不同制備方法的火炮身管材料Cr涂層性能研究

發(fā)布時間：2020-05-30 22:14

【摘要】：火炮身管內(nèi)膛表面電鍍Cr涂層是提高身管使用壽命的重要措施之一。當前應用在身管內(nèi)膛表面的傳統(tǒng)電鍍Cr涂層由于存在脆性大、裂紋多、附著力差、環(huán)境污染嚴重等頑疾已無法滿足實際需要,開發(fā)新型涂層制備技術來替代傳統(tǒng)電鍍Cr技術,進而提升身管內(nèi)膛的綜合性能就成為了一項尤為重要且迫在眉睫的研究工作。本研究在全面分析國內(nèi)外身管延壽方法的基礎上,結合涂層制備方法和身管內(nèi)膛處理方案,采用電鍍、磁控濺射、多弧離子鍍?nèi)N涂層制備方法在火炮身管材料PCrNi3MoVA鋼基體表面制備了三種厚度約為25μm的Cr涂層,并通過顯微硬度、摩擦磨損、結合力、熱震、高溫氧化、腐蝕等測試手段對三種技術在PCrNi3MoVA鋼基體表面制備的Cr涂層(簡稱“Cr涂層”)的性能進行對比分析,得出的結果如下:三種Cr涂層的平均顯微硬度均比炮鋼基體的平均顯微硬度(4.98GPa)有顯著提高,提高幅度為多弧離子鍍Cr涂層77%、磁控濺射Cr涂層65%、電鍍Cr涂層54%。三種Cr涂層的摩擦系數(shù)均比炮鋼基體的摩擦系數(shù)(0.7-0.85)有不同程度減小,摩擦系數(shù)分別為:多弧離子鍍Cr涂層0.35-0.45、磁控濺射Cr涂層0.5-0.6、電鍍Cr涂層0.6-0.7;磨損率均比炮鋼基體的磨損率0.00092mm~3/(N·m)有不同程度降低,磨損率分別為:多弧離子鍍Cr涂層0.00014mm~3/(N·m)、磁控濺射Cr涂層0.00025mm~3/(N·m)、電鍍Cr涂層0.00073mm~3/(N·m)。三種Cr涂層較炮鋼基體均有明顯的減摩耐磨效果。電鍍Cr涂層磨損機理為疲勞磨損和粘著磨損,磁控濺射Cr涂層為粘著磨損,多弧離子鍍Cr涂層為伴有輕微磨料磨損的粘著磨損。三種Cr涂層均為體心立方(bcc)結構,但多弧離子鍍Cr涂層的晶粒尺寸更小,內(nèi)部組織更加致密,宏觀上表現(xiàn)出更高的硬度和更好的耐磨性。三種Cr涂層與炮鋼基體劃痕結合力臨界載荷由大到小依次為:多弧離子鍍Cr涂層42.6N、電鍍Cr涂層40.3N、磁控濺射Cr涂層26.4N。三種Cr涂層900℃熱震失效次數(shù)分別為:多弧離子鍍Cr涂層21次、磁控濺射Cr涂層18次、電鍍Cr涂層5次。三種Cr涂層的單位面積平均氧化增重均比炮鋼基體的單位面積平均氧化增重(21.223mg/cm~2)有不同程度減小,減小幅度分別為:多弧離子鍍Cr涂層81.23%、磁控濺射Cr涂層67.44%、電鍍Cr涂層33.06%。炮鋼基體和電鍍Cr涂層表面未形成完整連續(xù)的氧化膜,磁控濺射Cr涂層氧化膜厚度約為2μm,多弧離子鍍Cr涂層氧化膜厚度約為1.7μm,菱方晶系結構的Cr_2O_3氧化膜可顯著提高炮鋼基體的抗氧化能力。涂層生長缺陷和制備缺陷是造成三種Cr涂層高溫性能差異的主要原因,電鍍Cr涂層制備過程中六方晶的CrH分解成體心立方的Cr會產(chǎn)生用于釋放內(nèi)應力的微裂紋;磁控濺射Cr涂層含有柱狀晶缺陷;多弧離子鍍Cr涂層含尺寸在5μm以下的小液滴缺陷,但涂層內(nèi)部更為致密。多弧離子鍍工藝中轟擊能量對Cr涂層的表面氧化動力學過程影響顯著,進而影響Cr涂層的高溫抗氧化能力。具體表現(xiàn)為:50eV轟擊能量下生成的氧化物晶粒表現(xiàn)出一維擇優(yōu)生長方式;150eV轟擊能量下生成的氧化物晶粒表現(xiàn)出二維擇優(yōu)生長方式;250eV轟擊能量下生成的氧化物晶粒擇優(yōu)生長方式消失。隨著轟擊能級的增加,Ar等氣體夾雜得以釋放,活化能得以降低,涂層表面氧化物的生長速率明顯下降,氧化膜厚度也隨之減小。三種Cr涂層的腐蝕電流密度均比炮鋼基體的腐蝕電流密度(50.125μA/cm2)有不同程度的降低,降低幅度為:多弧離子鍍Cr涂層為99.68%、電鍍Cr涂層為93.69%、磁控濺射Cr涂層為74.87%。三種Cr涂層的抗腐蝕性能均有大幅提高,這主要得益于Cr涂層有效隔斷了腐蝕介質(zhì)和炮鋼基體。留膛殘渣對身管腐蝕性能影響顯著,析因試驗結果顯示留膛殘渣和涂層制備方法對身管內(nèi)膛腐蝕性能均有顯著影響,且存在交互作用。在選擇Cu~(2+)、K~+、Zn~(2+)、NO_3~-四種主要留膛殘渣離子進行的正交試驗中,Cu~(2+)、K~+、NO_3~-表現(xiàn)出腐蝕促進作用,且Cu~(2+)和K~+隨著離子濃度增大腐蝕促進作用增強,NO_3~-則在低濃度具有較高的腐蝕促進作用。減少留膛殘渣中Cu~(2+)、K~+、NO_3~-三種離子成分,有助于提高炮鋼基體的耐腐蝕性能。三種Cr涂層中,多弧離子鍍Cr涂層表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的整體性能,這主要歸因于多弧離子鍍Cr涂層具有更好的結合力和更加致密的微觀組織。采用多弧離子鍍技術制備火炮身管內(nèi)膛Cr涂層能夠延長身管的使用壽命。
【圖文】：

過程圖,彈丸,機械摩擦,身管