火炮身管抗磨损烧蚀技术及发展动向

■ 黄坚 刘汉青 赵红瑞 宗国庆

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身管是火炮的主要零件之一，随着火炮追求高初速和高射速的发展，内膛温度和压力不断增大，大威力火炮身管内膛的磨损烧蚀问题日趋严重。火炮身管内膛磨损烧蚀这一射击过程中固有现象是火炮身管的主要失效形式，越来越成为阻碍火炮威力提高的重要因素之一。烧蚀磨损是一种热、化学和机械综合作用的复杂过程，主要特征是内膛表面开裂、内膛表面化学成分的变化及磨损引起的直径扩大。

1 身管内膛磨损烧蚀情况概述

火炮身管的磨损、烧蚀是两个不同的概念，通常人们将内膛金属表面层在反复冷热循环和火药气体的化学作用下，金属性质发生变化，进而出现龟裂或金属剥落的现象称为烧蚀，将 内膛尺寸和精度的变化称为磨损。这虽然是两个不同的概念，但是这两种破坏的作用是紧密相关、互相影响的，在一般情况下烧蚀对身管的破坏比磨损更为严重。所以，磨损研究在这里不予叙述，主要阐述关于烧蚀问题。

1.1 身管内膛磨损烧蚀形成机理

身管内膛产生磨损和烧蚀的机理虽很复杂，尚未弄清，但总的概念己经基本形成，热作 用贯穿始终，冷热交变应力一直存在。身管内膛的耗损主要是在射击过程中，火药高温燃气流和弹丸对腔壁金属直接作用形成的，这点人们并无疑问。一般燃气作用造成的耗损认为是磨损。磨损和烧蚀之间有一定的关系，两个因素结合起来，并在冷热作用下逐步发展。

1.2 身管内膛烧蚀常见型式

典型烧蚀发展，一般表现为3 种型式：

（1）弹带导转部和火药气体对内膛造成磨损和烧蚀，使内膛尺寸发生变化，初速和膛压下降；

（2）由于金属表面多次受到加热和冷却，引起膛面裂纹在个别部位并有金属剥落；

（3）金属表面由于高温、高速气流通过和弹带之间空隙冲刷破坏，形成不同程度的沟槽。通常认为，火炮身管内膛在相当多的射击发数后，才出现烧蚀，且大多数为龟裂烧蚀，仔细进行研究后，发现内膛烧蚀类型是较多的，龟裂并不是烧蚀的唯一形态。

烧蚀龟裂是烧蚀失效内膛的典型形貌，另有几种特殊烧蚀类型，常遇到的有以下几种：①横裂型烧蚀；②纵裂型烧蚀；③划痕型烧蚀；④乱削型烧蚀；⑤不规则型烧蚀；⑥树皮状型烧蚀；⑦碎块型龟裂。

2 火炮身管抗磨损烧蚀破坏研究目标

从提高火炮身管本身的抗烧蚀能力看，近期目标是系统地研究镀铬工艺，改进镀铬层防烧蚀能力；远期目标是发展耐热金属和合金镀层，进一步提高火炮身管烧蚀寿命；更长远的目标是发展陶瓷衬管和无机纤维增强玻璃基复合材料衬管。

己经证明，火炮身管镀铬层在射击过程中主要以开裂剥落形式破坏，而不是磨损破坏,如果能防止铬层开裂剥落，就会大幅度提高火炮身管烧蚀寿命。为此，着重从以下三个方面研究提高铬层抗开裂剥落破坏的能力。第一，改进铬层本身的性质和寻找有一定变形能力的致密的软铬镀层；第二，提高铬层与钢基体的结合强度；第三，控制影响铬层寿命的各种因素。目前最显著的进展是：初步研究成功电镀低收缩性铬(也称软铬)的工艺，这种铬层强度高，密度大，无裂纹，又较软，将这种铬层的钢衬管装入20毫米M24A1 航炮炮管进行射击试验表明，比镀硬铬的钢衬管的寿命高的多。另外，激光处理能降低镀铬层的裂纹与孔隙，含微量其他元素的镀铬层容易得到等轴晶粒组织，不易开裂，离子镀铬层与钢基体结合强度高，控制铬层厚度和铬层力学性能等因素可提高铬层寿命。

国外耐热金属与合金镀层与衬管的研究，大约在20 世纪70 年代中期以前，主要针对中小口径速射武器，70 年代后期以来则积极研究用于大口径火炮炮管防烧蚀。显然是考虑到镀铬层尚不能适应当前火炮防烧蚀要求，更不能适应今后新一代火炮的防烧蚀要求，必须寻找比镀铬层抗烧蚀性能更好的耐热金属与合金镀层。为此，国外近年来主要是用烧蚀试验筛选最抗烧蚀的耐热金属与合金，同时研究适用的镀覆技术。

通过近几年的研究，可以看出如下重要进展和发展动向：第一，在耐热金属中，Ta 的抗烧蚀性能更好些，镀Ta 钢衬管装在20 毫米M24A1 航炮炮管内进行的射击试验表明显著降低了火炮烧蚀，已准备用于大口径火炮；第二，耐热金属层一般是柱状晶粒组织，而耐热金属层则容易得到等轴晶粒组织，因此更耐烧蚀，其中以含钨量较高的Ta-W 合金W-C 性能更好；第三，熔盐电镀和离子电镀技术都可在管件内膛电镀耐热金属，离子电镀层与基体的结合度更高，似乎比熔盐电镀更好些。

陶瓷衬管和无机纤维增强玻璃复合衬管抗烧蚀镀层技术，这项技术美国陆军最先曾研究 过氧化铝陶瓷作衬管，试验结果不理想。后来美国陆军又研究用SiC 陶瓷作炮管衬管，成功地把SiC 衬管缩配到金属中间套管，然后装入金属外套，制成0.50 英寸口径滑膛枪管，在室温单发射击条件下射击了1000 发，衬管既没有烧蚀，也没有开裂。虽然看来SiC 衬管是可行的，但陆军认为陶瓷材料抗冲击性能差，缺口敏感性严重，目前大口径的长而薄的SiC 衬管的制造技术也不成熟，所以陶瓷衬管仅有可能用于将来的大口径火炮。为此，美国陆军 又研究了石墨纤维增强硅酸硼玻璃作炮管衬管的可行性，这种技术还需要进一步试验，来评定这种衬管的抗烧蚀能力。

3 火炮身管抗磨损烧蚀破坏相关的技术措施和发展动向

炮管内膛的磨损、烧蚀是一个十分复杂的现象。使用添加剂是提高炮管耐磨、抗烧蚀性 能的主要措施之一。它是在推进装药中添加某种化学成分，以便射击时，在炮膛的表面形成 某种物质，使其在发射时，燃烧后生成的气体温度低于主推进装药气体的温度，在主推进装 药高温燃气和炮管内壁之间形成一个低温气体层，起隔热的作用。添加剂的种类很多，其中 以二氯化钛和石蜡混合物、有基氨基酸及其盐类添加剂，目前应用比较多，效果比较好。

另外，釆用低烧蚀发射药也是提高炮管耐磨、抗烧蚀性能的主要措施之一。多年的实践 证明火药的火焰温度与炮管的磨损、烧蚀速率之间有密切的关系。美国海军曾用M6 型单基 药、M26 型双基药和海军用的NAC0 冷火药在口径127 毫米，管长6858 毫米的舰炮上作过试 验，结果发现膛线起始部的磨损速率与炮膛表面温度和火药的火焰温度之间成指数关系变 化，而弹带材料或弹带摩擦加热对炮管磨损的影响则是次要的。多年来，美国陆、空军在身 管武器发展中也都一直把研制一种能量高、火焰温度低的发射药作为他们的主要目标之一。20 世纪60年代以前，美国陆军使用的发射药主要有M15 单基、M17 双基和M30 三基药。由于火药性能的提高，到60 年代末，上述发射药在能量和燃烧性能方面已不能满足新一代中、大口径火炮性能的需要。于是，他们开始研制新型三基药，它与原M30 三基药相比，能量既高、火焰温度又低，如果再加入一定量的添加剂，如加入1%～2%滑石粉，可使炮膛烧蚀明显减轻。美空军的自动航炮的炮管破坏，主要也是发射药产生的高温火焰气体烧蚀引起的，因此，目前空军也集中力量研制含硝胺类的新型发射药。

第三种方式是改变炮钢成分。美国华特弗利特兵工厂在研究中发现，炮钢的热传导率对炮管烧蚀有较大的影响，因此他们为改变热传导率，把炮钢中硅的含量适当地降低，而把钼的含量相应地增加，然后用这种低硅高钼钢生产了一根105 毫米的炮管，再用一根同口径的标准炮钢身管进行对比试验，发现发射100 发炮弹后，两种炮管在炮尾膛线起始部位磨损情况相同，过了起始部位，低硅高钼炮钢的炮管磨损量比标准炮钢的炮管小，但总磨损寿命二者基本相同。根据试验发现低硅高钼钢有可能减轻二次磨损区域内的烧蚀速度，目前此类研究仍在继续进行。