电磁轨道炮铜合金导轨失效研究与应对策略

2022-09-13刘赛男孙洋洋翟鹏远高大伟张永统赵钰辉杨国义肖来荣蔡圳阳

兵器装备工程学报 2022年8期

刘赛男，孙洋洋，翟鹏远，高大伟，张永统，赵钰辉，杨国义，肖来荣，蔡圳阳

(1.中南大学资源加工与生物工程学院，长沙 410083；2.中国兵器工业新技术推广研究所，北京 100089； 3.河南江河机械有限责任公司，河南平顶山 467337；4.中南大学材料科学与工程学院，长沙 410083)

1 引言

电磁轨道炮是一种利用电流与磁场相互作用产生强大电磁能,进而将电枢滑块推送至超高速发射的新型概念武器，具有常规火炮武器所不具备的初速高、射程远、精确度高、操作简单等一系列优点，其巨大的战略价值及应用前景使其逐渐成为世界各国研究的重点，图1为美军展示的电磁轨道炮样机。

图1 电磁轨道炮样机及原理图Fig.1Prototype and principle of the electromagnetic rail gun

电磁轨道炮发射过程中导轨处于复杂的热、力以及电场中，因此对导轨的耐高温、耐磨损和高导电等性能提出了严苛要求。虽然国内外已有许多学者对电磁炮发射过程中导轨表面发生的高速刨削、载流摩擦磨损以及电弧烧蚀等损伤问题进行了大量研究，但对于电磁轨道炮铜合金导轨的失效形式、失效机理以及抑制方法尚未形成统一观点。

本文综述了国内外关于铜合金导轨失效的原因、形式与机理等方面的研究进展，提出了铜合金导轨失效问题的解决策略。

2 铜合金导轨失效形式及机理分析

2.1 超高速刨削

美国Graff和Dttloff在对高速火箭撬钢轨进行研究时首次发现了刨削现象，并研究了其影响因素。对于刨削的产生原因，国内外学者提出了很多假说。

David J.Laird认为导轨表面缺陷产生的初始变形使导轨局部材料发生重新排列，导致超高速发射过程中出现碰撞法向分量，使得导轨产生塑性变形最终导致刨削，如图2(a)、图2(c)所示。T.J.Watt等认为刨削与爆炸焊接波是相似的，是一种亚稳状态，在发射过程中轨道上的弯曲波等对其形成干扰产生刨削，通过对轨道宏观表面缺陷的刨削坑形貌以及阈值速度进行进一步研究，发现磨损和刨削坑都是由于导轨表面原本存在的缺陷所引发产生。实际电磁轨道炮发射过程中处于高温、高压且大电流的环境，无法直接看到刨削坑的产生过程，因此许多科研人员还通过软件对发射过程进行模拟来研究刨削产生机理。图2(b)、图2(d)为导轨刨削机理分析模型。

图2 导轨刨削现象及产生机理模型示意图Fig.2 Guide rail planing and generation model

L.M.Barker等利用计算程序CTH完成了对刨削冲击模型的模拟仿真，同时提出刨削是由于电枢与导轨表面的凸出颗粒发生高速撞击产生的，刨削坑尺寸与冲击速度、角度以及导轨材料的屈服强度有关。近年来，随着计算机技术的快速发展，对于刨削的模拟也越来越深入。Wu Jingguo等对刨削现象进行了三维数值模拟并分析其产生机理与演变过程，结果表明，导轨表面凸起与高速运动电枢在碰撞瞬间发生能量交换，导致高密度、高压物料在接触面流动，进而斜向挤压进入导轨，导致形成刨削坑成。金龙文等利用有限元软件ABAQUS对刨削形成过程进行了模拟，发现随着电枢速度的增加，轨道受到的损伤越大且高温环境下损伤加剧，会显著缩短导轨的使用寿命，提出应根据实际使用情况的要求，寻找导轨硬度与导电性之间的平衡点，同时提升导轨表面加工质量将是抑制轨道刨削现象的关键。

虽然国内外许多学者已经对电磁发射过程中的超高速刨削现象、规律和产生机理等方面进行了实验和模拟仿真研究，但其形成机理与改进策略尚未形成统一观点，因此，对于超高速刨削现象仍有待进一步探究。

2.2 载流摩擦磨损

电磁轨道炮发射过程中由于电枢与轨道相互预紧接触，因此接触面之间不仅会产生超高速刨削，还会产生严重的摩擦磨损现象，并且在铜合金导轨上发生的是相较于普通机械摩擦磨损(包括粘着磨损、磨粒磨损和塑性变形等)更为复杂的载流摩擦磨损。在高温、高压和高载荷的接触条件下，电枢与轨道的接触点通过发生反复被破坏和重新支撑的过程，构成了载流摩擦磨损行为，如图3所示。

图3 铜合金导轨载流摩擦磨损形貌Fig.3 Current-carrying friction and wear images of copper alloy rail

国内外科研人员对载流摩擦磨损的产生机理以及影响因素等开展了许多研究。Bansal等研究了在不同电流密度下的铝合金和铜合金之间的摩擦磨损行为，结果表明：随着电流的增加，接触电阻会逐渐减小，而铝合金的热磨损率会增加。Gershman等从不可逆过程热力学角度考虑将摩擦行为都集中在接触面上产生的碳膜上，并认为碳膜起到了保护作用，且影响了摩擦体内部应力分布。Shizhong Li等研究了电磁轨道炮的滑动电接触性能，将其分为干摩擦、液化层接触和高速不稳定接触等3个阶段，并建立了3个阶段的综合评价模型，并通过实际发射实验验证了该模型的有效性。Kubo等研究了电流作用下浸渍铜碳带与铜电车的滑动磨损行为，认为电弧放电会在材料表面形成新的硬质颗粒，在高速滑动磨损过程中受剪切力影响逐渐脱落，加重磨粒磨损程度。除了电流外，载荷大小同样也会影响载流摩擦磨损行为。载荷越大，则会导致接触点越多、磨损率增加；载荷越小，则会导致更多的电弧放电，因此，对于载流摩擦磨损而言存在一个最佳的载荷压力。Yasar等研究了电刷弹簧压力对电流下铜-石墨电刷磨损性能的影响，实验结果表明：摩擦功率随着电刷负载的增加而增加，但电损失率随着实际接触面积的增加而减小，且30 kPa BSP以下的磨损机制主要以电弧侵蚀为主，而在120 kPa BSP以上的磨损机制则以机械磨损为主。Yi Feng等研究了接触压力对CTN-Ag-G复合刷磨损性能的影响，发现复合电刷的摩擦系数与载荷呈负相关的关系且当增加电流时，金属体表面的粗糙度和磨粒特性增加使得电刷的磨损程度加重。

电磁轨道炮中铜合金导轨载流摩擦磨损是一个涉及力、热、电和磁场的多因素复杂问题，对其出现形式及产生机理等进行分析,不仅可以明晰多场耦合环境下铜合金导轨表面载流摩擦磨损机制，还可以针对性地研发出新型复合材料,以进一步提升铜合金导轨的使用寿命。

2.3 电弧烧蚀

在电磁轨道炮的发射过程中，巨大的脉冲电流往往需要在几毫秒的时间内通过导轨与电枢形成回路，导致导轨上产生几kA甚至几MA的瞬时电流形成电弧，进而在导轨上产生大量热量并使得电枢与导轨接触部位发生严重的烧蚀熔化现象，这种现象被称为电弧烧蚀。出现电弧烧蚀最主要的原因就在于电枢与导轨之间的接触界面由“固体-固体”转化为了“固体-等离子体-固体”，引发转捩的产生。因此，对电磁轨道炮发射过程中的电弧烧蚀行为进行分析，其根本在于对转捩现象进行研究。

目前，对于转捩的产生机理主要有3种观点。第1种观点是熔化波烧蚀理论，这种方法主要是通过数值模拟的方式来对转捩产生机理进行研究，如图4所示。

图4 电弧烧蚀形成机理及模拟示意图Fig.4 Formation mechanism and simulation of arc ablation

Benton等分别采用一维有限差公式和三维有限元软件2种方式模拟了导体溶蚀波侵蚀的数值方法，发现三维算法更适宜模拟实际熔化波。Woods进一步考虑了磁扩散率的影响，提出电枢面在接触过程中会发生由后向前的熔化烧蚀，当熔蚀波贯穿接触面时即产生转捩。第2种观点是槽蚀理论，其观点介于熔化波烧蚀和由力学特性导致的铝液喷溅或接触面减小造成的转捩之间。Hsieh采用EMAP3D混合有限元/边界元程序进行数值模拟，并结合实验确定多种不同钢材槽蚀的原因，发现钢轨局部应力高导致材料屈服和高温下材料软化是钢轨变形的主要原因，这表明槽蚀是一种累积行为，提出应采用高导电性、热损失少的材料来制备钢导轨。第3种观点认为转捩的产生是由于脉冲电流引起导轨的力学和电接触特性发生改变导致的。其中，Stefani通过数值分析方法探究了电磁轨道炮电动过渡机制，认为其破坏了电枢和钢轨之间的液膜界面，当电流快速下降时，电枢边缘的局部力会变大,将熔融的铝从电枢-钢轨界面拉出进而产生转捩。Satapathy等通过数值仿真分析不同时刻的不同接触面上磁压力和接触力的关系，认为磁压力的损失导致电枢与导轨接触压力的下降进而发生转捩现象。

3种不同的转捩机理都考虑发射过程中热、力场的存在，有的也对磁场进行了讨论，在一定程度上增进了对电弧烧蚀的了解，但目前尚未形成广泛公认的转捩机理，因此仍有待于进一步开展深入研究，进而为铜导轨电弧烧蚀抑制难题提供了有效策略。

3 铜合金导轨失效抑制方法研究

电磁轨道炮在发射过程不仅要求导轨具有高导电率、高强度和高硬度，还要求能实现数百次的连续发射寿命。因此，针对目前铜合金导轨存在超高速刨削、载流摩擦磨损和电弧烧蚀等三大失效难题，本文结合国内外相关研究进展，从导轨材料强化、表面涂层改性和枢轨结构优化等方面提出应对策略，以期解决铜导轨失效难题。

3.1 导轨材料强化

铜合金导轨在发射过程中要承受复杂的高温、高压和强电流作用，因此针对性地研制出高硬度、高导电率、耐高温的高强铜合金材料是抑制导轨失效的有效策略。基于此，国内外许多学者对铜基复合导轨材料进行了大量研究。

在众多电磁轨道炮导轨用铜合金材料备选体系中，Cu-Cr-Zr合金、铍铜合金、钨铜合金等体系脱颖而出，许多研究者开展了大量研究，如图5所示。Wang和Zhong等对直流电流下Cu-Cr-Zr合金的电导率和微观组织结构演变进行了研究，认为Cu-Cr-Zr合金的电导率与铜基体中的溶质数量相关，即铜基体中的溶质数量越少则合金电导率越高，使用直流电流会提高合金的显微硬度，通过透射电镜观察表明电流会促进Cr的析出进而增加合金的硬度。Yan-bin Jiang等研究了Ni含量对铍铜强度与导电率等方面的影响，发现添加一定量的Ni元素,可以增加合金中γ″和γ′，相的析出，显著提高其强度，但当Ni含量超过2.1%时，形会成少量非共格γ相，降低了析出强化效果。Rachel Monfredo Gee等研究了包括铍铜、钨铜在内的4种不同铜合金在单次和多次发射过程中的强度、硬度、电导率与导热性能，得出导轨材料与电枢材料的相对硬度决定了启动位置的剪切作用，发射过程的焦耳热会使导电性和导热性相对较差的导轨材料先软化进而导致犁沟的产生，提出应避免通过牺牲导热性和导电性的方式来提高导轨的强度和硬度。

图5 铜基复合材料Fig.5 Copper based composites

开发铜基复合材料也是提高铜合金导轨综合性能的有效策略。Wen-min Zhao等利用静电吸附法,成功制备了RGO/Cu-Ti基复合材料，原位形成的碳化钛相和弥散分布的RGO相，实现了第二相强化效应，使其力学性能相较于铜基体提高了60%。Tian-xu Qiu等研究了镍包二硫化钼对铜基复合材料摩擦性能的影响，发现镍包裹的二硫化钼能够明显地改善基体结合状况，并且由于镍的固溶强化作用使基体硬度、力学和摩擦学性能均实现提升。

众所周知，硬度、强度和导电性能对于铜合金导轨材料往往是不可兼得的，因此，如何协调这几者之间的关系来提高铜合金导轨的导电性、耐磨性,进而延长导轨的使用寿命，仍有待进一步研究。

3.2 导轨表面改性

引入合金化元素可提高铜合金导轨的力学性能和耐磨性能，但合金元素的添加往往易导致铜合金导轨的导电性和导热性出现显著降低。而表面改性或制备涂覆层等表面处理技术能在基本不影响铜合金导轨力学性能和导电性能的前提下，显著提高其表面耐磨性能。基于上述优点，国内外研究者对铜合金导轨的表面强化技术开展了许多研究。目前关于铜合金表面的涂覆技术主要包括激光熔覆、喷涂以及电镀等。如图6(a)所示，激光熔覆以激光作为热源，将填充材料与基体一起熔化进而形成冶金结合的熔覆层，常常用来改善基体的表面耐热、耐磨损和抗氧化等性能，具有涂层稀释率小、基体结合强度高以及高效无污染等特点。Quan Lai等采用激光熔覆技术对轨道进行了新型梯度功能材料修复研究，探究了熔覆方向、预热以及后续热处理等工艺对轨道组织和力学性能的影响规律，发现轨道修复后的强度与熔覆方向有关。闫华等利用预置粉末的方法在Cu-0.9Cr-0.26Zr铜合金基体上激光熔覆Ni基涂层，并对熔覆层的界面结构和互扩散行为进行研究，其制备的涂层与基体润湿良好，实现了冶金结合。

图6 铜合金表面涂层处理Fig.6 Copper alloy surface coating treatment

冷喷涂处理技术因其对基体的热影响小、涂层材料范围广、沉积效率高等一系列优点被广泛地应用于合金表面改性领域，如图6(f)所示。张梦清等在铜基体表面冷喷涂了Cu-Ti-BC复合涂层，研究了涂层的微观结构、物相组成和硬度，发现BC粒子可起到弥散强化作用，提高了涂层的整体硬度。B.Riccardi等对铜合金上的W涂层喷涂参数进行优化，成功制备出具有良好导热率、较好结合强度的W涂层。

对铜合金导轨进行表面改性或制备涂覆层已经显示出良好的应用潜力，有望解决铜合金导轨失效难题，但目前涂覆层体系仍有待进一步优选探索，以满足导轨数百次重复发射要求。

3.3 枢轨结构优化

由于电流的趋肤效应易导致铜合金导轨局部表面产生大量的焦耳热，严重时甚至会产生轨道烧蚀现象，改善这一现象最直接的策略是通过调整导轨的形状等几何参数优化电流分布。周媛等利用Ansoft-Maxwell 软件建立了2根平行长直铜导轨的电磁发射模型，并研究了导轨不同几何参数与其电感梯度的关系，发现相同截面积的矩形截面导轨，宽高比越大，导轨电感梯度越大，而采用T形、环形、盈月形的截面形状时，也可获得更大的电感梯度，常见导轨截面如图7所示。陈青荣等设计了一种改进型的轨道炮结构，并运用仿真软件进行模拟，模拟结果显示改进后电磁轨道炮整体的电流分布更加均匀，枢轨接触部位的电流密度减小，能有效提高发射装置的寿命和整体性能。毛保全等借助低温等离子体与磁场的定向约束作用，设计了新型电磁轨道炮枢轨结构，仿真模拟结果显示:该结构提高了电流的扩散率进而减轻了电流趋肤效应，降低了接触面的烧蚀现象。