超硬鋁合金微弧氧化技術在子母彈抗燒蝕性能方面的應用

孫麗榮，趙國偉，張立巖，趙廣軍，李方軍，孫麗華，孫家利，季淑杰

（北方華安工業集團有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046）

微弧氧化是在陽極氧化技術上發展起來的新工藝，是采用高電壓、大電流的直流或交流脈沖電源，進入到電火花區域和弧光放電區域，在材料表面形成大量的等離子體微弧，直接在金屬表面原位生成陶瓷膜層的一種表面改性強化技術[1]。由于等離子體放電通道內溫度高達 2000～8000 K（但電解液和基體的溫度為室溫）、壓力可達100 MPa以上[2]，這種極限條件下的反應過程可賦予基體材料用其他技術難以獲得的優異的耐磨、耐腐蝕、電絕緣及耐燒蝕等多種性能[3]。因此，擬采用微弧氧化技術對我廠某型號子母彈超硬鋁合金彈底進行處理，以提高其發射時耐火藥氣體的高溫沖刷作用。

1 子母彈彈底燒蝕情況

我廠某型號子母彈彈底（示意圖見圖1）為超硬鋁合金，材料牌號為 7A04，表面處理方式為內外表面（含螺紋部分）進行硫酸陽極氧化，并與彈體利用螺紋連接裝配后靜電噴外表面漆。該產品在正樣機研制階段，出現彈底脫落故障，影響了射擊精度。回收后發現彈底在與彈體相接觸的端面上有嚴重的火藥氣體沖刷燒蝕痕跡，并被嚴重破壞（見圖 2）。

經分析，彈丸發射時使用的火炮身管比較長，發射過程中對彈底燒蝕嚴重是出現脫落的外因。在排除了彈底密封不可靠、彈底螺紋連接強度裕度不足、子母彈裝配和入膛過程中的誤操作等可能性之后，確定彈底材料抗沖刷燒蝕能力較差是彈底脫落的內因。

彈底使用的 7A04鋁合金是與美國的 7075合金、前蘇聯的 B95合金并列的超硬鋁合金，化學成分以鋅為主，適量添加鉛、鎂和銅，硬度與鋼接近，強度高達600 MPa，在熱狀態和退火狀態下塑性加工性能良好，廣泛用于飛機制造業上。美中不足的是，耐熱性不好，通常只能工作在 120 ℃以下，燒蝕嚴重時即可導致彈底脫落。

為了讓現有的彈底超硬鋁合金材料可以抵抗火藥氣體的沖刷，必須采取適宜的表面強化方式對彈底進行處理。試驗了在彈底和彈體相接觸的端面上噴涂抗高溫燒蝕涂料，而在其余部位采取微弧氧化的方式進行保護。射擊試驗后拆解檢查，彈底外表面沒有沖刷燒蝕痕跡，但彈底與彈體接縫處仍沖刷出小孔洞（見圖 3），彈底密封圈槽處被火藥氣體熏黑，但沒沖刷出環形溝，止口及螺紋均完好。試驗結果表明，彈底端面涂抗高溫燒蝕涂料處不能抗火藥氣體的沖刷燒蝕，但微弧氧化膜抗沖刷燒蝕效果明顯。最終選擇了對彈底內外表面（含螺紋及止口部分）均進行微弧氧化的處理方式。采用這種處理方式，彈底內部基體的溫度沒有達到相變溫度，所以并未改變內部的基體組織，在保持了超硬鋁合金原有特性的同時，還大幅度地提高了抗燒蝕性能。

2 微弧氧化原理和陶瓷膜特點

微弧氧化技術是將鋁、鎂、鈦等金屬或其合金置于電解質水溶液中，利用微弧放電的瞬間高溫燒結和電解液的冷淬，在復雜的熱化學、等離子化學和電化學的共同作用下[4]，直接在金屬表面原位生長氧化物陶瓷膜層的新工藝[5]。微弧氧化過程一般分為普通陽極氧化、火花放電、微弧放電及弧放電四個階段[6—7]。

高溫高壓特性使鋁合金表面氧化膜發生相和結構的轉變，原氧化膜層呈無序結構，微弧氧化陶瓷膜主要由α-Al2O3相和γ-Al2O3相組成[8]。因為這種Al2O3陶瓷膜為原位生長，與基體金屬屬于微區冶金結合[9—10]，所以具有多種優勢特性，可以數倍乃至數十倍地提高工件的使用壽命，從根本上克服了鋁、鎂、鈦合金材料在使用中的缺點，應用前景十分廣闊。微弧氧化的特點有：結合強度高，可達2500～3000 MPa；硬度高，大幅度提高了材料的表面硬度，顯微硬度在 1000～2000HV，最高可達3000HV，可與硬質合金相媲美[11]；耐腐蝕性高，膜層致密均勻，孔隙率低，中性鹽霧試驗大于1000 h；抗溫度急變及耐高溫氣流沖刷性能優異，100 μm厚的膜層可耐2500 ℃的高溫氣流沖擊，20 s不脫落。

另外，微弧氧化還是一種綠色表面處理技術，具有對環境污染小、易操作和處理效率高的優點[12]，適宜于自動化連續生產。美中不足的是，制備微弧氧化膜需要大功率電源，能源消耗量較大，成本略高，在處理面積較大、結構復雜的工件上存在一定的局限性[13]。

3 彈底微弧氧化工藝規范

微弧氧化陶瓷膜的厚度、組成、結構和性能可以通過調節電參數與改變電解液的成分來控制。根據能譜分析可以得知，微弧氧化膜層所包含的元素不但有基體元素和氧元素，還含有電解液中的陰離子，這說明可以通過引入適當的陰離子元素，并控制膜層中元素的相對含量[14]，來改善氧化膜層的性能，從而實現不同的功能。也可以通過調節電參數來獲得更高的局部放電密度，有利于促進一些特殊膜層的生長。正是由于這種膜層功能的可選擇性和可調節性，使彈底采用微弧氧化方式后具有抗火藥氣體的高溫沖刷作用成為可能。

依據膜層厚度及性能要求，經對比分析、正交試驗優化工藝參數等過程，最終確定各項參數如下。

1）以彈底作陽極，不銹鋼電解槽為陰極，采用恒流方式操作。

2）電解液選擇硅酸鹽體系，通過向硅酸鹽溶液中加入添加劑來改善膜層的性能。配方為：硅酸鈉4～6 g/L，氫氧化鉀1～2 g/L，四硼酸鈉0.5～1 g/L，鋁酸鈉 2～3 g/L，溫度 20～40 ℃，pH值 10～12，處理時間80～90 min。

3）雙極性交變脈沖電源可形成粗糙度小、厚度均勻的膜層，具體參數為：頻率50 Hz，正向占空比50%，負向占空比50%，正向脈沖數1，負向脈沖數1。

微弧氧化工藝流程：彈底上夾具→除油→純水洗→微弧氧化→純水洗→純水封閉→吹干→卸夾具→檢驗。

4 微弧氧化工裝設計原則

由于微弧氧化使用高電壓、大電流，使得單個彈底的處理面積受到限制，為了保證我廠的交貨進度，采用了目前國內功率最大的300 kW電源。

在設計微弧氧化掛具時，掛具不能在溶液中引入新的雜質，且要有足夠的機械強度。另外掛具與彈底要有較大的接觸面和良好的接觸狀態，掛具的其他部位和彈底不受火藥氣體沖刷的表面需要進行絕緣處理，從而使微弧氧化過程中的電流集中在彈底上，加快反應速度，提高生產效率，減少金屬材料、溶液和電能的消耗。

對于掛具與彈底接觸的導電部分采用了同材料的鋁合金，而非導電部位采用了強度比較高的2A12鋁合金，并在其外表面涂覆了一層絕緣膠，同時將彈底的底凹部分進行了封閉處理。最終設計的掛具既滿足了導電要求，又減少了導電面積，生成的膜層致密，可以滿足產品質量要求。

5 微弧氧化膜層各項性能檢測

5.1 確定性能檢測項目

結合產品生產試制過程，制訂了國內第一個微弧氧化技術標準——《微弧氧化膜層通用規范》，對微弧氧化膜層的外觀質量、厚度、耐蝕性和耐燒蝕性等指標作出了具體規定，為軍工產品的微弧氧化試制和驗收提供了依據，也為其他領域的生產提供了參考。

鑒于該產品彈底零件采用微弧氧化生產方式主要是為了解決在發射過程中出現的燒蝕問題，所以對硬度、絕緣性、耐磨性和柔韌性等性能指標不進行檢測，只對影響燒蝕性能的外觀質量、厚度、附著強度、耐腐蝕性和耐燒蝕性指標進行檢測。只有這些性能指標檢測合格，才能保證彈底在射擊時不出現問題。

在進行各項性能檢測時，對外觀質量和厚度檢測采取100%全檢的方式。檢測附著強度、耐燒蝕性和耐腐蝕性時，由于在微弧氧化生產過程中，電流、電壓和電解液等參數控制得很好，波動范圍很小，可基本保證生成膜層的一致性，再結合考慮生產和試驗成本，適當放寬檢測條件，用試樣代替彈底進行檢測。

5.2 微弧氧化膜層外觀質量和金相組織檢查

只有微弧氧化膜層完整，才能確保彈底抵抗火藥氣體的燒蝕能力，所以要求膜層連續均勻，不允許有起泡、裂紋、局部脫落、電擊傷、松散附著等缺陷，并100%檢驗膜層外觀質量。另外，在微觀上還對微弧氧化膜層進行了金相組織檢查。圖4為樣件膜層表面的500倍金相照片，可以看到膜層為多孔狀，且致密。

5.3 微弧氧化膜層厚度檢測

根據彈底在射擊過程中與高溫火藥氣體的作用時間極短（毫秒級），并考慮到產品性能要求，確定膜層厚度為40～60 μm。厚度達到了規定指標，微弧氧化膜層才能起到抗燒蝕的作用，且厚度要在彈底與彈體相接觸的端面上均勻分布，不允許出現厚度偏差過大的現象。

采用渦流測厚儀無損測量膜層的厚度。實測時，在彈底與彈體相接觸端面的圓周方向上對稱選取8個點，取其平均值作為厚度指標。

5.4 微弧氧化膜層附著強度檢測

即使微弧氧化膜層連續均勻，厚度也均勻，如果膜層附著強度不好，也無法起到抗燒蝕的作用。采用同材質、同種工況條件的超硬鋁合金試樣，利用粗研磨銼，沿著從基體金屬到微弧氧化膜層的方向，與膜層表面約呈45°的夾角進行銼削，膜層不允許出現分離現象。每班抽一個試樣進行附著強度檢測。

5.5 微弧氧化膜層耐燒蝕性檢測

燒蝕性檢測方法為氧-乙炔燒蝕試驗，試驗條件為：火焰溫度2000 ℃、燒蝕時間20 s。要求試樣不允許出現裂紋，質量燒蝕率小于 0.1%。試樣的質量燒蝕率Rm（g/s）按公式（1）計算。

式中：m1為試樣原始質量（g）；m2為試樣燒蝕后的質量（g）；t為燒蝕時間（s）。

類似附著強度的檢測，也采取每班抽一個試樣進行耐燒蝕性檢測。

5.6 微弧氧化膜層耐腐蝕性檢測

進行該項檢測，主要是考慮微弧氧化膜層在該產品的全壽命周期內不產生銹蝕，不會間接影響到全彈發射時的耐燒蝕性。耐腐蝕性檢測的依據是GB/T 10125—1997《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》。考慮到該產品各部件的全壽命周期、試驗成本和我廠現有的理化檢測條件，確定采用中性鹽霧試驗法（NSS）：5% NaCl溶液，35 ℃，連續噴霧，考核168 h。經鹽霧試驗的試樣表面允許輕微變色、變暗，但不允許出現銹蝕。

每批抽一個試樣進行耐腐蝕性檢測。

6 微弧氧化處理后裝配精度保證措施

在確定彈底采用微弧氧化方式后，為保證與彈體的裝配精度，采取了以下措施：彈底螺紋按中下限尺寸加工；彈底微弧氧化后，用螺紋環規檢測螺紋尺寸，不合格者剔除，退膜后重新進行微弧氧化處理；彈體磷化后，用螺紋塞規檢測螺紋尺寸，不合格者剔除，退膜后重新進行磷化處理；對彈底和彈體進行預裝，裝配不上時進行選配。采取以上措施后保證了彈體和彈底的裝配精度。

7 微弧氧化膜層射擊試驗驗證

在工藝試驗成功后，隨機抽取40發彈底進行強度、全裝藥高、低溫、某裝藥低溫開艙工作可靠性等靶場試驗項目。經驗證，彈底均無燒蝕、脫落現象，強度滿足要求，高低溫開艙可靠，從而證實彈底采用微弧氧化的處理方式可以抵抗火藥氣體的瞬間高溫燒蝕作用，不會影響該子母彈的各項戰技指標要求。

8 結語

鋁合金由于密度小、比強度大、塑性好、成形性好，在現代工業技術中已成為僅次于鋼鐵的第二大材料。雖然鋁合金的某些性能還不理想，如耐磨性、耐蝕性、耐熱性差，剛度小等，應用范圍受到一定限制，但是經微弧氧化處理后，賦予了鋁合金多種功能性表面強化層，進一步擴大了鋁合金材料的應用。

彈底表面處理方式由原來的硫酸陽極氧化調整為微弧氧化后，各項性能均得到了大幅改善，尤其是抗燒蝕性能得到了飛躍式的提高，通過了批量生產考核，膜層質量完全滿足產品設計要求。