不同制备方法的火炮身管材料Cr涂层性能研究

发布时间：2020-05-30 22:14

【摘要】：火炮身管内膛表面电镀Cr涂层是提高身管使用寿命的重要措施之一。当前应用在身管内膛表面的传统电镀Cr涂层由于存在脆性大、裂纹多、附着力差、环境污染严重等顽疾已无法满足实际需要,开发新型涂层制备技术来替代传统电镀Cr技术,进而提升身管内膛的综合性能就成为了一项尤为重要且迫在眉睫的研究工作。本研究在全面分析国内外身管延寿方法的基础上,结合涂层制备方法和身管内膛处理方案,采用电镀、磁控溅射、多弧离子镀三种涂层制备方法在火炮身管材料PCrNi3MoVA钢基体表面制备了三种厚度约为25μm的Cr涂层,并通过显微硬度、摩擦磨损、结合力、热震、高温氧化、腐蚀等测试手段对三种技术在PCrNi3MoVA钢基体表面制备的Cr涂层(简称“Cr涂层”)的性能进行对比分析,得出的结果如下:三种Cr涂层的平均显微硬度均比炮钢基体的平均显微硬度(4.98GPa)有显著提高,提高幅度为多弧离子镀Cr涂层77%、磁控溅射Cr涂层65%、电镀Cr涂层54%。三种Cr涂层的摩擦系数均比炮钢基体的摩擦系数(0.7-0.85)有不同程度减小,摩擦系数分别为:多弧离子镀Cr涂层0.35-0.45、磁控溅射Cr涂层0.5-0.6、电镀Cr涂层0.6-0.7;磨损率均比炮钢基体的磨损率0.00092mm~3/(N·m)有不同程度降低,磨损率分别为:多弧离子镀Cr涂层0.00014mm~3/(N·m)、磁控溅射Cr涂层0.00025mm~3/(N·m)、电镀Cr涂层0.00073mm~3/(N·m)。三种Cr涂层较炮钢基体均有明显的减摩耐磨效果。电镀Cr涂层磨损机理为疲劳磨损和粘着磨损,磁控溅射Cr涂层为粘着磨损,多弧离子镀Cr涂层为伴有轻微磨料磨损的粘着磨损。三种Cr涂层均为体心立方(bcc)结构,但多弧离子镀Cr涂层的晶粒尺寸更小,内部组织更加致密,宏观上表现出更高的硬度和更好的耐磨性。三种Cr涂层与炮钢基体划痕结合力临界载荷由大到小依次为:多弧离子镀Cr涂层42.6N、电镀Cr涂层40.3N、磁控溅射Cr涂层26.4N。三种Cr涂层900℃热震失效次数分别为:多弧离子镀Cr涂层21次、磁控溅射Cr涂层18次、电镀Cr涂层5次。三种Cr涂层的单位面积平均氧化增重均比炮钢基体的单位面积平均氧化增重(21.223mg/cm~2)有不同程度减小,减小幅度分别为:多弧离子镀Cr涂层81.23%、磁控溅射Cr涂层67.44%、电镀Cr涂层33.06%。炮钢基体和电镀Cr涂层表面未形成完整连续的氧化膜,磁控溅射Cr涂层氧化膜厚度约为2μm,多弧离子镀Cr涂层氧化膜厚度约为1.7μm,菱方晶系结构的Cr_2O_3氧化膜可显著提高炮钢基体的抗氧化能力。涂层生长缺陷和制备缺陷是造成三种Cr涂层高温性能差异的主要原因,电镀Cr涂层制备过程中六方晶的CrH分解成体心立方的Cr会产生用于释放内应力的微裂纹;磁控溅射Cr涂层含有柱状晶缺陷;多弧离子镀Cr涂层含尺寸在5μm以下的小液滴缺陷,但涂层内部更为致密。多弧离子镀工艺中轰击能量对Cr涂层的表面氧化动力学过程影响显著,进而影响Cr涂层的高温抗氧化能力。具体表现为:50eV轰击能量下生成的氧化物晶粒表现出一维择优生长方式;150eV轰击能量下生成的氧化物晶粒表现出二维择优生长方式;250eV轰击能量下生成的氧化物晶粒择优生长方式消失。随着轰击能级的增加,Ar等气体夹杂得以释放,活化能得以降低,涂层表面氧化物的生长速率明显下降,氧化膜厚度也随之减小。三种Cr涂层的腐蚀电流密度均比炮钢基体的腐蚀电流密度(50.125μA/cm2)有不同程度的降低,降低幅度为:多弧离子镀Cr涂层为99.68%、电镀Cr涂层为93.69%、磁控溅射Cr涂层为74.87%。三种Cr涂层的抗腐蚀性能均有大幅提高,这主要得益于Cr涂层有效隔断了腐蚀介质和炮钢基体。留膛残渣对身管腐蚀性能影响显著,析因试验结果显示留膛残渣和涂层制备方法对身管内膛腐蚀性能均有显著影响,且存在交互作用。在选择Cu~(2+)、K~+、Zn~(2+)、NO_3~-四种主要留膛残渣离子进行的正交试验中,Cu~(2+)、K~+、NO_3~-表现出腐蚀促进作用,且Cu~(2+)和K~+随着离子浓度增大腐蚀促进作用增强,NO_3~-则在低浓度具有较高的腐蚀促进作用。减少留膛残渣中Cu~(2+)、K~+、NO_3~-三种离子成分,有助于提高炮钢基体的耐腐蚀性能。三种Cr涂层中,多弧离子镀Cr涂层表现出了更加优异的整体性能,这主要归因于多弧离子镀Cr涂层具有更好的结合力和更加致密的微观组织。采用多弧离子镀技术制备火炮身管内膛Cr涂层能够延长身管的使用寿命。
【图文】：

过程图,弹丸,机械摩擦,身管

身管内膛与弹丸机械摩擦过程

截面图,身管,截面,炮钢

22mm镀Cr身管射击118发后金相截面
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TJ303.1

【参考文献】