电磁发射条件下CuCrZr合金材料轨道损伤行为研究

黄伟， 杨黎明， 史戈宁， 张延松， 田开文， 刘凯

(1.宁波大学 机械工程与力学学院， 浙江 宁波 315000； 2.中国兵器科学研究院宁波分院， 浙江 宁波 315103；3.烟台万隆真空冶金股份有限公司， 山东 烟台 264006)

0 引言

电磁轨道炮以其良好的隐蔽性、稳定性以及射程远、廉价等特点在近些年来得到快速发展[1]。电磁轨道炮可以瞬间将弹丸加速到3 000 m/s以上的超高速，大大缩短弹丸飞行时间，可对目标进行更为有效的打击和摧毁[2]。电磁轨道炮发射原理是通过发射轨道和导电电枢构成放电回路，应用高功率脉冲电源产生脉冲强电流，强电流通过发射轨道和导电电枢构成放电回路。发射轨道中的强电流产生强磁场，搭载弹丸的载流电枢在轨道强磁场的作用下将会受到电磁力的推动，从而使弹丸获得高发射速度。电磁轨道炮发展与轨道的优化改进密不可分，而轨道性能取决于轨道材料的选择，目前文献报道较多的两种轨道材料为铝合金和铜合金。研究发现在电磁发射过程中轨道会出现槽蚀现象，当选用铍铜合金作为轨道时，经过多次电磁发射后，轨道有明显的槽蚀损伤，利用轮廓仪检测发现槽坑位于轨道边缘的两侧，研究人员将这种情况归因于塑性变形所引起[3]。美国高等技术研究所(IAT)[4]曾于2002年对槽蚀现象进行研究，其采用铝合金轨道和铝合金电枢配对，显示在电磁发射起始阶段轨道有明显的损伤情况，让研究人员对槽蚀现象给予极大的重视[3]。近些年来，随着现代军事技术的发展以及国防建设的需要，对武器弹药的高能化、高速化要求越来越高，关于电磁轨道炮方面研究也越来越丰富，国内中国兵器科学研究院、南京理工大学、中国科学院、华中科技大学、西北核技术研究所等单位对电磁轨道炮的脉冲电流、电磁特性、结构设计等方面做了大量研究[5-13]。同时，国外研究人员在电磁发射装置的应用方面也做了很多有用的工作，在电磁发射的枢轨动力模型、轨道参数对临界速度的影响以及利用软件模拟轨道临界速度等方面取得了一定的进展[14-16]。

轨道是电磁发射装置的关键部件之一，需要良好的导电导热性、耐蚀性、高强度和高温稳定性，而CuCrZr合金(C18150铜合金)良好的综合性能与轨道材料的要求比较匹配[17-19]。本文以C18150铜合金轨道为研究对象，观察其在多次电磁发射试验后轨道表面的二维、三维轮廓形貌，探索电磁发射过程中轨道的摩擦磨损机制。

1 试验材料及试验方案

1.1 试验材料

本研究所选用的轨道材料为C18150铜合金，采用真空熔铸—热锻—固溶—冷锻—时效工艺技术制备，材料抗拉强度≥550 MPa，导电性≥80%IACS(国际退火铜标准)，硬度≥80 HRB.

所选用的电枢材料为：7075铝合金，采用半连铸—挤压—热处理工艺技术制备，材料抗拉强度≥520 MPa，导电性≥35%IACS.

1.2 试验方案

本研究的多次发射试验在模拟电磁发射试验平台上进行，发射装置参数为：发射极限速度≥2 000 m/s，发射极限加速度≥20 000g，发射峰值电流≥300 kA，试验10次。

对完成试验的轨道构件材料进行宏观观察和表面轮廓测量。将完成试验的轨道构件按长度方向进行分割，获得长度不等的12件轨道材料分析样品。结合试验过程中测量所得的电枢运动时刻与位移、速度对照图(见图1)，获得每一段轨道材料分割段所对应的速度(见表1)。

图1 电枢运动时刻与运动速度、位移对照图Fig.1 Velocity/displacement of armature vs. time

对完成取样的轨道材料样品，采用陕西威尔机电科技有限公司生产的RC120H型二维表面轮廓仪测量其横向表面轮廓，设定测量范围为横向扫描25 mm；采用瑞士丹青科技有限公司生产的RC-ScanP300型三维表面轮廓仪，测量轨道三维轮廓形貌并提取纵向二维表面特征轮廓，设定测量范围为沿轨道纵向扫描距离40～70 mm.

表1 轨道分割段参数

2 试验结果

2.1 轨道表面轮廓宏观形貌

根据电枢在轨道上的加速运动时间和运动位移将轨道以长度方向分为起始、加速、高速3个阶段。图2(a)、图2(b)、图2(c)分别是电磁发射轨道起始阶段、加速阶段、高速阶段的宏观轮廓形貌。从图2(a)可以看出，在电磁发射起始阶段轨道表面损伤严重，轨道表面有部分熔化痕迹，与电枢接触的两侧出现较厚的铝沉积，同时轨道表面颜色已从紫红色变为黄色。从图2(b)可以看出：加速阶段的损伤比较严重，出现严重的铝沉积，沉积位置位于电枢接触的两侧；与电枢接触的部位存在银色铝层残留，未观察到明显的熔化现象；轨道边缘处的铝沉积与轨道的结合力较弱，轻微敲击可使其剥离，而与电枢接触处的铝层与轨道的结合较好，无法轻易去除。当电枢速度达到高速阶段时，轨道损伤相对较轻，如图2(c)所示。由图2(c)可以看出，轨道表面比较光滑，电枢与轨道接触部位颜色变化并不明显，且电枢两侧仍能观察到铬铜合金的颜色，但靠近炮口位置轨道表面呈现出黑色。

图2 电磁发射过程中轨道宏观形貌Fig.2 Macroscopic morphology of rail during electromagnetic launching

2.2 轨道表面轮廓微观形貌

图3 电枢速度105～2 088 m/s时对应轨道位置的二维表面轮廓Fig.3 Two-dimensional surface profile of rail at armature velocity of 105-2 088 m/s

图3是不同电枢速度下轨道相应横向轮廓线测试结果。由图3可以看出：当电枢速度≤1 202 m/s时，轨道表面存在较深的沟槽，轨道表面起伏较大，表面表现出明显槽蚀特征；当电枢速度≥1 594 m/s时，轨道表面起伏现象逐渐减弱，轨道表面的槽蚀倾向降低。

为进一步获得轨道材料在不同电枢速度下的损伤情况，对轨道材料样品进行三维微观形貌测量。

图4 不同电枢速度下轨道三维轮廓形貌(上)和纵向二维轮廓形貌(下)Fig.4 Three-dimensional (upper) and two-dimensional (lower) profile morphologies of rail during electromagnetic launching

图4(a)～图4(g)分别为不同电枢速度下轨道的三维轮廓形貌和纵向二维轮廓线。从图4中可以看出，随着电枢速度的不断增加，沿电枢运动方向轨道表面起伏越来越小。在电枢速度≤1 202 m/s时，槽蚀倾向较大；当电枢速度≥1 594 m/s时，轨道表面逐渐平整；在电枢速度达到2 000 m/s以上时，轨道表面起伏间距<10 μm.

为了进一步分析电磁发射过程中轨道表面磨损机理，对不同电枢速度阶段轨道表面起伏状态作定量分析。图5是对二维轮廓仪得到的轨道表面高度起伏的定量测试结果。由图5可以看出，沿轨道纵向方向，轨道表面峰谷之间间距变化时存在高低起伏变化，但不是单调的变化趋势。总体上说，轨道表面的峰谷间距呈一种先增加、后降低的趋势：启动阶段电枢速度从105 m/s增加到704 m/s，轨道峰谷间距不断增加，704 m/s时达到最大值，由最初的175 μm左右增加至最大值约300 μm；当电枢速度超过704 m/s后，轨道峰谷间距不断降低；当电枢速度超过2 000 m/s时，轨道表面峰谷间距降低至60 μm左右。

图5 轨道表面峰谷间距与电枢速度之间的变化关系Fig.5 Rail surface peak-valley spacing versus armature motion velocity

图6是对三维轮廓仪得到的不同电枢速度区间内轨道表面高度起伏的定量测试结果。由图6可以看出，沿轨道纵向方向不同电枢速度区间轨道表面峰谷之间间距总体呈一种不断降低的变化趋势，从电枢速度0～487 m/s时轨道表面峰谷间距200 μm降低到电枢速度2 085～2 088 m/s时轨道表面峰谷间距8.4 μm.

图6 轨道表面峰谷间距与电枢速度之间的变化关系Fig.6 Rail surface peak-valley spacing versus armature motion velocity

电磁发射过程中，由于电枢与轨道之间存在摩擦力和焦耳热作用使得轨道表面出现起伏现象，对电枢速度、枢轨界面微区焦耳热和轨道表面轮廓起伏作曲线定量表征，可以更清楚地分析发射过程中轨道的摩擦磨损状态，如图7所示。从图7中可以看出：随着电枢速度的增加，电枢与轨道之间的焦耳热作用逐渐减小，在电枢启动阶段其焦耳热达到最大，约19.56×103kJ；同时，轨道表面的轮廓起伏跨度也呈现出减小的状态，在电枢速度达到最大值2 085 m/s左右时，轨道表面的轮廓起伏程度约为8.4 μm.

图7 电枢速度、枢轨界面微区焦耳热和轨道表面轮廓起伏变化曲线Fig.7 Curves of the armature motion velocity, armature rail interface Joule heat and rail surface profile fluctuation

3 摩擦磨损机制分析

结合轨道表面宏观、微观形貌以及轨道与电枢之间的焦耳热作用分析可知，轨道在电磁发射过程中根据电枢的不同运动速度和所处位置存在低速起始阶段、加速阶段、匀速高速阶段3种不同形式的摩擦磨损机制。

1)低速起始阶段。从图2轨道的宏观状态和图7轨道与电枢之间的焦耳热作用分析可知，在轨道起始阶段，尤其是电枢在发生运动之前的临界状态，轨道与电枢之间焦耳热的作用与累计产生大量的热能，导致电枢与轨道的局部熔化(见图2(a))，导致电枢中的铝原子向轨道的铜基体中扩散形成铜铝固溶体。在电枢启动后，由于运动速度较低，大量的热能仍存在于轨道与电枢的界面上，因此，界面存在一定的熔化现象。同时，由于电枢运动，轨道表面出现较深的沟槽与沉积物。此阶段轨道的损伤表现形式为熔坑、沟槽与沉积凸起，轨道损伤以热效应损伤为主。由于电枢与轨道之间存在一定的结构预紧力，此时轨道表面会存在一定的机械磨损。

2)加速阶段。当电枢速度逐步提高时，电枢停留在轨道表面的时间相对减小，因此，焦耳热作用时间与相对热量绝对值也急剧减小(从图7中体现)，轨道与电枢熔化趋势降低。由于电枢与轨道相对运动速度较大，轻微的失稳将会导致轨道承受较大的冲击力，使轨道表面组织出现一定程度的塑性变形。轨道与电枢的高速相对滑动在加剧了轨道机械磨损现象的同时使轨道呈现光滑平整的表面(见图2(c)和图4(e)、图4(f)、图4(g))。

3)匀速高速阶段。轨道尾部(炮口处)呈现出黑色的表面。考虑到电枢在出膛瞬间，会在炮口处形成较大的炮口电弧，高温、高电压的电弧会使炮口绝缘支撑的复合材料发生烧蚀和碳化现象，碳化颗粒附着在轨道上致使表面发黑。

4 结论

本文通过电磁发射试验后的C18150铜合金轨道材料进行宏观观察、二维表面轮廓与三维表面轮廓测量，在此基础上进行分析对比，获得轨道材料在电磁发射条件下的损伤行为和摩擦磨损作用机制如下：

1)随电枢速度的增加，轨道表面横向起伏的峰谷间距呈先增加、后降低的趋势：起始阶段，轨道表面峰谷间距随电枢运动速度的增加而增加；当电枢运动速度到达704 m/s时，轨道表面峰谷间距达到最大值300 μm左右；当电枢运动速度大于704 m/s后，轨道表面峰谷间距逐步降低。

2)沿电枢运动方向，轨道表面起伏程度随着电枢速度增加呈下降趋势：起始阶段，轨道表面起伏约为200 μm左右；当电枢完成加速，速度达到2 000 m/s时，轨道表面起伏降低到11.5 μm左右；当电枢速度达到极值处于匀速运动后，轨道表面起伏近乎为0 μm.

3)轨道损伤呈现不规则现象：起始阶段，轨道损伤表现出明显热损伤，轨道呈现局部熔化和槽蚀现象；加速阶段，轨道承受的热作用明显减弱，表现出强烈的摩擦磨损特征和一定的热熔效应；高速阶段，轨道与电枢处于相对高速运动状态，轨道损伤以机械磨损为主，表现出光滑的摩擦界面和局部的塑性变形。