電磁軌道炮銅合金導軌失效研究與應對策略

劉賽男，孫洋洋，翟鵬遠，高大偉，張永統(tǒng)， 趙鈺輝，楊國義，肖來榮，蔡圳陽

(1.中南大學 資源加工與生物工程學院， 長沙 410083；2.中國兵器工業(yè)新技術推廣研究所， 北京 100089； 3.河南江河機械有限責任公司， 河南 平頂山 467337；4.中南大學 材料科學與工程學院， 長沙 410083)

1 引言

電磁軌道炮是一種利用電流與磁場相互作用產(chǎn)生強大電磁能,進而將電樞滑塊推送至超高速發(fā)射的新型概念武器，具有常規(guī)火炮武器所不具備的初速高、射程遠、精確度高、操作簡單等一系列優(yōu)點，其巨大的戰(zhàn)略價值及應用前景使其逐漸成為世界各國研究的重點，圖1為美軍展示的電磁軌道炮樣機。

圖1 電磁軌道炮樣機及原理圖Fig.1Prototype and principle of the electromagnetic rail gun

電磁軌道炮發(fā)射過程中導軌處于復雜的熱、力以及電場中，因此對導軌的耐高溫、耐磨損和高導電等性能提出了嚴苛要求。雖然國內(nèi)外已有許多學者對電磁炮發(fā)射過程中導軌表面發(fā)生的高速刨削、載流摩擦磨損以及電弧燒蝕等損傷問題進行了大量研究，但對于電磁軌道炮銅合金導軌的失效形式、失效機理以及抑制方法尚未形成統(tǒng)一觀點。

本文綜述了國內(nèi)外關于銅合金導軌失效的原因、形式與機理等方面的研究進展，提出了銅合金導軌失效問題的解決策略。

2 銅合金導軌失效形式及機理分析

2.1 超高速刨削

美國Graff和Dttloff在對高速火箭撬鋼軌進行研究時首次發(fā)現(xiàn)了刨削現(xiàn)象，并研究了其影響因素。對于刨削的產(chǎn)生原因，國內(nèi)外學者提出了很多假說。

David J.Laird認為導軌表面缺陷產(chǎn)生的初始變形使導軌局部材料發(fā)生重新排列，導致超高速發(fā)射過程中出現(xiàn)碰撞法向分量，使得導軌產(chǎn)生塑性變形最終導致刨削，如圖2(a)、圖2(c)所示。T.J.Watt等認為刨削與爆炸焊接波是相似的，是一種亞穩(wěn)狀態(tài)，在發(fā)射過程中軌道上的彎曲波等對其形成干擾產(chǎn)生刨削，通過對軌道宏觀表面缺陷的刨削坑形貌以及閾值速度進行進一步研究，發(fā)現(xiàn)磨損和刨削坑都是由于導軌表面原本存在的缺陷所引發(fā)產(chǎn)生。實際電磁軌道炮發(fā)射過程中處于高溫、高壓且大電流的環(huán)境，無法直接看到刨削坑的產(chǎn)生過程，因此許多科研人員還通過軟件對發(fā)射過程進行模擬來研究刨削產(chǎn)生機理。圖2(b)、圖2(d)為導軌刨削機理分析模型。

圖2 導軌刨削現(xiàn)象及產(chǎn)生機理模型示意圖Fig.2 Guide rail planing and generation model

L.M.Barker等利用計算程序CTH完成了對刨削沖擊模型的模擬仿真，同時提出刨削是由于電樞與導軌表面的凸出顆粒發(fā)生高速撞擊產(chǎn)生的，刨削坑尺寸與沖擊速度、角度以及導軌材料的屈服強度有關。近年來，隨著計算機技術的快速發(fā)展，對于刨削的模擬也越來越深入。Wu Jingguo等對刨削現(xiàn)象進行了三維數(shù)值模擬并分析其產(chǎn)生機理與演變過程，結(jié)果表明，導軌表面凸起與高速運動電樞在碰撞瞬間發(fā)生能量交換，導致高密度、高壓物料在接觸面流動，進而斜向擠壓進入導軌，導致形成刨削坑成。金龍文等利用有限元軟件ABAQUS對刨削形成過程進行了模擬，發(fā)現(xiàn)隨著電樞速度的增加，軌道受到的損傷越大且高溫環(huán)境下?lián)p傷加劇，會顯著縮短導軌的使用壽命，提出應根據(jù)實際使用情況的要求，尋找導軌硬度與導電性之間的平衡點，同時提升導軌表面加工質(zhì)量將是抑制軌道刨削現(xiàn)象的關鍵。

雖然國內(nèi)外許多學者已經(jīng)對電磁發(fā)射過程中的超高速刨削現(xiàn)象、規(guī)律和產(chǎn)生機理等方面進行了實驗和模擬仿真研究，但其形成機理與改進策略尚未形成統(tǒng)一觀點，因此，對于超高速刨削現(xiàn)象仍有待進一步探究。

2.2 載流摩擦磨損

電磁軌道炮發(fā)射過程中由于電樞與軌道相互預緊接觸，因此接觸面之間不僅會產(chǎn)生超高速刨削，還會產(chǎn)生嚴重的摩擦磨損現(xiàn)象，并且在銅合金導軌上發(fā)生的是相較于普通機械摩擦磨損(包括粘著磨損、磨粒磨損和塑性變形等)更為復雜的載流摩擦磨損。在高溫、高壓和高載荷的接觸條件下，電樞與軌道的接觸點通過發(fā)生反復被破壞和重新支撐的過程，構(gòu)成了載流摩擦磨損行為，如圖3所示。

圖3 銅合金導軌載流摩擦磨損形貌Fig.3 Current-carrying friction and wear images of copper alloy rail

國內(nèi)外科研人員對載流摩擦磨損的產(chǎn)生機理以及影響因素等開展了許多研究。Bansal等研究了在不同電流密度下的鋁合金和銅合金之間的摩擦磨損行為，結(jié)果表明：隨著電流的增加，接觸電阻會逐漸減小，而鋁合金的熱磨損率會增加。Gershman等從不可逆過程熱力學角度考慮將摩擦行為都集中在接觸面上產(chǎn)生的碳膜上，并認為碳膜起到了保護作用，且影響了摩擦體內(nèi)部應力分布。Shizhong Li等研究了電磁軌道炮的滑動電接觸性能，將其分為干摩擦、液化層接觸和高速不穩(wěn)定接觸等3個階段，并建立了3個階段的綜合評價模型，并通過實際發(fā)射實驗驗證了該模型的有效性。Kubo等研究了電流作用下浸漬銅碳帶與銅電車的滑動磨損行為，認為電弧放電會在材料表面形成新的硬質(zhì)顆粒，在高速滑動磨損過程中受剪切力影響逐漸脫落，加重磨粒磨損程度。除了電流外，載荷大小同樣也會影響載流摩擦磨損行為。載荷越大，則會導致接觸點越多、磨損率增加；載荷越小，則會導致更多的電弧放電，因此，對于載流摩擦磨損而言存在一個最佳的載荷壓力。Yasar等研究了電刷彈簧壓力對電流下銅-石墨電刷磨損性能的影響，實驗結(jié)果表明：摩擦功率隨著電刷負載的增加而增加，但電損失率隨著實際接觸面積的增加而減小，且30 kPa BSP以下的磨損機制主要以電弧侵蝕為主，而在120 kPa BSP以上的磨損機制則以機械磨損為主。Yi Feng等研究了接觸壓力對CTN-Ag-G復合刷磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)復合電刷的摩擦系數(shù)與載荷呈負相關的關系且當增加電流時，金屬體表面的粗糙度和磨粒特性增加使得電刷的磨損程度加重。

電磁軌道炮中銅合金導軌載流摩擦磨損是一個涉及力、熱、電和磁場的多因素復雜問題，對其出現(xiàn)形式及產(chǎn)生機理等進行分析,不僅可以明晰多場耦合環(huán)境下銅合金導軌表面載流摩擦磨損機制，還可以針對性地研發(fā)出新型復合材料,以進一步提升銅合金導軌的使用壽命。

2.3 電弧燒蝕

在電磁軌道炮的發(fā)射過程中，巨大的脈沖電流往往需要在幾毫秒的時間內(nèi)通過導軌與電樞形成回路，導致導軌上產(chǎn)生幾kA甚至幾MA的瞬時電流形成電弧，進而在導軌上產(chǎn)生大量熱量并使得電樞與導軌接觸部位發(fā)生嚴重的燒蝕熔化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為電弧燒蝕。出現(xiàn)電弧燒蝕最主要的原因就在于電樞與導軌之間的接觸界面由“固體-固體”轉(zhuǎn)化為了“固體-等離子體-固體”，引發(fā)轉(zhuǎn)捩的產(chǎn)生。因此，對電磁軌道炮發(fā)射過程中的電弧燒蝕行為進行分析，其根本在于對轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象進行研究。

目前，對于轉(zhuǎn)捩的產(chǎn)生機理主要有3種觀點。第1種觀點是熔化波燒蝕理論，這種方法主要是通過數(shù)值模擬的方式來對轉(zhuǎn)捩產(chǎn)生機理進行研究，如圖4所示。

圖4 電弧燒蝕形成機理及模擬示意圖Fig.4 Formation mechanism and simulation of arc ablation

Benton等分別采用一維有限差公式和三維有限元軟件2種方式模擬了導體溶蝕波侵蝕的數(shù)值方法，發(fā)現(xiàn)三維算法更適宜模擬實際熔化波。Woods進一步考慮了磁擴散率的影響，提出電樞面在接觸過程中會發(fā)生由后向前的熔化燒蝕，當熔蝕波貫穿接觸面時即產(chǎn)生轉(zhuǎn)捩。第2種觀點是槽蝕理論，其觀點介于熔化波燒蝕和由力學特性導致的鋁液噴濺或接觸面減小造成的轉(zhuǎn)捩之間。Hsieh采用EMAP3D混合有限元/邊界元程序進行數(shù)值模擬，并結(jié)合實驗確定多種不同鋼材槽蝕的原因，發(fā)現(xiàn)鋼軌局部應力高導致材料屈服和高溫下材料軟化是鋼軌變形的主要原因，這表明槽蝕是一種累積行為，提出應采用高導電性、熱損失少的材料來制備鋼導軌。第3種觀點認為轉(zhuǎn)捩的產(chǎn)生是由于脈沖電流引起導軌的力學和電接觸特性發(fā)生改變導致的。其中，Stefani通過數(shù)值分析方法探究了電磁軌道炮電動過渡機制，認為其破壞了電樞和鋼軌之間的液膜界面，當電流快速下降時，電樞邊緣的局部力會變大,將熔融的鋁從電樞-鋼軌界面拉出進而產(chǎn)生轉(zhuǎn)捩。Satapathy等通過數(shù)值仿真分析不同時刻的不同接觸面上磁壓力和接觸力的關系，認為磁壓力的損失導致電樞與導軌接觸壓力的下降進而發(fā)生轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象。

3種不同的轉(zhuǎn)捩機理都考慮發(fā)射過程中熱、力場的存在，有的也對磁場進行了討論，在一定程度上增進了對電弧燒蝕的了解，但目前尚未形成廣泛公認的轉(zhuǎn)捩機理，因此仍有待于進一步開展深入研究，進而為銅導軌電弧燒蝕抑制難題提供了有效策略。

3 銅合金導軌失效抑制方法研究

電磁軌道炮在發(fā)射過程不僅要求導軌具有高導電率、高強度和高硬度，還要求能實現(xiàn)數(shù)百次的連續(xù)發(fā)射壽命。因此，針對目前銅合金導軌存在超高速刨削、載流摩擦磨損和電弧燒蝕等三大失效難題，本文結(jié)合國內(nèi)外相關研究進展，從導軌材料強化、表面涂層改性和樞軌結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面提出應對策略，以期解決銅導軌失效難題。

3.1 導軌材料強化

銅合金導軌在發(fā)射過程中要承受復雜的高溫、高壓和強電流作用，因此針對性地研制出高硬度、高導電率、耐高溫的高強銅合金材料是抑制導軌失效的有效策略。基于此，國內(nèi)外許多學者對銅基復合導軌材料進行了大量研究。

在眾多電磁軌道炮導軌用銅合金材料備選體系中，Cu-Cr-Zr合金、鈹銅合金、鎢銅合金等體系脫穎而出，許多研究者開展了大量研究，如圖5所示。Wang和Zhong等對直流電流下Cu-Cr-Zr合金的電導率和微觀組織結(jié)構(gòu)演變進行了研究，認為Cu-Cr-Zr合金的電導率與銅基體中的溶質(zhì)數(shù)量相關，即銅基體中的溶質(zhì)數(shù)量越少則合金電導率越高，使用直流電流會提高合金的顯微硬度，通過透射電鏡觀察表明電流會促進Cr的析出進而增加合金的硬度。Yan-bin Jiang等研究了Ni含量對鈹銅強度與導電率等方面的影響，發(fā)現(xiàn)添加一定量的Ni元素,可以增加合金中γ″和γ′，相的析出，顯著提高其強度，但當Ni含量超過2.1%時，形會成少量非共格γ相，降低了析出強化效果。Rachel Monfredo Gee等研究了包括鈹銅、鎢銅在內(nèi)的4種不同銅合金在單次和多次發(fā)射過程中的強度、硬度、電導率與導熱性能，得出導軌材料與電樞材料的相對硬度決定了啟動位置的剪切作用，發(fā)射過程的焦耳熱會使導電性和導熱性相對較差的導軌材料先軟化進而導致犁溝的產(chǎn)生，提出應避免通過犧牲導熱性和導電性的方式來提高導軌的強度和硬度。

圖5 銅基復合材料Fig.5 Copper based composites

開發(fā)銅基復合材料也是提高銅合金導軌綜合性能的有效策略。Wen-min Zhao等利用靜電吸附法,成功制備了RGO/Cu-Ti基復合材料，原位形成的碳化鈦相和彌散分布的RGO相，實現(xiàn)了第二相強化效應，使其力學性能相較于銅基體提高了60%。Tian-xu Qiu等研究了鎳包二硫化鉬對銅基復合材料摩擦性能的影響，發(fā)現(xiàn)鎳包裹的二硫化鉬能夠明顯地改善基體結(jié)合狀況，并且由于鎳的固溶強化作用使基體硬度、力學和摩擦學性能均實現(xiàn)提升。

眾所周知，硬度、強度和導電性能對于銅合金導軌材料往往是不可兼得的，因此，如何協(xié)調(diào)這幾者之間的關系來提高銅合金導軌的導電性、耐磨性,進而延長導軌的使用壽命，仍有待進一步研究。

3.2 導軌表面改性

引入合金化元素可提高銅合金導軌的力學性能和耐磨性能，但合金元素的添加往往易導致銅合金導軌的導電性和導熱性出現(xiàn)顯著降低。而表面改性或制備涂覆層等表面處理技術能在基本不影響銅合金導軌力學性能和導電性能的前提下，顯著提高其表面耐磨性能。基于上述優(yōu)點，國內(nèi)外研究者對銅合金導軌的表面強化技術開展了許多研究。目前關于銅合金表面的涂覆技術主要包括激光熔覆、噴涂以及電鍍等。如圖6(a)所示，激光熔覆以激光作為熱源，將填充材料與基體一起熔化進而形成冶金結(jié)合的熔覆層，常常用來改善基體的表面耐熱、耐磨損和抗氧化等性能，具有涂層稀釋率小、基體結(jié)合強度高以及高效無污染等特點。Quan Lai等采用激光熔覆技術對軌道進行了新型梯度功能材料修復研究，探究了熔覆方向、預熱以及后續(xù)熱處理等工藝對軌道組織和力學性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)軌道修復后的強度與熔覆方向有關。閆華等利用預置粉末的方法在Cu-0.9Cr-0.26Zr銅合金基體上激光熔覆Ni基涂層，并對熔覆層的界面結(jié)構(gòu)和互擴散行為進行研究，其制備的涂層與基體潤濕良好，實現(xiàn)了冶金結(jié)合。

圖6 銅合金表面涂層處理Fig.6 Copper alloy surface coating treatment

冷噴涂處理技術因其對基體的熱影響小、涂層材料范圍廣、沉積效率高等一系列優(yōu)點被廣泛地應用于合金表面改性領域，如圖6(f)所示。張夢清等在銅基體表面冷噴涂了Cu-Ti-BC復合涂層，研究了涂層的微觀結(jié)構(gòu)、物相組成和硬度，發(fā)現(xiàn)BC粒子可起到彌散強化作用，提高了涂層的整體硬度。B.Riccardi等對銅合金上的W涂層噴涂參數(shù)進行優(yōu)化，成功制備出具有良好導熱率、較好結(jié)合強度的W涂層。

對銅合金導軌進行表面改性或制備涂覆層已經(jīng)顯示出良好的應用潛力，有望解決銅合金導軌失效難題，但目前涂覆層體系仍有待進一步優(yōu)選探索，以滿足導軌數(shù)百次重復發(fā)射要求。

3.3 樞軌結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于電流的趨膚效應易導致銅合金導軌局部表面產(chǎn)生大量的焦耳熱，嚴重時甚至會產(chǎn)生軌道燒蝕現(xiàn)象，改善這一現(xiàn)象最直接的策略是通過調(diào)整導軌的形狀等幾何參數(shù)優(yōu)化電流分布。周媛等利用Ansoft-Maxwell 軟件建立了2根平行長直銅導軌的電磁發(fā)射模型，并研究了導軌不同幾何參數(shù)與其電感梯度的關系，發(fā)現(xiàn)相同截面積的矩形截面導軌，寬高比越大，導軌電感梯度越大，而采用T形、環(huán)形、盈月形的截面形狀時，也可獲得更大的電感梯度，常見導軌截面如圖7所示。陳青榮等設計了一種改進型的軌道炮結(jié)構(gòu)，并運用仿真軟件進行模擬，模擬結(jié)果顯示改進后電磁軌道炮整體的電流分布更加均勻，樞軌接觸部位的電流密度減小，能有效提高發(fā)射裝置的壽命和整體性能。毛保全等借助低溫等離子體與磁場的定向約束作用，設計了新型電磁軌道炮樞軌結(jié)構(gòu)，仿真模擬結(jié)果顯示:該結(jié)構(gòu)提高了電流的擴散率進而減輕了電流趨膚效應，降低了接觸面的燒蝕現(xiàn)象。

圖7 常見導軌截面示意圖Fig.7 Common shapes of railcross-section

總之，通過優(yōu)化樞軌結(jié)構(gòu)、改變導軌界面形狀等方法來調(diào)整發(fā)射裝置上的電流和磁場分布情況，能有效地抑制因電流密度大帶來的導軌燒蝕、熔化等失效問題，為電磁軌道炮銅合金導軌失效抑制方法提供了新的方向。

4 總結(jié)與展望

電磁軌道炮作為一種具有初速高、射程遠和成本低等優(yōu)點的新概念動能武器，引起了世界各軍事強國的廣泛關注和研究，未來隨著相關脈沖功率電源技術的發(fā)展，電磁軌道炮的銅合金導軌失效問題將成為制約其實戰(zhàn)化、裝配化的關鍵因素之一。

針對現(xiàn)有銅合金導軌超高速刨削、載流摩擦磨損和電弧燒蝕等三大失效難題，研究具有高強、高導、耐磨的銅合金導軌材料體系，開發(fā)新的表面涂層體系及其大尺寸銅合金導軌的涂層制備技術以及設計合理的樞軌結(jié)構(gòu)等將成為解決電磁軌道炮銅合金導軌失效難題的主要措施。

隨著計算機與人工智能技術的發(fā)展，未來對銅合金導軌失效問題的探究應更多地與計算模擬仿真結(jié)合，進一步揭示銅合金導軌失效機理，提出更合理的改進措施，以推動電磁軌道炮的實際應用。