0 前言

武器輕量化是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),彈殼輕量化是其中技術(shù)措施之一,有著強(qiáng)烈的軍事需求背景[1]。鋁合金彈殼較傳統(tǒng)黃銅彈殼、鋼彈殼減重非常明顯, 能有效減輕士兵作戰(zhàn)時(shí)的負(fù)重量,提高作戰(zhàn)效能,增加火力持續(xù)性。

但是,在某型大口徑鋁合金彈殼研制射擊試驗(yàn)中,經(jīng)常在彈殼根部發(fā)生斷裂,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒蝕彈膛,甚至傷及射手[2]。這是因?yàn)殇X合金彈殼熔點(diǎn)較低,槍彈擊發(fā)產(chǎn)生的高溫高壓火藥氣體易對(duì)鋁合金彈殼產(chǎn)生沖刷燒蝕而出現(xiàn)射擊故障,為解決這一問(wèn)題,需要在大口徑鋁合金槍彈殼內(nèi)外表面制備耐沖刷抗燒蝕涂層。

目前,抗燒蝕涂層針對(duì)導(dǎo)彈、火箭類(lèi)的大型武器研究報(bào)道較多[3-7],而針對(duì)“以鋁代鋼” 的鋁合金槍彈殼的抗燒蝕涂層研究鮮有報(bào)道。鋁合金表面通過(guò)陽(yáng)極氧化、微弧氧化工藝制備氧化陶瓷膜工藝成熟[8-18],成本較低,膜厚易于精確控制,且膜層與基體結(jié)合力優(yōu)異,具有較高的熔點(diǎn)和較好的隔熱性,可作為鋁合金槍彈殼耐沖刷抗燒蝕涂層的首選。本文針對(duì)某型大口徑鋁質(zhì)彈殼制備的“氧化陶瓷-有機(jī)硅樹(shù)脂”復(fù)合涂層開(kāi)展了耐沖刷抗燒蝕性研究,考察實(shí)彈射擊過(guò)程中涂層的耐沖刷抗燒蝕效果,并測(cè)試涂層的耐熱性、隔熱性、結(jié)合力等耐沖刷抗燒蝕考核指標(biāo)。

1 材料與方法

本試驗(yàn)材料選用7050鋁合金棒材經(jīng)擠壓成型為彈殼, 其主要化學(xué)成分 ( 質(zhì)量分?jǐn)?shù),%) 為: 6.60Zn、2.25Mg、2.22Cu、0.14Cr、0.021Ni、0.04Zr、 0.09Fe、0.17Si、0.04Ti、余Al。

擠壓成型后的彈殼經(jīng)除油除銹→光整處理→砂面處理→陽(yáng)極氧化→離心涂覆有機(jī)硅樹(shù)脂→烘烤處理等主要工序制備“氧化陶瓷-有機(jī)硅樹(shù)脂”復(fù)合涂層。所用主要設(shè)備有:15kW直流脈沖陽(yáng)極氧化電源、磁力拋光機(jī)(非標(biāo))、均質(zhì)分散機(jī)(非標(biāo))、NDJ-5S型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、離心涂覆機(jī)(非標(biāo))、箱式電阻爐、馬弗爐 ( 非標(biāo))、掃描電鏡 ( SEM)、光譜分析儀 (ICP)、漆膜劃格器(QFH-A)等。

2 涂層制備及形貌觀察

通過(guò)對(duì)涂層技術(shù)的可靠性、涂層制備的可行性、成本的可控性綜合分析后,采用陽(yáng)極氧化技術(shù)在鋁彈殼內(nèi)、外表面制備厚度40 μm±5 μm的氧化陶瓷膜,再利用離心涂覆技術(shù),通過(guò)“浸滲/涂覆”相結(jié)合的機(jī)制,在氧化陶瓷膜的表面制備有機(jī)硅薄膜涂層, 實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化陶瓷膜的封孔處理,形成“氧化陶瓷-有機(jī)硅樹(shù)脂”復(fù)合涂層(簡(jiǎn)稱(chēng)“陶瓷-OS”涂層)。

射擊前彈殼外側(cè)制備的涂層SEM形貌觀察如圖1所示。

圖1 射擊前外側(cè)“陶瓷-OS”涂層形貌觀察

射擊前彈殼內(nèi)側(cè)制備的涂層SEM形貌觀察如圖2所示。

圖2 射擊前內(nèi)側(cè)“陶瓷-OS”涂層形貌觀察

3 實(shí)彈射擊后涂層耐沖刷抗燒蝕性評(píng)估

將涂覆彈殼裝配成彈,在50℃ 條件下保溫4h后,用某型機(jī)槍進(jìn)行實(shí)彈射擊。射擊過(guò)程中,彈殼內(nèi)側(cè)火藥燃?xì)馑矔r(shí)溫度約為3 000℃, 膛壓可達(dá)330MPa。將實(shí)彈射擊后的鋁彈殼剖開(kāi),使用掃描電鏡(SEM)觀察距彈殼底平面2cm處剖面外側(cè)和內(nèi)側(cè)涂層耐沖刷抗燒蝕效果。

3.1 實(shí)彈射擊后外側(cè)“陶瓷-OS”涂層狀態(tài)

圖3 為實(shí)彈射擊后距鋁彈殼底平面2cm處的外側(cè)涂層SEM形貌觀察。

圖3 射擊后彈殼外側(cè)涂層狀況(距底平面2cm)

從圖3可以看出:

(1)射擊后能清晰地觀察到外側(cè)涂層完整,無(wú)任何剝離脫落現(xiàn)象,說(shuō)明外側(cè)涂層與基體結(jié)合力良好,能夠承受射擊過(guò)程中火藥燃?xì)獾母邷責(zé)嵴稹⒏邏簺_擊作用,具有良好的耐沖刷能力。

(2)外側(cè)涂陶瓷層有輕微開(kāi)裂傾向。分析裂紋產(chǎn)生原因可能有以下兩方面:一是射擊過(guò)程中高溫高壓氣體使彈殼溫度升高,由于彈殼基體與陶瓷涂層膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致應(yīng)力開(kāi)裂,另一方面是脆性的陶瓷不能承受高膛壓引起的彈殼膨脹變形而開(kāi)裂。

(3)鋁彈殼外側(cè)基體無(wú)燒蝕現(xiàn)象。

3.2 實(shí)彈射擊后內(nèi)側(cè)“陶瓷-OS”涂層狀態(tài)

圖4 為實(shí)彈射擊后距鋁彈殼底平面2cm處內(nèi)側(cè)涂層SEM形貌觀察。

圖4 射擊后內(nèi)側(cè)涂層狀況(距底平面2cm)

從圖4可以看出:

(1) 射擊后內(nèi)側(cè)陶瓷層依然完整,未發(fā)現(xiàn)陶瓷膜層剝離脫落現(xiàn)象,同時(shí)也能觀察到內(nèi)側(cè)陶瓷膜層有開(kāi)裂傾向,有些裂紋僅貫穿部分陶瓷層,有些裂紋貫穿了整個(gè)陶瓷涂層。

(2) 射擊后已不能清晰地觀察到內(nèi)側(cè)的OS涂層,在高溫高壓氣流沖刷作用下,內(nèi)側(cè)的OS薄膜涂層大部分已被燒蝕。透過(guò)涂層與鑲嵌材料之間的縫隙可見(jiàn)陶瓷層表皮坑洼不平,呈輕微灼燒現(xiàn)象,疑似尚存部分泡沫狀殘留物。

(3) 射擊過(guò)程中,高溫高壓火藥燃?xì)獾臎_刷只是傷其內(nèi)側(cè)涂層皮毛,整個(gè)內(nèi)側(cè)涂層主體依然牢固地與基體結(jié)合在一起,成為一道強(qiáng)有力的屏障阻止燃?xì)鈱?duì)基體的燒蝕。

3.3 OS涂層燒蝕形貌觀察

正常情況下,彈殼內(nèi)外側(cè)的OS涂層很薄(2~3 μm),射擊過(guò)程中OS涂層燒蝕后很難清晰地觀察到其形貌。為了觀察OS涂層實(shí)彈射擊后的燒蝕狀態(tài),人為地在彈殼內(nèi)側(cè)局部區(qū)域(圖5黑色區(qū)域所示)制備了厚度為40~50 μm的OS涂層,利于實(shí)彈射擊后觀察其燒蝕形貌。

圖5 是實(shí)彈射擊后彈殼內(nèi)側(cè)涂層狀況,黑色區(qū)域是堆積較厚的OS涂層燒蝕殘存物,采用鑷子夾持脫脂棉蘸酒精,用力擦拭黑色區(qū)域,直至露出陶瓷底層,目測(cè)陶瓷層完整,未有明顯燒蝕現(xiàn)象。

圖5 OS涂層燒蝕殘存物(黑色區(qū)域)

利用SEM觀察彈殼內(nèi)側(cè)黑色區(qū)域殘存物形貌, 如圖6所示。從圖中可清晰地觀察到,OS涂層燒蝕后的泡沫狀殘留物附著在陶瓷底層上,其質(zhì)地疏松, 與圖4中觀察到的陶瓷膜層表面坑洼不平物的相似度極高,可以間接說(shuō)明圖4中陶瓷膜層表面坑洼不平至少有部分是由有機(jī)硅涂層燒蝕殘存骨架引起的。

圖6 OS涂層燒蝕殘存物形貌觀察

基于上述觀察研究,筆者認(rèn)為:在高溫高壓的火藥氣體作用下,“陶瓷-OS”復(fù)合涂層沒(méi)有剝離脫落, 鋁質(zhì)彈殼基體未見(jiàn)任何燒蝕,涂層表現(xiàn)出良好的耐沖刷抗燒蝕效果。

4 涂層耐沖刷抗燒蝕機(jī)理分析

“氧化陶瓷-OS”涂層屬于一種復(fù)合涂層結(jié)構(gòu), 下面從涂層組成、涂層性能、涂層結(jié)合力等方面分析其耐沖刷抗燒蝕機(jī)理。

4.1 復(fù)合涂層抗燒蝕性能分析

4.1.1 氧化陶瓷膜底層具有較高的耐熱性

為了理化分析氧化膜層組成,采用熱熔法將基體與氧化膜分離,熱熔溫度應(yīng)介于鋁合金基體和氧化物熔點(diǎn)之間。

眾所周知,鋁的熔點(diǎn)為660℃,參考氧化層中可能存在的四種氧化物的熔點(diǎn)(如表1所示),將馬弗爐加熱溫度設(shè)定為900℃,然后把陽(yáng)極氧化后的鋁彈殼置于爐中并保溫5min,鋁基體會(huì)迅速熔化并在重力作用下流向底部,剩下的灰白色空殼幾乎是陽(yáng)極氧化膜層,內(nèi)外氧化膜層之間夾雜有因毛細(xì)管現(xiàn)象而殘存的部分鋁液凝固異物(黑色“莖”狀物),在體視顯微鏡下剔除異物,研磨制備2g氧化膜粉料, 如圖7所示。

表1 氧化物的熔點(diǎn)

取其中0.157 5g氧化陶瓷粉料,高溫溶劑分解制樣,制備200ml酸性樣,采用ICP法檢測(cè)其中的Al3+、Mg2+、Zn 2+、Cu 2+含量,測(cè)定結(jié)果如表2所示。

圖7 氧化陶瓷粉末的制備

表2 酸性樣中Al3+ 、Mg2+、Zn 2+、Cu 2+含量

關(guān)于ICP分析氧化陶瓷組成時(shí)的漏檢量分析: 由表2的分析液中元素含量可以推算出制備200ml分析液時(shí)所用氧化物含量Al2O3 ∶ 152.58mg,MgO: 1.76mg, ZnO: 2.06mg, CuO: 0.95mg, 合計(jì)157.35mg,漏檢量157.5-157.35=0.15mg,漏檢量?jī)H為0.09%,說(shuō)明陽(yáng)極氧化膜幾乎由上述4種氧化物組成,其含量達(dá)99.91%。

為了觀察氧化陶瓷涂層耐高溫性能,用陶瓷舟盛裝余下的氧化陶瓷粉末,在1 000℃ (高于常用彈殼材料H68黃銅的熔點(diǎn)934℃)下保溫10min,觀察氧化陶瓷粉末的燒結(jié)情況,結(jié)果如圖8所示: (a)為原樣,(b) 為1 000℃條件下陶瓷粉末燒結(jié)情況,觀察結(jié)果:粉末為無(wú)燒結(jié)結(jié)塊現(xiàn)象。

隨后在1 350℃ 下保溫10min,再次觀察陶瓷粉末的燒結(jié)情況,結(jié)果如圖9所示,左為原樣,右為1 350℃條件下陶瓷粉末的燒結(jié)情況,可見(jiàn)陶瓷粉末有輕微燒結(jié)現(xiàn)象,陶瓷舟表面粘附有薄薄一層粉料。因?yàn)樘沾煞勰┲猩倭康腃uO, 其熔點(diǎn)僅有1 326℃,低于1 350℃。

通過(guò)以上分析可知,鋁彈殼表面氧化陶瓷膜層具有非常高的耐熱性能,為鋁彈殼涂層抗高溫燃?xì)鉄g奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖8 1 000℃陶瓷粉末燒結(jié)觀察

圖9 1 350℃陶瓷粉末燒結(jié)觀察

4.1.2 OS面涂層具有良好的耐燒蝕性能

OS涂層屬于有機(jī)硅涂層,本身就是一種性能非常好的耐燒蝕材料,其分子中以Si-O鍵為主鏈,有機(jī)基團(tuán)為側(cè)鏈,兼?zhèn)溆袡C(jī)和無(wú)機(jī)材料的特點(diǎn),高溫下具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。在彈藥擊發(fā)的極端瞬時(shí)高溫條件下,有機(jī)硅樹(shù)脂分解成無(wú)機(jī)硅氧交聯(lián)結(jié)構(gòu),這種泡沫狀殘留物骨架附著在陶瓷膜層上,協(xié)同陶瓷底層保護(hù)鋁基體免受高溫高壓氣流的沖刷燒蝕。

4.2 復(fù)合涂層隔熱性能分析

針對(duì)鋁彈殼三種不同狀態(tài):基體合金、基體-氧化陶瓷、基體-氧化陶瓷-OS,分別測(cè)試了整體導(dǎo)熱系數(shù),結(jié)果如圖10所示。

結(jié)果表明,鋁彈殼表面制備陽(yáng)極氧化陶瓷膜層后導(dǎo)熱系數(shù)明顯下降,當(dāng)陶瓷膜表面涂覆有機(jī)硅涂層時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)進(jìn)一步降低。復(fù)合涂層具有較好的隔熱效果,可以極大地緩沖減輕高溫高壓氣體對(duì)基體合金的燒蝕。

圖10 鋁彈殼不同狀態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定

4.3 復(fù)合涂層耐沖刷能力分析

4.3.1 氧化陶瓷底層與基體結(jié)合力優(yōu)異

鋁合金硬質(zhì)陽(yáng)極氧化制備陶瓷膜底層時(shí)存在表面氧化和滲透氧化兩個(gè)過(guò)程,約50%的氧化層內(nèi)生長(zhǎng)于鋁合金基體中,導(dǎo)致氧化陶瓷與鋁基體結(jié)合力非常優(yōu)異,完全能夠承受高溫高壓氣流的強(qiáng)力沖刷作用而不脫落。

按GB/T9753—2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的杯突測(cè)試表明:氧化陶瓷底層與基體抗變形破裂性良好;當(dāng)變形量達(dá)到鋁合金基體破裂時(shí),能觀察到陶瓷底層隨基體破裂而破裂。

4.3.2 OS面涂層與陶瓷底層附著力良好

由于基體前處理采用了砂面處理技術(shù),制備的氧化陶瓷底層亦具有砂面效果,有利于面層涂料OS在涂覆過(guò)程中沉積于峰/谷縫隙間形成機(jī)械互鎖;同時(shí)表面粗糙度增加會(huì)導(dǎo)致涂料與陶瓷底層的實(shí)際接觸面積增大,提高了二者之間的界面吸附力和化學(xué)鍵作用力;其次陶瓷底層多微孔特性使得粘度極低的OS涂料可以實(shí)現(xiàn)“浸滲/涂覆” 相結(jié)合的機(jī)制,這三方面的因素均增加了OS面層與陶瓷底層的附著力。

在環(huán)境溫度為23~25℃、相對(duì)濕度為53%~55%條件下,用QFH-A型漆膜劃格器按GB/T9286— 1998標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“陶瓷-OS”涂層的附著力進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果可達(dá)到0級(jí),表明“陶瓷-OS”涂層的附著力良好。在實(shí)彈射擊時(shí)高溫高壓燃?xì)鉀_擊迫使基體膨脹變形,即使造成了輕微的涂層開(kāi)裂現(xiàn)象,也會(huì)因涂層優(yōu)異的附著力而不會(huì)發(fā)生涂層脫落剝離現(xiàn)象,實(shí)彈射擊進(jìn)一步證實(shí)了該涂層具有良好的附著力和耐沖刷能力。

5 結(jié)論

通過(guò)在某型大口徑鋁彈殼內(nèi)外表面制備“ 陶瓷-OS”復(fù)合涂層,并對(duì)其耐沖刷抗燒蝕性能進(jìn)行了研究,揭示了復(fù)合涂層在復(fù)雜工況下的耐沖刷抗燒蝕機(jī)理和內(nèi)在規(guī)律,為鋁質(zhì)彈殼的隔熱防護(hù)提供一種技術(shù)途徑。研究結(jié)果表明:

(1) 針對(duì)某型大口徑槍彈殼制備的“氧化陶瓷-OS”復(fù)合涂層在實(shí)彈射擊過(guò)程中,對(duì)高溫高壓氣體具有良好的耐沖刷抗燒蝕效果,涂層無(wú)脫落,鋁基體無(wú)燒蝕現(xiàn)象。

(2) 針對(duì)復(fù)合涂層耐沖刷抗燒蝕性設(shè)計(jì)的考核指標(biāo)均合格;涂層耐高溫沖擊、隔熱性較好、抗變形破裂性良好、與基體結(jié)合牢固,揭示了復(fù)合涂層在高溫高壓氣體作用下的耐沖刷抗燒蝕機(jī)理。

(3) 通過(guò)對(duì)復(fù)合涂層耐沖刷抗燒蝕性研究,為優(yōu)化涂層制備工藝指明了方向,從經(jīng)濟(jì)性、操控性、高效性角度出發(fā),可適當(dāng)減薄氧化陶瓷底層厚度,也可考慮單一氧化陶瓷層替代復(fù)合涂層的可能。

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