火炮身管失效機(jī)理與炮鋼的發(fā)展

黃進(jìn)峰，張津，陳俊宇，張誠，趙超，連勇

(1.北京科技大學(xué) 新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083)

“一代材料、一代裝備”，火炮是陸軍、海軍和空軍關(guān)鍵主戰(zhàn)裝備，身管作為火炮的核心，身管壽命低是行業(yè)一直未能解決的瓶頸問題。特別是隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對火炮威力、射程、射擊精度、持續(xù)火力等戰(zhàn)技指標(biāo)要求的日益提高，火炮身管服役工況愈加惡劣，解決長期存在的身管壽命問題越來越迫切，不僅是現(xiàn)役裝備提升戰(zhàn)斗力和使用壽命的需要，更是新裝備各種新指標(biāo)和高可靠性的急需與支撐，因此成為國防領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵瓶頸和重大任務(wù)。筆者闡述了火炮身管鋼現(xiàn)狀與性能特點(diǎn)，針對身管壽命問題，突破身管失效機(jī)理并提出科學(xué)解決方案，設(shè)計(jì)研發(fā)新材料以提升武器系統(tǒng)指標(biāo)和延壽之目標(biāo)。

1 火炮身管鋼現(xiàn)狀與發(fā)展

1.1 國內(nèi)外現(xiàn)用炮鋼

20世紀(jì)70年代以來，國外主要采用Cr-Mo-V系鋼火炮身管材料，典型牌號為AISI4330[1]，適當(dāng)增加鋼中Ni、Mo含量以及添加二次硬化元素V形成Ni-Cr-Mo-V中高強(qiáng)鋼，其典型牌號為ASTM A723鋼[2]，并延用至今。20世紀(jì)80年代，國內(nèi)在AISI4330、ASTM A723等國外炮鋼基礎(chǔ)上，對Ni、Cr、Mo、V等合金元素對鋼性能的影響進(jìn)行了深入研究，包括強(qiáng)度、韌性、回火脆性、低溫韌性，韌脆轉(zhuǎn)變溫度等[3-4]，從而研制出PCrNi3MoVA、32CrNi3MoVE等火炮身管材料。

目前，國內(nèi)身管用鋼成分范圍如表1所示[5-8]。在成分特點(diǎn)上，上述炮鋼為中高碳低合金鋼，其碳含量一般在0.2%～0.3%左右，碳與強(qiáng)碳化合物形成元素Mo、V結(jié)合形成合金碳化物進(jìn)行第二相強(qiáng)化，以保證良好的強(qiáng)韌性配合；Ni含量3%左右及Cr含量1%左右，以獲得高淬透性和低溫韌性。最終調(diào)質(zhì)處理后，上述炮鋼室溫強(qiáng)度σ0.1為1 104～1 172 MPa，但高溫下強(qiáng)度劇烈下降，使身管內(nèi)壁層軟化，導(dǎo)致陽線變形和燒蝕，發(fā)生剝落等嚴(yán)重問題。具體表征為，當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，國內(nèi)外現(xiàn)用身管鋼明顯軟化，強(qiáng)度下降為800 MPa；當(dāng)溫度達(dá)650～750 ℃時(shí)，身管鋼強(qiáng)度下降一個數(shù)量級，700 ℃抗拉強(qiáng)度(Rm)從室溫的1 100～1 200 MPa下降到150～220 MPa；同時(shí)，700 ℃彈性模量也從室溫的200～210 GPa下降到45～55 GPa。此外，現(xiàn)用身管鋼還存在燒蝕性能弱等問題。因此，高溫強(qiáng)度低和燒蝕性能弱，是火炮身管壽命低的根本原因。

表1 典型炮鋼牌號與化學(xué)成分

隨著火炮膛壓、彈藥和指標(biāo)要求不斷提高，其使用工況越來越惡劣，尤其是在持續(xù)射擊或高膛壓、強(qiáng)裝藥等情況下，火炮壽命問題已越來越成為制約火炮身管壽命和裝備更高更新要求的瓶頸問題。特別是在設(shè)計(jì)、彈藥質(zhì)量、身管管坯制備以及彈帶等與國外的差異，火炮身管壽命問題在我國更為突出。因此，需在身管失效機(jī)理研究上取得原理上突破，并以此確定高性能身管新材料的設(shè)計(jì)依據(jù)和應(yīng)達(dá)到的關(guān)鍵指標(biāo)，全新設(shè)計(jì)制備出具有高熱強(qiáng)性和抗燒蝕的身管新材料，以便更好解決國內(nèi)外現(xiàn)用身管材料壽命和可靠性問題。

1.2 冶煉工藝

隨著炮鋼冶煉工藝不斷發(fā)展，高潔凈度對火炮身管鋼強(qiáng)度、塑韌性、抗疲勞及腐蝕性能等具有重要影響。為了提高鋼材純凈度，國內(nèi)外對爐料進(jìn)行嚴(yán)格控制并采用真空處理和二次精煉技術(shù)，控制鋼中痕量元素As、Sn、Sb、Pb、Al等以及有害氣體N、H、O等和非金屬夾雜S、P[9]。

目前，國內(nèi)仍延用國外電渣重熔精煉工藝方法。電渣重熔是利用電流通過熔渣時(shí)產(chǎn)生的電阻熱作為熱源進(jìn)行重熔冶煉[10]，鋼中有害氣體N、O含量可控制在10×10-6～20×10-6以及H含量在2×10-6范圍內(nèi)，非金屬夾雜S、P含量分別為10×10-6以及15×10-6范圍內(nèi)[11]。自20世紀(jì)70年代至今，國內(nèi)外對電渣重熔工藝如何提高純凈度方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析研究。BHAT等[12]提出電渣重熔夾雜物的形成是由于隨著自耗電極末端形成的熔滴滴落導(dǎo)致金屬熔池液面上升從而進(jìn)入渣池導(dǎo)致，對此，WEBER等[13]采用細(xì)化熔滴減緩重熔速度，較原工藝重熔速度降低5%～7%，電渣重熔去除非金屬夾雜物效率提高10%～15%。李正邦等[14]通過控制自耗電極冶煉脫氧制度以及重熔渣成分體系(CaO-MgO-Al2O3-SiO2-0.15CaF2)替代傳統(tǒng)渣(0.7CaF2-0.3Al2O3)，結(jié)果表明鋼中平均硫化物≤1.5級，氧化物≤1級。適當(dāng)添加La、Y、Sc等稀土元素與氧生成氧化物及硫化物也具有脫氧脫硫、改善晶粒組織的作用[15]。

1.3 鍛造工藝

身管鍛造工藝是目前我國火炮制備關(guān)鍵技術(shù)之一，對改善鍛件內(nèi)部質(zhì)量和提高力學(xué)性能具有重要作用。由于成形件尺寸較大，導(dǎo)致鋼材內(nèi)部易產(chǎn)生成分偏析、晶粒組織粗大、縮松縮孔等問題，通過多次鐓拔開坯鍛造工藝破碎晶粒，從而細(xì)化組織及降低缺陷率。

QIAN等[16]制定了AISI 4140兩鐓兩拔開坯鍛造工藝，采用單邊壓下量50 mm、進(jìn)給量100 mm、壓下速率30 mm/s，鍛件平均晶粒度達(dá)到5級。陶永發(fā)等[17]對大型AISI 4330鍛件采用三鐓三拔開坯工藝，結(jié)果表明，壓下率為14%～15%，縮松縮孔率降低10%～12%。Bokelmann[18]優(yōu)化了ASTM A723鋼錠開坯工藝，采用大壓下率(大于30%壓下率拉拔后小于50%相對壓下量進(jìn)行兩鐓三拔)，結(jié)果表明鋼錠經(jīng)多次外力強(qiáng)壓產(chǎn)生的內(nèi)外壓力差可均勻化鑄造組織，鍛件晶粒度可達(dá)6～7級。

近年來，隨著旋轉(zhuǎn)精鍛具有鍛件質(zhì)量及尺寸精度高、加工工序少和高自動化程度等特點(diǎn)，在火炮發(fā)展中常用，在開坯后常采用徑向旋轉(zhuǎn)精鍛技術(shù)改善組織性能。與傳統(tǒng)鍛造工藝相比，旋轉(zhuǎn)精鍛過程中鍛件處于多向壓應(yīng)力狀態(tài)，經(jīng)擠壓變形后的鋼材晶粒組織更加致密，因而具有材料利用率、生產(chǎn)效率及鍛后身管精度高，表面質(zhì)量良好等優(yōu)點(diǎn)。目前，國外已開始采用內(nèi)膛旋轉(zhuǎn)精鍛，即包括預(yù)制空心管坯、空心管坯感應(yīng)快速加熱、旋轉(zhuǎn)精鍛火炮成品管坯。通過內(nèi)膛精鍛可使炮管內(nèi)膛完全變形，可徹底消除傳統(tǒng)工藝難以避免的成分偏析、組織粗大、混晶、致密度低等問題，從而使火炮材料性能潛力充分發(fā)揮，其壽命和可靠性得到顯著提高。美國沃特弗利特兵工廠等已廣泛采用該技術(shù)進(jìn)行包括大口徑火炮、坦克炮在內(nèi)的火炮身管毛坯制備。國內(nèi)在20世紀(jì)80年代中期引進(jìn)GFM四錘頭徑向鍛造機(jī)，用于兵器行業(yè)中火炮及自動武器身管徑向鍛造成形[19]。而目前國內(nèi)仍主要采用棒材鍛造工藝，即包括油壓機(jī)開坯、旋轉(zhuǎn)精鍛成身管棒材、棒材經(jīng)加工和深孔鉆制備出火炮成品管坯，但內(nèi)膛精鍛工藝仍處于探索與試驗(yàn)階段。

胡永平等[20]采用鍛造鏜孔技術(shù)制造大口徑9%Cr厚壁管坯，通過控制化學(xué)成分，優(yōu)化鍛造工藝以及對深孔套料刀體進(jìn)行改進(jìn)，試驗(yàn)結(jié)果表明鍛件夾雜物級別均低于2.0級，室溫拉伸性能為(680±10)MPa，內(nèi)部組織均勻。張凌峰[21]利用有限元軟件DEFORM對P91厚壁管的穿孔制坯和熱擠壓成型過程進(jìn)行模擬預(yù)測，結(jié)合熱力耦合方法分析了穿孔過程中金屬的流動規(guī)律包括速度場、溫度場、等效應(yīng)力場等，結(jié)果表明坯料在1 250 ℃﹑100 mm/s的參數(shù)條件下最大擠壓力達(dá)到了199 MN，當(dāng)溫度下降50 ℃，擠壓力增幅可達(dá)20%左右，擠壓比為5的時(shí)候最大擠壓力為102 MN，對應(yīng)同參數(shù)下擠壓比為9時(shí)最大擠壓力262 MN，增幅達(dá)156.9%。吳紅等[22]將30SiMn2MoV低合金管坯在環(huán)形爐內(nèi)以1 230～1 270 ℃進(jìn)行加熱，加熱后穿孔并通過扎管機(jī)軋制成型，室溫抗拉強(qiáng)度為(650±10)MPa，-20 ℃ V型低溫沖擊功為(130±20)J。

1.4 熱處理工藝

熱處理工藝決定了身管毛坯成品的組織與性能，是火炮身管制造中重要工藝之一。身管鋼材料熱處理工藝主要包括正火、退火、淬火、回火。

傳統(tǒng)工藝一般采用鍛后退火+正火+淬回火可以獲得回火索氏體組織，具有較好的綜合力學(xué)性能。為提高身管材料強(qiáng)韌性等綜合性能，國內(nèi)外展開了針對不同條件熱處理對身管性能影響的研究。楊勇等[23]采用中頻淬火工藝對PCrNi3MoV身管鋼進(jìn)行局部熱處理，結(jié)果表明，PCrNi3MoV鋼室溫強(qiáng)度分別提高50～100 MPa，塑性和韌性較未處理前提高5%～10%。趙隆[24]研究了25Cr3Mo3NiNbZr炮鋼材料強(qiáng)化機(jī)理，結(jié)果表明隨回火溫度的升高，M3C、M2C和M7C3等碳化物析出使基體高溫強(qiáng)度提高240～300 MPa。MAJUMDAR等[25]制定了Ni-Cr-Mo-V火炮身管鋼最佳熱處理工藝參數(shù)，具體為900 ℃正火保溫5 h后空冷至室溫，860 ℃保溫5 h升溫至870 ℃保溫1 h淬火，回火溫度控制在350～400 ℃，室溫屈服強(qiáng)度可達(dá)到σ0.2≥1 147 MPa。TOTIK等[26]研究了不同快速感應(yīng)淬火條件下對AISI 4140炮鋼磨損性能的影響，結(jié)果表明殘余應(yīng)力和感應(yīng)淬火改善了AISI 4140鋼組織均勻性，室溫磨損率從8×10-5mm3/(N·m)降低至6×10-5mm3/(N·m)。

改良熱處理設(shè)備也是實(shí)現(xiàn)火炮身管延壽主要措施之一。身管熱處理主要采用井式爐垂直和臥式爐水平熱處理。美國沃特弗利特兵工廠采用臥式爐水平熱處理方式，其可以使間歇式作業(yè)變?yōu)檫B續(xù)，從而實(shí)現(xiàn)自動化操作，縮短熱處理周期[27]。然而國內(nèi)仍采用井式爐垂直熱處理，導(dǎo)致火炮身管生產(chǎn)效率低以及鋼材料晶粒易粗大等問題。

1.5 現(xiàn)有火炮鋼性能

高膛壓下火炮身管材料承受高壓、高溫、高速火藥氣體燒蝕、彈帶磨損及很大的交變動載荷等惡劣工況，要保證身管的使用壽命，炮鋼材料必需具有以下性能指標(biāo)：

1)炮鋼應(yīng)具有足夠的室溫強(qiáng)度與硬度，即可保證炮身在沖擊載荷的作用下不變形或破壞，并減少彈丸在身管內(nèi)膛運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的磨損；在火炮威力保持不變的情況下，用高強(qiáng)度炮鋼減輕火炮質(zhì)量。

2)炮鋼應(yīng)有足夠的塑性、延性、常低溫沖擊韌性。身管材料的安全與韌塑性密切相關(guān)。在身管膛壓增大而出現(xiàn)破斷危險(xiǎn)時(shí)，若材料富有延性，則內(nèi)膛能盡量擴(kuò)大，避免炸裂；炮鋼具有良好的韌性，能保證身管在高速沖擊下，快速加載或減載時(shí)，發(fā)生脆性斷裂的可能性減至最小，甚至不出現(xiàn)脆性破斷。當(dāng)火炮在寒冷的環(huán)境下服役時(shí)，為防止炮管在低溫發(fā)射發(fā)生脆斷，炮鋼應(yīng)有良好的低溫沖擊韌性，炮鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)低于使用環(huán)境的最低溫度。

3)炮鋼應(yīng)具有良好的低周疲勞性能，即有足夠的斷裂韌性和低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。火炮身管需要有足夠的抗裂紋擴(kuò)展能力，炮鋼的臨界疲勞裂紋長度應(yīng)等于或大于身管壁厚，確保身管有足夠的疲勞壽命。

4)炮鋼應(yīng)具有較高的高溫強(qiáng)度。在射擊過程中，高膛壓火炮內(nèi)膛表面隨著溫度升高，炮鋼的屈服強(qiáng)度、彈性模量、面縮率、泊松比變化極大，炮鋼的熱強(qiáng)性不好，身管的使用壽命會顯著降低，甚至彎曲、脹裂失效。

槍炮身管工況惡劣，發(fā)射時(shí)火藥瞬間溫度高達(dá)2 000 ℃甚至以上，從而使內(nèi)膛陰陽線薄壁層溫度很快達(dá)到650～700 ℃高溫，尤其是速射武器持續(xù)射擊下，身管內(nèi)膛陰陽線薄壁層溫度甚至可達(dá)700～800 ℃。因此，高性能身管材料需具有高溫高強(qiáng)度與彈性模量、高溫抗燒蝕、高溫高耐磨及優(yōu)異的抗疲勞性能，以實(shí)現(xiàn)壽命和可靠性的同時(shí)提高。

國內(nèi)現(xiàn)用PCrNi3MoV鋼的室溫強(qiáng)度高，但高溫強(qiáng)度與高溫彈性模量低，不僅嚴(yán)重影響身管壽命，且?guī)硐喈?dāng)?shù)陌踩L(fēng)險(xiǎn)，特別是高膛壓、強(qiáng)裝藥以及連續(xù)射擊等惡劣工況中。如某小口徑火炮身管采用PCrNi3MoV鋼，射擊試驗(yàn)的壽命約1 000余發(fā)；國內(nèi)在炮鋼材料研究方面，主要通過調(diào)整Cr-Mo-V系和Cr-Ni-Mo-V系鋼化學(xué)成分，如在32Cr2Mo1VA炮鋼的基礎(chǔ)上增加約1.2%Ni，以提高韌性和室溫性能，但在高溫強(qiáng)度、高溫抗燒蝕等關(guān)鍵方面沒有提升[28]?？傮w而言，國內(nèi)外現(xiàn)用身管鋼的室溫力學(xué)性能較好，但均存在高溫強(qiáng)度低以及耐磨性、抗燒蝕能力差等問題。如30CrNi2MoVA在700 ℃的高溫強(qiáng)度僅為132 MPa，無法滿足火炮對高溫強(qiáng)度的要求[29]。

為提高槍炮身管壽命，國外采用了超高強(qiáng)鋼、熱作模具鋼、高溫合金等材料，但均未見明顯效果，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重事故。例如：為提高火炮壽命，國外曾采用超高強(qiáng)度鋼，但壽命不僅未見明顯提高，且出現(xiàn)火炮炸膛等嚴(yán)重事故[30-31]。目前，國內(nèi)外槍管使用的材料主要是30SiMn2MoVA、Cr-Mo-V系列等，火炮身管使用的材料主要是PCrNi3MoV、32CrNi3MoVE等?，F(xiàn)用身管鋼室溫低溫性能較好，但高溫強(qiáng)度很低，700 ℃高溫強(qiáng)度僅150～220 MPa，高溫彈性模量從室溫210 GPa下降到僅50 GPa左右，加之抗燒蝕性能差，出現(xiàn)火炮身管因微變形、燒蝕剝落與磨損嚴(yán)重等問題而壽終。國內(nèi)外也開展了材料工藝等方面研究工作，如：27MnMoVA、28Cr2MoVA、25Cr3Mo3NiNbZr等，但高溫強(qiáng)度仍較低，且燒蝕性能較弱，未見壽命提升和應(yīng)用報(bào)道，因此，現(xiàn)用火炮身管仍采用PCrNi3MoV、32CrNi3MoVE等材料[32-33]。

此外，國內(nèi)在設(shè)計(jì)、加工工藝、火藥質(zhì)量及表面處理等方面的差異，即使身管材料與性能一樣，壽命也與國外存在較大差距，僅國外1/3～1/2。因此，只有立足工況，突破身管失效機(jī)理并提出科學(xué)解決方案，全新設(shè)計(jì)研發(fā)制備出關(guān)鍵性能超過國外火炮身管鋼，以彌補(bǔ)上述方面差異，使火炮壽命與安全性等方面達(dá)到并超過國外先進(jìn)水平。

2 火炮身管失效機(jī)理

身管壽命問題一直是制約身管武器發(fā)展的重要因素。因此，身管燒蝕磨損問題一直是各個國家軍工科研工作者研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者對身管失效機(jī)理進(jìn)行大量研究，主要研究成果如下。

2.1 燒蝕磨損機(jī)理研究進(jìn)展

從20世紀(jì)30年代美國就開始對身管的燒蝕磨損問題進(jìn)行研究。LAWTON[34]認(rèn)為內(nèi)膛的燒蝕磨損主要來源于火藥燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱-化學(xué)作用以及彈丸擠進(jìn)過程中與身管表面摩擦產(chǎn)生的熱-機(jī)械作用。SOPOK[35]通過對各種鍍層身管的實(shí)彈射擊、模擬試驗(yàn)后的燒蝕測定和特點(diǎn)，提出了熱-化學(xué)-機(jī)械燒蝕磨損模型，隨后該模型被用于發(fā)展各個特定火炮的燒蝕模型、燒蝕預(yù)測和降燒蝕工作。

國內(nèi)對火炮身管失效機(jī)理展開研究。黃進(jìn)峰等[36]對表面鍍鉻和碳氮共滲處理的身管進(jìn)行了燒蝕模擬試驗(yàn)，經(jīng)過測試和金相觀察，提出了鍍鉻身管的失效模式為鍍層剝落加基體白層剝落，碳氮共滲身管失效模式為高速燃燒顆粒沖擊下的基體腐蝕。張金等[37]研究了火炮身管燒蝕層的形成過程，結(jié)果表明膛線起始部陽線主要生成橫向裂紋，陰線主要為縱向裂紋，燒蝕層出現(xiàn)碳、氮共滲現(xiàn)象，白層的主要成分為馬氏體和殘余奧氏體。然而，由于身管燒蝕磨損機(jī)理復(fù)雜，且國內(nèi)身管制造與應(yīng)用幾乎依賴于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)方法，但在失效理論研究方面仍未將身管材料關(guān)鍵性能與火炮失效參數(shù)對應(yīng)，其對于身管材料性能提升與火炮延壽具有重要意義。

2.2 火炮身管失效機(jī)理新突破

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過對各種槍炮身管材料損傷行為與機(jī)理進(jìn)行長期和深入的研究[36-39]，建立了身管材料關(guān)鍵性能與火炮失效參數(shù)(初速下降、精度下降、橫彈等)的對應(yīng)關(guān)系，從而提出了解決壽命的科學(xué)方案，如表2所示。從表2可以看出，提高身管基體材料的抗燃燒性能、600～700 ℃高溫強(qiáng)度、高溫耐磨性能是實(shí)現(xiàn)火炮延壽關(guān)鍵解決方案。

表2 身管壽命失效判據(jù)、本質(zhì)問題與解決方案

3 火炮身管新材料

3.1 火炮身管新材料設(shè)計(jì)與制備

本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)以理論突破為根據(jù)，設(shè)計(jì)研制出系列長壽命槍炮身管新材料(高溫高強(qiáng)槍管鋼MPS700、高精度耐蝕槍管鋼MPS700A、小口徑火炮身管鋼P(yáng)G1及大口徑火炮身管鋼P(yáng)G2等)，其中火炮身管新材料(PG1、PG2)基于槍管新材料設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)高溫強(qiáng)度達(dá)到現(xiàn)用槍炮鋼2～3倍以上，高溫磨損率僅1/5～1/2，高溫性能全面優(yōu)于國內(nèi)外同類材料等。具體設(shè)計(jì)原理、性能對比與實(shí)彈驗(yàn)證結(jié)果如下：

1)抗燃燒燒蝕設(shè)計(jì)：基于提高燃燒門檻值的抗燒蝕設(shè)計(jì)，通過增加Cr、Ni高燃燒門檻值元素，降低易燃燒元素C含量，并在關(guān)鍵制備工藝中調(diào)整和控制合金元素存在形態(tài)與數(shù)量等，以提升材料的燃燒門檻值，實(shí)現(xiàn)身管新材料較現(xiàn)用材料產(chǎn)生燒蝕的臨界壓力、溫度升高及燒蝕程度顯著降低，如燒蝕發(fā)生溫度提升50～100 ℃，壓力門檻值提高50%，燒蝕面積下降50%等。

2)高溫強(qiáng)度設(shè)計(jì)：基于高溫共格強(qiáng)化設(shè)計(jì)，采用W、Mo、V等共同作用，形成特殊碳化物且與基體的高溫共格關(guān)系，從現(xiàn)用火炮身管的500 ℃提高到700 ℃；且火炮身管新材料700 ℃高溫強(qiáng)度達(dá)到現(xiàn)用炮鋼材料2倍以上，高溫彈性模量較現(xiàn)用材料提高50%，不僅提升身管壽命，更是提升實(shí)戰(zhàn)條件對持續(xù)火力與精度等的關(guān)鍵。

3)高溫高耐磨設(shè)計(jì)：重點(diǎn)針對小口徑火炮速射長連射，以及高膛壓火炮容易產(chǎn)生身管內(nèi)膛磨損而壽終的問題，通過提高從納米到微米的多尺度高硬度球狀碳化物(VC、Mo2C)含量與分布，提升身管鋼高溫?zé)岱€(wěn)定性與紅硬性，從而實(shí)現(xiàn)從室溫到高溫的高耐磨。

4)疲勞性能：中低碳代替中高碳，獲得板條馬氏體為主組織；同時(shí)，采用細(xì)化晶粒與組織技術(shù)，以提高材料的疲勞性能；與現(xiàn)用材料相比，體現(xiàn)為更高的斷裂韌性、低的裂紋擴(kuò)展速率和應(yīng)力集中下的疲勞壽命等。

通過上述4大關(guān)鍵創(chuàng)新和相應(yīng)技術(shù)，達(dá)到同時(shí)提高新材料身管的彈道(燒蝕)壽命和疲勞壽命(可靠性)。

在小口徑身管新材料高性能和實(shí)彈考核壽命翻倍提升基礎(chǔ)上，針對大口徑火炮工況和身管尺寸等特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)：

1)高溫強(qiáng)度與抗燒蝕性能：大口徑火炮大裝藥量、高膛壓，故身管內(nèi)膛升溫快且燒蝕嚴(yán)重，從提高身管壽命及首發(fā)命中等考慮，其技術(shù)關(guān)鍵在于提高高溫強(qiáng)度和抗燒蝕性能。

2)疲勞壽命與可靠性：大口徑火炮身管對斷裂韌性和-40 ℃低溫沖擊功要求極高，以保證其安全可靠性，因此在高溫強(qiáng)度提高的同時(shí)材料還需具有更高的疲勞性能和疲勞壽命。

3)材料制備、加工與熱處理等：大口徑火炮身管除在冶煉、鍛造及熱處理等方面要求較高外，還應(yīng)在保證材料室溫、低溫和高溫性能的同時(shí)，優(yōu)化材料的加工性能。同時(shí)，材料還須具有很高的淬透性。

3.2 火炮身管新材料性能特征

身管新材料在滿足室溫、低溫性能前提下，較國內(nèi)外同類材料PCrNi3MoVA、32CrNi3MoVE等，在決定身管壽命的抗燒蝕、高溫強(qiáng)度、耐磨性能，以及疲勞性能等關(guān)鍵性能上均具有顯著技術(shù)優(yōu)勢。

3.2.1 抗燃燒燒蝕性能

取燒蝕標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸為Φ3.2 mm×40 mm圓棒32CrNi3MoVE和PG1試樣(均為回火態(tài))，試樣底部纏繞5圈電阻絲代替鎂帶，在0.3 MPa氧壓下的富氧環(huán)境中進(jìn)行燒蝕實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過燒蝕后表面及橫截面SEM形貌如圖1所示。從圖1(b)中明顯看出，燒蝕后32CrNi3MoVE試樣表面有大量明顯燒蝕坑出現(xiàn)。如表3所示，經(jīng)計(jì)算得到身管新材料受燒蝕面積占比為26.9%，32CrNi3MoVE為40.9%，且燒蝕程度顯著降低，抗燒蝕性能提高50%以上[40]。

表3 3種材料燒蝕區(qū)域面積及占比

圖2為32CrNi3MoVE和新材料PG1燒蝕門檻值數(shù)據(jù)，燒蝕試樣尺寸分別為直徑Ф2.4 mm×40 mm、Ф3.2 mm×40 mm、Ф4.0 mm×40 mm，引燃物鎂帶用量為0.1 g，考察不同直徑尺寸條件下對32CrNi3MoVE、火炮身管新材料試樣燒蝕產(chǎn)生的影響，在0.10～0.50 MPa(間隔為0.04 MPa)高壓環(huán)境中進(jìn)行燒蝕試驗(yàn)，燒蝕壓力(或溫度)門檻值為試樣發(fā)生燒蝕的臨界壓力或溫度。結(jié)果表明不同直徑尺寸火炮身管新材料PG1燒蝕壓力門檻值均較現(xiàn)用炮鋼材料32CrNi3MoVE提高1倍以上，從而表征為具有優(yōu)異的燒蝕性能。

3.2.2 高溫強(qiáng)度

圖3為身管新材料與現(xiàn)用炮鋼材料拉伸性能對比。

小口徑火炮身管新材料PG1 700 ℃時(shí)，高溫強(qiáng)度達(dá)到540～620 MPa，大口徑火炮身管新材料PG2 700 ℃時(shí)，高溫強(qiáng)度為400～480 MPa，較現(xiàn)用炮鋼32CrMoVE提升1.5倍以上，較PCrNi3MoV、32CrNi3MoVE提高2倍以上。同時(shí)高溫剛度也得以提高，700 ℃彈性模量達(dá)到100 GPa左右，如表4所示。

表4 身管鋼700 ℃高溫彈性模量對比

TEM如圖4所示，分析表明，700 ℃高溫下，PG1新材料基體仍保持板條形態(tài)，碳化物與基體保持共格關(guān)新材料中，合金碳化物成分為含V、Mo、W、Fe、Cr的MC型合金碳化物[41-43]。700 ℃ PG1新材料MC型碳化物與基體位向關(guān)系如圖5所示，MC型碳化物與基體位向關(guān)系為(200)α∥(200)MC，[001]α∥[011]MC。而在此溫度下，32CrNi3MoVE鋼板條已發(fā)生明顯粗化，相對應(yīng)的位向關(guān)系消失。

3.2.3 高溫耐磨性能

圖6為身管新材料PG1 700 ℃組織形貌。如圖6(c)所示，適當(dāng)提高V、Mo、W等元素含量，獲得大量彌散分布的亞微米級M2C高硬碳化物提供耐磨性；熱處理工藝控制，利用納米級彌散碳化物提高基體熱穩(wěn)定性獲得紅硬性；同時(shí)為兼顧塑韌性，采用中低碳代替現(xiàn)在中碳設(shè)計(jì)，保證淬火后獲得全板條馬氏體組織，如圖6(a)所示。如圖6(b)采用熱變形熱處理全流程控溫控冷集成技術(shù)獲得細(xì)晶組織與高均勻球化碳化物，實(shí)現(xiàn)了高溫高強(qiáng)度的同時(shí)兼具優(yōu)異的低溫韌性，確保新材料槍管的安全性。

身管鋼在不同溫度下的磨損率如表5所示，室溫下，火炮身管新材料PG1的磨損率最小，32CrNi3MoVE的磨損率最大。隨著溫度逐漸上升4種身管鋼磨損率均逐漸增加，在不同溫度下，新材料PG1、PG2磨損率均低于32CrNi3MoVE和PCrNi3MoVA，說明在各個溫度下PG系列新材料均具有更好的耐磨性能[44-45]，且新身管材料PG1、PG2高溫磨損量較現(xiàn)用炮鋼P(yáng)CrNi3MoVA、32CrNi3MoVE，磨損率僅1/5～1/2。

表5 身管鋼600 ℃磨損率測試數(shù)據(jù)

3.2.4 高溫疲勞性能

圖7為600 ℃下新材料PG1和PCrNi3MoVA在0.3%應(yīng)變幅控制時(shí)低周疲勞斷口源區(qū)形貌，黑色線為疲勞擴(kuò)展區(qū)域，箭頭標(biāo)記為裂紋擴(kuò)展方向。在0.3%總應(yīng)變幅下，PG1鋼裂紋擴(kuò)展區(qū)域面積均大于PCrNi3MoVA鋼，PG1鋼600 ℃下低周疲勞壽命高于PCrNi3MoVA鋼[46]。如表6所示為身管新材料(PG1)與PCrNi3MoVA 0.3%在應(yīng)變幅為0.3%條件下進(jìn)行600 ℃低周疲勞測試，試驗(yàn)結(jié)果表明，身管新材料PG1高溫疲勞性能可提高到現(xiàn)用身管材料PCrNi3MoVA的1.5倍。

表6 0.3%應(yīng)變幅下進(jìn)行600 ℃低周疲勞測試結(jié)果

3.3 火炮身管材料實(shí)彈考核

小口徑身管壽命考核試驗(yàn)后內(nèi)膛情況如圖8所示，火炮新材料內(nèi)膛無明顯燒蝕變形，而對比材料PCrNi3MoVE、32Cr2Mo1VE燒蝕、變形嚴(yán)重，且鍍層剝落明顯。

目前，身管系列新材料已成功實(shí)現(xiàn)小口徑速射火炮壽命翻倍提升，且已逐步應(yīng)用。此外，針對大口徑火炮身管工況與新要求而研發(fā)大口徑身管新材料，已在多個關(guān)鍵方面取得突破并取得階段性成果。

4 結(jié)論與展望

現(xiàn)用火炮身管鋼高溫?zé)釓?qiáng)性低以及高溫抗燒蝕性能差，導(dǎo)致火炮身管變形與燒蝕剝落等嚴(yán)重問題，其壽命也僅為國外1/3～1/2。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)立足于實(shí)際工況，建立身管材料關(guān)鍵性能與火炮失效參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，分析初速與燒蝕，精度與高溫強(qiáng)度，飛行穩(wěn)定性與磨損的失效判據(jù)及本質(zhì)原因，提出相應(yīng)的科學(xué)解決方案，并在長壽命火炮身管系列新材料與制備技術(shù)、實(shí)彈考核驗(yàn)證及應(yīng)用等多方面取得關(guān)鍵突破與成果：

1)高溫高強(qiáng)度：700 ℃高溫強(qiáng)度達(dá)到500～620 MPa，較現(xiàn)用炮鋼32CrMoVE提高1.5倍以上，較PCrNi3MoV、32CrNi3MoVE提高2倍以上。

2)高溫高耐磨：高溫磨損率僅為現(xiàn)用炮鋼P(yáng)CrNi3MoVE、32CrNi3MoVE的1/5～1/2。

3)燒蝕性能：抗燒蝕性能提高，燒蝕面積較現(xiàn)用炮鋼32CrNi3MoVE降低了50%以上。

4)疲勞性能：高溫應(yīng)變疲勞壽命提高到現(xiàn)用炮鋼1.5倍。

針對未來超遠(yuǎn)程、超高膛壓需求，需開展更高性能身管材料的預(yù)先研究，包括：

1)在已成功設(shè)計(jì)研發(fā)出同時(shí)具有高溫、高強(qiáng)度、高耐磨、抗燒蝕與高可靠性身管新材料基礎(chǔ)上，針對具體工況，如高膛壓埋頭彈、大口徑火炮特點(diǎn)等，優(yōu)化成分組織性能，并穩(wěn)定大爐冶煉鍛造熱處理等工藝，穩(wěn)步推廣應(yīng)用于身管武器系統(tǒng)，以提升武器系統(tǒng)戰(zhàn)技指標(biāo)和延壽之目標(biāo)。

2)身管內(nèi)膛鍛造新技術(shù)：設(shè)計(jì)研究身管內(nèi)膛鍛造技術(shù)，解決傳統(tǒng)工藝存在的組織晶粒粗大、混晶等問題，以更好發(fā)揮身管材料性能潛力和可靠性。同時(shí)，縮短工藝流程、周期時(shí)間與成本等。

3)內(nèi)膛表面強(qiáng)化技術(shù)：應(yīng)系統(tǒng)研究各種內(nèi)膛強(qiáng)化技術(shù)，并根據(jù)實(shí)際要求，在必要時(shí)可采取鍍鉻等內(nèi)膛強(qiáng)化技術(shù)，以發(fā)揮內(nèi)膛表面強(qiáng)化在身管壽命提升和表面抗化學(xué)燒蝕方面的作用，減少化學(xué)白層出現(xiàn)和程度，進(jìn)一步提升身管壽命。