·324 北京科技大学学报 第36卷 的测定方法仍是寿命试验田.寿命试验人力和物 齿轴试件点火堵头压力传感器爆发器本体 力消耗较大，无法对材料和表面技术抗烧蚀效果进 行简便和快捷的评定.。半密闭爆发器烧蚀管模拟试 验是研究身管烧蚀的有效方法，可排除机械作用的 干扰，主要反映燃气的热一化学作用和气流冲刷，使 发射药对内膛烧蚀的研究更集中、易深入四.本文 采用半密闭爆发器烧蚀管模拟试验研究两种表面处 理状态（镀铬和氮碳共渗）身管的烧蚀特征及表面 处理对身管失效方式与机理的影响 排气压媒 火药点火堵头 1试验方法 图1半密闭高压爆发器简图 Fig.1 Schematic view of a semi-closed high-pressure bomb fixture 1.1试验装置及试样 试验装置如图1所示.试验装置模拟速射武器 1.2组织观察与分析 发射状态.烧蚀模拟试验装置可在不同的发射药类 烧蚀试验后沿冲刷面垂直方向切取试样，在金 型和装药量下试验，研究发射药成分和装药量对身 相镶样机上镶嵌后制成金相试样，观察烧蚀磨损表 管烧蚀的影响：可以测定最高膛压，研究膛压对烧蚀 层特征.采用扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析系 的影响；研究身管在烧蚀过程中的失效方式.测试 统(EDS)对烧蚀环内膛表面组织形貌进行了观察和 试件为管状样，火药爆燃产生的高温高压腐蚀性气 成分分析，采用纳米显微力学探针Nano IndenterⅡ 体冲蚀试样内表面，类似于实际发射过程中的速射 对烧蚀环的内膛表面硬度分布进行分析. 武器身管.本试验采用1.2g的2号硝化棉点火，爆 2试验结果 发火药为单基硝化棉火药，装药量为12g,火药燃烧 2.1内膛烧蚀特征 温度达到2500~2800K,与实弹的火药温度一致，试 2.1.1镀铬试样 验压强为72.5~73.7MPa,模拟发射次数为1~4 镀铬的身管试样经过模拟发射试验后，其内膛 发.虽然模拟膛压与实弹射击中的膛压相差较大， 的表面形貌如图2所示.镀铬试样受到高温、高压 但试件内径(20mm)和爆发器芯轴直径(19.54 和高速燃烧火药气体的循环往复冲击，表面产生大 mm)之间的缝隙只有0.23mm,气流通过该缝隙的 量的网状裂纹，铬层被分成了很多孤立的“小岛”， 约束作用加速了对试样内表面的冲刷和烧蚀，可较 但火药气体对镀层表面冲刷磨损较轻.镀铬试样经 好地模拟高温高压火药气体冲刷过程. 四次烧蚀试验后横截面的显微形貌见图3.由于镀 试样采用为25Cr3Mo3 NiNbZr身管用钢，材料 铬层固有的脆性，且发射过程中受到高温高压火药 热处理制度为970℃保温60min后水淬+640℃保 气体的冲刷作用，镀铬层在高速火药燃气冲击下仅 温240min后炉冷.将热处理好的试样加工成环形 射击一次就产生了大量裂纹，图3(a).火药爆燃温 烧蚀试样，分别进行内膛表面镀铬和氮碳共渗处理， 度可达到2500~2800K,内膛表面温度急剧身高，而 然后进行模拟烧蚀试验 基体温度仍较低，因此在身管内壁产生较强的热应 100m 图2镀铬试样射击四次后内膛表面形貌.()低倍：(b)高倍 Fig.2 Photomicrographs of the bore surface of a chromium-plated specimen after shooting four times:(a)low magnification:(b)high magnification北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 的测定方法仍是寿命试验［11］． 寿命试验人力和物 力消耗较大，无法对材料和表面技术抗烧蚀效果进 行简便和快捷的评定． 半密闭爆发器烧蚀管模拟试 验是研究身管烧蚀的有效方法，可排除机械作用的 干扰，主要反映燃气的热--化学作用和气流冲刷，使 发射药对内膛烧蚀的研究更集中、易深入［12］． 本文 采用半密闭爆发器烧蚀管模拟试验研究两种表面处 理状态( 镀铬和氮碳共渗) 身管的烧蚀特征及表面 处理对身管失效方式与机理的影响． 1 试验方法 1. 1 试验装置及试样 试验装置如图 1 所示． 试验装置模拟速射武器 发射状态． 烧蚀模拟试验装置可在不同的发射药类 型和装药量下试验，研究发射药成分和装药量对身 管烧蚀的影响; 可以测定最高膛压，研究膛压对烧蚀 的影响; 研究身管在烧蚀过程中的失效方式． 测试 试件为管状样，火药爆燃产生的高温高压腐蚀性气 体冲蚀试样内表面，类似于实际发射过程中的速射 武器身管． 本试验采用 1. 2 g 的 2 号硝化棉点火，爆 发火药为单基硝化棉火药，装药量为 12 g，火药燃烧 温度达到 2500 ～ 2800 K，与实弹的火药温度一致，试 验压强为 72. 5 ～ 73. 7 MPa，模拟发射次数为 1 ～ 4 发． 虽然模拟膛压与实弹射击中的膛压相差较大， 但试件内径( 20 mm) 和爆发器芯轴直径( 19. 54 mm) 之间的缝隙只有 0. 23 mm，气流通过该缝隙的 约束作用加速了对试样内表面的冲刷和烧蚀，可较 好地模拟高温高压火药气体冲刷过程． 图 2 镀铬试样射击四次后内膛表面形貌． ( a) 低倍; ( b) 高倍 Fig． 2 Photomicrographs of the bore surface of a chromium-plated specimen after shooting four times: ( a) low magnification; ( b) high magnification 试样采用为 25Cr3Mo3NiNbZr 身管用钢，材料 热处理制度为 970 ℃ 保温 60 min 后水淬 + 640 ℃ 保 温 240 min 后炉冷． 将热处理好的试样加工成环形 烧蚀试样，分别进行内膛表面镀铬和氮碳共渗处理， 然后进行模拟烧蚀试验． 图 1 半密闭高压爆发器简图 Fig． 1 Schematic view of a semi-closed high-pressure bomb fixture 1. 2 组织观察与分析 烧蚀试验后沿冲刷面垂直方向切取试样，在金 相镶样机上镶嵌后制成金相试样，观察烧蚀磨损表 层特征． 采用扫描电子显微镜( SEM) 及能谱分析系 统( EDS) 对烧蚀环内膛表面组织形貌进行了观察和 成分分析，采用纳米显微力学探针 Nano Indenter Ⅱ 对烧蚀环的内膛表面硬度分布进行分析． 2 试验结果 2. 1 内膛烧蚀特征 2. 1. 1 镀铬试样 镀铬的身管试样经过模拟发射试验后，其内膛 的表面形貌如图 2 所示． 镀铬试样受到高温、高压 和高速燃烧火药气体的循环往复冲击，表面产生大 量的网状裂纹，铬层被分成了很多孤立的“小岛”， 但火药气体对镀层表面冲刷磨损较轻． 镀铬试样经 四次烧蚀试验后横截面的显微形貌见图 3． 由于镀 铬层固有的脆性，且发射过程中受到高温高压火药 气体的冲刷作用，镀铬层在高速火药燃气冲击下仅 射击一次就产生了大量裂纹，图 3( a) ． 火药爆燃温 度可达到 2500 ～ 2800 K，内膛表面温度急剧身高，而 基体温度仍较低，因此在身管内壁产生较强的热应 · 423 ·