電磁發射條件下CuCrZr合金材料軌道損傷行為研究

黃偉， 楊黎明， 史戈寧， 張延松， 田開文， 劉凱

(1.寧波大學 機械工程與力學學院， 浙江 寧波 315000； 2.中國兵器科學研究院寧波分院， 浙江 寧波 315103；3.煙臺萬隆真空冶金股份有限公司， 山東 煙臺 264006)

0 引言

電磁軌道炮以其良好的隱蔽性、穩定性以及射程遠、廉價等特點在近些年來得到快速發展[1]。電磁軌道炮可以瞬間將彈丸加速到3 000 m/s以上的超高速，大大縮短彈丸飛行時間，可對目標進行更為有效的打擊和摧毀[2]。電磁軌道炮發射原理是通過發射軌道和導電電樞構成放電回路，應用高功率脈沖電源產生脈沖強電流，強電流通過發射軌道和導電電樞構成放電回路。發射軌道中的強電流產生強磁場，搭載彈丸的載流電樞在軌道強磁場的作用下將會受到電磁力的推動，從而使彈丸獲得高發射速度。電磁軌道炮發展與軌道的優化改進密不可分，而軌道性能取決于軌道材料的選擇，目前文獻報道較多的兩種軌道材料為鋁合金和銅合金。研究發現在電磁發射過程中軌道會出現槽蝕現象，當選用鈹銅合金作為軌道時，經過多次電磁發射后，軌道有明顯的槽蝕損傷，利用輪廓儀檢測發現槽坑位于軌道邊緣的兩側，研究人員將這種情況歸因于塑性變形所引起[3]。美國高等技術研究所(IAT)[4]曾于2002年對槽蝕現象進行研究，其采用鋁合金軌道和鋁合金電樞配對，顯示在電磁發射起始階段軌道有明顯的損傷情況，讓研究人員對槽蝕現象給予極大的重視[3]。近些年來，隨著現代軍事技術的發展以及國防建設的需要，對武器彈藥的高能化、高速化要求越來越高，關于電磁軌道炮方面研究也越來越豐富，國內中國兵器科學研究院、南京理工大學、中國科學院、華中科技大學、西北核技術研究所等單位對電磁軌道炮的脈沖電流、電磁特性、結構設計等方面做了大量研究[5-13]。同時，國外研究人員在電磁發射裝置的應用方面也做了很多有用的工作，在電磁發射的樞軌動力模型、軌道參數對臨界速度的影響以及利用軟件模擬軌道臨界速度等方面取得了一定的進展[14-16]。

軌道是電磁發射裝置的關鍵部件之一，需要良好的導電導熱性、耐蝕性、高強度和高溫穩定性，而CuCrZr合金(C18150銅合金)良好的綜合性能與軌道材料的要求比較匹配[17-19]。本文以C18150銅合金軌道為研究對象，觀察其在多次電磁發射試驗后軌道表面的二維、三維輪廓形貌，探索電磁發射過程中軌道的摩擦磨損機制。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 試驗材料

本研究所選用的軌道材料為C18150銅合金，采用真空熔鑄—熱鍛—固溶—冷鍛—時效工藝技術制備，材料抗拉強度≥550 MPa，導電性≥80%IACS(國際退火銅標準)，硬度≥80 HRB.

所選用的電樞材料為：7075鋁合金，采用半連鑄—擠壓—熱處理工藝技術制備，材料抗拉強度≥520 MPa，導電性≥35%IACS.

1.2 試驗方案

本研究的多次發射試驗在模擬電磁發射試驗平臺上進行，發射裝置參數為：發射極限速度≥2 000 m/s，發射極限加速度≥20 000g，發射峰值電流≥300 kA，試驗10次。

對完成試驗的軌道構件材料進行宏觀觀察和表面輪廓測量。將完成試驗的軌道構件按長度方向進行分割，獲得長度不等的12件軌道材料分析樣品。結合試驗過程中測量所得的電樞運動時刻與位移、速度對照圖(見圖1)，獲得每一段軌道材料分割段所對應的速度(見表1)。

圖1 電樞運動時刻與運動速度、位移對照圖Fig.1 Velocity/displacement of armature vs. time

對完成取樣的軌道材料樣品，采用陜西威爾機電科技有限公司生產的RC120H型二維表面輪廓儀測量其橫向表面輪廓，設定測量范圍為橫向掃描25 mm；采用瑞士丹青科技有限公司生產的RC-ScanP300型三維表面輪廓儀，測量軌道三維輪廓形貌并提取縱向二維表面特征輪廓，設定測量范圍為沿軌道縱向掃描距離40～70 mm.

表1 軌道分割段參數

2 試驗結果

2.1 軌道表面輪廓宏觀形貌

根據電樞在軌道上的加速運動時間和運動位移將軌道以長度方向分為起始、加速、高速3個階段。圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)分別是電磁發射軌道起始階段、加速階段、高速階段的宏觀輪廓形貌。從圖2(a)可以看出，在電磁發射起始階段軌道表面損傷嚴重，軌道表面有部分熔化痕跡，與電樞接觸的兩側出現較厚的鋁沉積，同時軌道表面顏色已從紫紅色變為黃色。從圖2(b)可以看出：加速階段的損傷比較嚴重，出現嚴重的鋁沉積，沉積位置位于電樞接觸的兩側；與電樞接觸的部位存在銀色鋁層殘留，未觀察到明顯的熔化現象；軌道邊緣處的鋁沉積與軌道的結合力較弱，輕微敲擊可使其剝離，而與電樞接觸處的鋁層與軌道的結合較好，無法輕易去除。當電樞速度達到高速階段時，軌道損傷相對較輕，如圖2(c)所示。由圖2(c)可以看出，軌道表面比較光滑，電樞與軌道接觸部位顏色變化并不明顯，且電樞兩側仍能觀察到鉻銅合金的顏色，但靠近炮口位置軌道表面呈現出黑色。

圖2 電磁發射過程中軌道宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of rail during electromagnetic launching

2.2 軌道表面輪廓微觀形貌

圖3 電樞速度105～2 088 m/s時對應軌道位置的二維表面輪廓Fig.3 Two-dimensional surface profile of rail at armature velocity of 105-2 088 m/s

圖3是不同電樞速度下軌道相應橫向輪廓線測試結果。由圖3可以看出：當電樞速度≤1 202 m/s時，軌道表面存在較深的溝槽，軌道表面起伏較大，表面表現出明顯槽蝕特征；當電樞速度≥1 594 m/s時，軌道表面起伏現象逐漸減弱，軌道表面的槽蝕傾向降低。

為進一步獲得軌道材料在不同電樞速度下的損傷情況，對軌道材料樣品進行三維微觀形貌測量。

圖4 不同電樞速度下軌道三維輪廓形貌(上)和縱向二維輪廓形貌(下)Fig.4 Three-dimensional (upper) and two-dimensional (lower) profile morphologies of rail during electromagnetic launching

圖4(a)～圖4(g)分別為不同電樞速度下軌道的三維輪廓形貌和縱向二維輪廓線。從圖4中可以看出，隨著電樞速度的不斷增加，沿電樞運動方向軌道表面起伏越來越小。在電樞速度≤1 202 m/s時，槽蝕傾向較大；當電樞速度≥1 594 m/s時，軌道表面逐漸平整；在電樞速度達到2 000 m/s以上時，軌道表面起伏間距<10 μm.

為了進一步分析電磁發射過程中軌道表面磨損機理，對不同電樞速度階段軌道表面起伏狀態作定量分析。圖5是對二維輪廓儀得到的軌道表面高度起伏的定量測試結果。由圖5可以看出，沿軌道縱向方向，軌道表面峰谷之間間距變化時存在高低起伏變化，但不是單調的變化趨勢。總體上說，軌道表面的峰谷間距呈一種先增加、后降低的趨勢：啟動階段電樞速度從105 m/s增加到704 m/s，軌道峰谷間距不斷增加，704 m/s時達到最大值，由最初的175 μm左右增加至最大值約300 μm；當電樞速度超過704 m/s后，軌道峰谷間距不斷降低；當電樞速度超過2 000 m/s時，軌道表面峰谷間距降低至60 μm左右。

圖5 軌道表面峰谷間距與電樞速度之間的變化關系Fig.5 Rail surface peak-valley spacing versus armature motion velocity

圖6是對三維輪廓儀得到的不同電樞速度區間內軌道表面高度起伏的定量測試結果。由圖6可以看出，沿軌道縱向方向不同電樞速度區間軌道表面峰谷之間間距總體呈一種不斷降低的變化趨勢，從電樞速度0～487 m/s時軌道表面峰谷間距200 μm降低到電樞速度2 085～2 088 m/s時軌道表面峰谷間距8.4 μm.

圖6 軌道表面峰谷間距與電樞速度之間的變化關系Fig.6 Rail surface peak-valley spacing versus armature motion velocity

電磁發射過程中，由于電樞與軌道之間存在摩擦力和焦耳熱作用使得軌道表面出現起伏現象，對電樞速度、樞軌界面微區焦耳熱和軌道表面輪廓起伏作曲線定量表征，可以更清楚地分析發射過程中軌道的摩擦磨損狀態，如圖7所示。從圖7中可以看出：隨著電樞速度的增加，電樞與軌道之間的焦耳熱作用逐漸減小，在電樞啟動階段其焦耳熱達到最大，約19.56×103kJ；同時，軌道表面的輪廓起伏跨度也呈現出減小的狀態，在電樞速度達到最大值2 085 m/s左右時，軌道表面的輪廓起伏程度約為8.4 μm.

圖7 電樞速度、樞軌界面微區焦耳熱和軌道表面輪廓起伏變化曲線Fig.7 Curves of the armature motion velocity, armature rail interface Joule heat and rail surface profile fluctuation

3 摩擦磨損機制分析

結合軌道表面宏觀、微觀形貌以及軌道與電樞之間的焦耳熱作用分析可知，軌道在電磁發射過程中根據電樞的不同運動速度和所處位置存在低速起始階段、加速階段、勻速高速階段3種不同形式的摩擦磨損機制。

1)低速起始階段。從圖2軌道的宏觀狀態和圖7軌道與電樞之間的焦耳熱作用分析可知，在軌道起始階段，尤其是電樞在發生運動之前的臨界狀態，軌道與電樞之間焦耳熱的作用與累計產生大量的熱能，導致電樞與軌道的局部熔化(見圖2(a))，導致電樞中的鋁原子向軌道的銅基體中擴散形成銅鋁固溶體。在電樞啟動后，由于運動速度較低，大量的熱能仍存在于軌道與電樞的界面上，因此，界面存在一定的熔化現象。同時，由于電樞運動，軌道表面出現較深的溝槽與沉積物。此階段軌道的損傷表現形式為熔坑、溝槽與沉積凸起，軌道損傷以熱效應損傷為主。由于電樞與軌道之間存在一定的結構預緊力，此時軌道表面會存在一定的機械磨損。

2)加速階段。當電樞速度逐步提高時，電樞停留在軌道表面的時間相對減小，因此，焦耳熱作用時間與相對熱量絕對值也急劇減小(從圖7中體現)，軌道與電樞熔化趨勢降低。由于電樞與軌道相對運動速度較大，輕微的失穩將會導致軌道承受較大的沖擊力，使軌道表面組織出現一定程度的塑性變形。軌道與電樞的高速相對滑動在加劇了軌道機械磨損現象的同時使軌道呈現光滑平整的表面(見圖2(c)和圖4(e)、圖4(f)、圖4(g))。

3)勻速高速階段。軌道尾部(炮口處)呈現出黑色的表面。考慮到電樞在出膛瞬間，會在炮口處形成較大的炮口電弧，高溫、高電壓的電弧會使炮口絕緣支撐的復合材料發生燒蝕和碳化現象，碳化顆粒附著在軌道上致使表面發黑。

4 結論

本文通過電磁發射試驗后的C18150銅合金軌道材料進行宏觀觀察、二維表面輪廓與三維表面輪廓測量，在此基礎上進行分析對比，獲得軌道材料在電磁發射條件下的損傷行為和摩擦磨損作用機制如下：

1)隨電樞速度的增加，軌道表面橫向起伏的峰谷間距呈先增加、后降低的趨勢：起始階段，軌道表面峰谷間距隨電樞運動速度的增加而增加；當電樞運動速度到達704 m/s時，軌道表面峰谷間距達到最大值300 μm左右；當電樞運動速度大于704 m/s后，軌道表面峰谷間距逐步降低。

2)沿電樞運動方向，軌道表面起伏程度隨著電樞速度增加呈下降趨勢：起始階段，軌道表面起伏約為200 μm左右；當電樞完成加速，速度達到2 000 m/s時，軌道表面起伏降低到11.5 μm左右；當電樞速度達到極值處于勻速運動后，軌道表面起伏近乎為0 μm.

3)軌道損傷呈現不規則現象：起始階段，軌道損傷表現出明顯熱損傷，軌道呈現局部熔化和槽蝕現象；加速階段，軌道承受的熱作用明顯減弱，表現出強烈的摩擦磨損特征和一定的熱熔效應；高速階段，軌道與電樞處于相對高速運動狀態，軌道損傷以機械磨損為主，表現出光滑的摩擦界面和局部的塑性變形。