆温是相互对应的，目前现有的发射药均不能满足高能量的同时低烧蚀的要求，而发射药中的成分和含量又会对其性能有明显影响，因此高能、低爆温、低腐蚀性发射药仍受到很多限制，但其从根本上改善了膛内发射环境，仍有很大的发展空间，需要进行深入的研究。

4 复合身管技术

复合身管技术包含复合材料工艺和复合结构工艺。复合材料工艺即在身管中使用纤维增强的铝基、钛基等高强度、高疲劳性和良好高温性的轻质复合材料的技术，可以有效减轻身管质量，降低身管的变形量和发射时的振动，提高身管的射击精度和寿命；复合结构工艺则是对身管进行多层材料相嵌套的结构设计，如使用筒紧身管、高强钢内衬、陶瓷内衬等技术，能够在减轻身管质量、壁厚的同时，提高内膛抗烧蚀磨损的性能。其使用的内衬材料除了需要高强度、高韧性、低导热性和在高温下保持良好的性能之外，还需要与外套管的热传导性、热膨胀率等方面力学性能相匹配，保证身管的散热性和二者之间的装配性以及使用过程中的牢固性。复合材料工艺和复合结构工艺往往结合使用，以达到更好的效果。

为提高身管的烧蚀磨损寿命，高强钢内衬、陶瓷内衬和高熔点金属材料内衬等复合结构身管技术是近年重点研究的内容之一。镀铬身管的内表面镀层中存在大量的微裂纹，射击时发生开裂和剥落，使用更厚的内衬管则不会出现这种问题，能够起到更好的抗烧蚀作用[18]。使用高强钢内衬可以降低身管的质量，提高刚度，降低发射过程中弹丸定心部对内膛的磨损，但抗烧蚀性依旧较弱；陶瓷内衬具有良好的高温性能、高硬度和低密度的优点，其抗烧蚀性能优于钢、铬和钽等材料，但有低韧性和高脆性的缺陷；铬、钽、钨等材料及其合金也可用作身管内衬，虽然制造费用高，但明显提高的寿命完全可以补偿花费的成本，但最大的问题是如何将内衬管安装到炮钢身管中且良好匹配，其工艺操作极其困难，不易操作。

5 修复技术

修复材料是由微纳米矿物质和脂类材料制成的膏状物[19]，在身管进行射击之前将其涂覆于弹丸上，发射时即可分布于内膛表面，并在高温高压的火药燃气、弹丸与内膛的高速摩擦以及催化剂的作用下陶瓷化，将身管表面的裂纹和烧蚀坑填补平整，形成与内膛表面紧密结合的保护层。保护层有隔热和耐烧蚀的作用，能够阻隔火药燃气对内膛表面的烧蚀并缓解磨损，实现修复延寿的作用。有相关标准验证修复材料无腐蚀性，不会给身管材料带来不利影响；又有试验证明，将修复剂涂覆于身管内膛和涂覆于弹丸弹带上的修复效果相当[20]，说明在弹丸上进行涂覆即可以满足修复需要，方便火炮的勤务管理和战时使用。

从理论上讲，金属磨损自修复技术可用于任何机械设备的摩擦表面磨损、腐蚀的零部件，在火炮身管修复技术中广泛应用摩擦成膜自修复技术，如早期前苏联研制的炮管防护剂中使用了半石墨矿粉，应用了沉积成膜自修复机理，近年来国内的身管修复技术研究主要集中于共晶成膜自修复方面。修复材料在滑膛炮中使用时的修复效果较为明显，在中小口径火炮上使用时甚至可在一定范围内增大弹丸初速。但在大口径线膛火炮上使用时较难对膛线导转侧实现理想的修复，修复剂的成分及配比也需要进一步深入研究。

6 结束语

随着近年来军工技术的发展，我国各型火炮在性能方面已走在了世界前列，但火炮的寿命仍与军事强国有较大差距。火炮发射时，在热因素、化学因素以及机械因素的作用下，身管内壁出现烧蚀、磨损和疲劳等现象，使火炮身管逐渐失效。因此，可以从身管的失效机理出发，对内膛发射环境中影响身管寿命的地方进行针对性的解决或改善，实现延寿的目的。笔者对目前主要应用和重点研究的各类延寿技术进行了综述总结，分析了各技术的优势和不足，很多技术还有进一步深入研究的空间。