李郁兴，姚萍屏，李专，周海滨，王兴，赵一博，康丽，邓敏文
电磁发射CuCrZr轨道的沉积层特征与磨损机理
李郁兴，姚萍屏，李专，周海滨，王兴，赵一博，康丽，邓敏文
(中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083)
对电磁发射实验后的CuCrZr 合金轨道进行拆解，结合扫描电镜、X射线能谱、X射线衍射、X射线光电子能谱及电子背散射衍射等，对轨道表面沿发射方向4个区域的表面沉积层特征和磨损机理进行研究。结果表明，大部分轨道表面被沉积层覆盖，沉积层的厚度沿发射方向由薄变厚再变薄，最厚处的厚度达65 μm，沉积层的主要成分为Cu、Al、Al2O3和Al4Cu9等。轨道表面出现剥落、犁沟与流水状组织，呈现附着磨屑、孔洞、塞积和胞状枝晶等典型特征，表现出机械和电气磨损的混合状态。不同区域的沉积层特征差别明显，包括厚度、孔洞尺寸及数量、沉积层内部的微观结构，以及裂纹和表面形貌等。沉积层和轨道之间的界面发生扩散行为，形成扩散界面。沉积层的晶粒取向垂直于轨道表面。
电磁发射；
轨道；
沉积层；
磨损机理；
CuCrZr
相较于传统的机械能和化学能发射，电磁发射具有隐蔽性好、发射速度快等特点，近年来得到快速发展，具有成为新一代远程精准打击武器的巨大潜 力[1−2]。在地磁发射过程中，流经轨道的强电流产生强磁场，携带弹丸的载流电枢在强磁场作用下产生洛伦兹力，推动弹丸高速射出[3]。然而，在电磁热力场多场耦合下，轨道处于超高温与强电流的环境中，表层会发生一系列物理化学变化，包括材料转移形成沉积 层[4−6]、氧化[7]、微裂纹、孔洞[8]、重熔组织[9]和界面处元素扩散等[3]。超高温度以及电枢与轨道之间的高速相对运动使电枢表面熔化并附着在轨道表面，形成与轨道组成和结构显著不同的沉积层，严重影响后续发射行为。近年来，许多研究者利用模拟和实验手段对轨道的沉积层与磨损进行了研究。高翔[10]和冯勇[11]运用ANSYS，使用Archard模型对轨道的磨损特征进行仿真分析，高翔[10]将裂纹、犁沟和颗粒的影响考虑在内，模拟接触状态和磨损体积随加速度的变化。冯勇[11]在考虑孔洞、犁沟、材料转移的基础上模拟枢轨的磨损量，但由于实际发射时的边界条件难以全部考虑在内，模拟结果与真实情况仍有出入。COOPER 等[9]对发射1、3、6、20次后的轨道表面沉积层进行研究，发现轨道同一位置的沉积层厚度与发射时间呈正相关关系，多次发射后存在明显分层。PERSAD等[12]重点研究了1、3、7次电磁发射后同一位置沉积层的厚度特征，及沉积层内部孔洞形成的原因。在对发射轨道不同位置的沉积层特征研究中，黄伟等[13−14]根据电枢速度将发射过程分为4个阶段，研究每个阶段电磁发射铜轨道的表面损伤行为和微观结构演化，但仅限于表面轮廓的起伏，对轨道截面的研究只着眼于轨道表面以下浅层的微观结构，对轨道表面以上的沉积层仍有大量可研究的内容。
已有的研究结果显示，发射时，轨道受到机械磨损和电气磨损，材料从电枢到轨道表面的转移不可避免，轨道表面的磨损是产生表面沉积层的主要原因之一。相同发射次数的轨道不同位置，将出现不同特征的沉积层，这会对后续发射产生不同程度的影响。本文作者用CuCrZr合金作为轨道材料，7075铝合金作为电枢材料，对20次发射后轨道表面的沉积层特征进行研究，通过观察轨道表面沿发射方向不同区域来研究发射各阶段的沉积层特征形貌与微观结构，探索轨道表面的摩擦磨损机理，为在实验室条件下研究对应区域的沉积层变化及其他损伤打下理论基础。
1.1 CuCrZr 合金轨道材料的制备
CuCrZr合金轨道材料采用真空铸造和电磁凝固方法制备，通过微合金法加入适量Mg、Ti、Nb、Ag、Co等元素，在电磁场中凝固以去除杂质成分，最后进行固溶和时效处理，得到轨道材料。电枢材料为7075铝合金。图1所示为轨道材料表面的SEM形貌，表1 所列为轨道及电枢的成分，可以看出轨道材料基体为Cu，中间掺杂少量的Zr和Cr，且Cr和Zr富集在一起。轨道材料的电导率为89%IACS，硬度(HRB)为77～78。点数材料的抗拉强度为621～627 MPa，屈服强度为570～582 MPa，硬度(HRB)为58～60，电导率为29%～35%IACS。
图1 CuCrZr合金轨道材料的原始表面形貌SEM照片(a)与EDS图(b)、(c)
1.2 组织与性能表征
将CuCrZr 合金轨道装配在电磁发射实验平台中进行发射测试。轨道内侧呈凹弧形，弹丸固定在电枢上。当发射系统通入脉冲电流后，电枢携带弹丸沿轨道加速射出。发射过程中轨道与电枢产生严重磨损，并且在轨道表面附着不均匀沉积层。轨道长度为1.2 m，发射起始位置位于轨道长度的1/16处，发射20次后将轨道从实验平台拆下。根据文献报道，发射过程呈现明显的三阶段特征[1, 15−16]。本文作者沿发射方向将轨道平均分为八等分，初步观察发现整个轨道存在4种明显不同的形貌，且出现的区域具有明显的特殊性，最终选择4块表面形貌明显不同的区域进行研究，分别为轨道长度的1/8、3/8、5/8和7/8位置，如图2(a)所示。每个位置截取的样件尺寸相同，选取样品的表面与截面如图2(b)所示。
利用扫描电镜(SEM, Nova Nano SEM230)和X射线能量色散谱(X-ray energy dispersive spectroscopy，EDS)对轨道沉积层表面与截面的微观结构和化学组成进行表征。采用HR-150A型洛氏硬度计测定材料表面的宏观硬度，钢球压头直径为1.588 mm，初始载荷为98 N。用型号为D/max 2550的X射线衍射仪(XRD)及ESCALAB250Xi型号的X射线光电子能谱仪(X-ray photoelectron spectrograph，XPS)分析沉积层的物相组成。用HKL Nordlys Max型扫描电镜进行电子背散射衍射分析(electron back-scatter diffraction，EBSD)，表征沉积层的晶粒尺寸和取向。用D60K电导率测量仪测定轨道及电枢材料的电导率。
表1 CuCrZr合金轨道和7075铝合金电枢的主要成分
图2 轨道取样位置示意图(a)和样品表面及截面示意图(b)
图3 发射实验后轨道各区域的表面光学图像
2.1 轨道表面的典型形貌特征
图3所示为图2(a)中轨道表面4个不同区域的磨损表面光学图像。从图中看出大部分的轨道表面被灰色沉积层所覆盖。区域1位于弹丸起始加速位置附近，仅此区域有明显裸露的轨道，沉积层有明显剥落；
区域2的表面极其不平整，但沉积层已完全覆盖轨道表面；
区域3的沉积层表面有宏观凹槽；
区域4靠近弹丸出口位置，表面相对较光滑。
图4 CuCrZr 合金轨道不同区域磨损表面的SEM照片和EDS图
(a), (b), (c) Region 1; (d), (e) Region 2; (f), (g) Region 3; (h), (i) Region 4
图5所示为连续发射后轨道上4个区域的截面形貌SEM图。从图5(a)看出，区域1的表面沉积层较薄，厚度在3～20 μm不等。由于枢轨之间剪切应力的反复作用，沉积层与轨道界面处产生裂纹，随着发射的进行，裂纹沿摩擦方向扩展并相互连接，最后沉积层脱落。从图 5(b)看出，区域2的表面沉积层最厚达65 μm，沉积层表面极不平整，沉积层内有大量大小不同、分布不均的圆形孔洞。但沉积层与轨道的界面比区域1更平整，这主要是由于区域2中从电枢转移到轨道的材料更多，沉积层更厚，故多次发射主要磨损沉积层表面，对轨道表面损伤更小。区域3的沉积层较薄且较均匀，厚10 μm左右，孔洞数量少且尺寸小，轨道表面破坏较严重，如图 5(c)所示。区域4的沉积层与轨道之间的界面以及沉积层表面均非常平整，沉积层厚度均匀，约为30 μm，并出现垂直于轨道表面的贯穿式裂纹(见图 5(d))，这种贯穿式裂纹主要是由于发射时速度极快的电枢对轨道末尾区域造成巨大的剪应力，导致未完全凝固的沉积层中产生垂直于表面的裂纹。除裂纹外，沉积层内的孔洞尺寸小，多集中在沉积层上部。从图5看出，靠近沉积层表面的孔洞尺寸较靠近沉积层底面的孔洞尺寸小，但数量多。这是因为沉积层的上层直接向空气中散热，而下层需经过一定距离的固相传热，故凝固速率略慢，凝固时间长，孔洞生长时间较长，且下层凝固较慢而形成闭孔，所以下层孔洞较大；
沉积层的上层凝固快，但Al液与空气中水蒸气的反应同样剧烈，故靠近沉积层表面的孔洞尺寸较小、数量较多[12]。
图5 轨道不同区域的截面SEM图
(a) Region 1; (b) Region 2; (c) Region 3; (d) Region 4
2.2 轨道表面沉积层的微观结构与物相组成
以上研究结果表明，区域 2的沉积层具有孔洞多、微裂纹、层厚大、流水状组织明显等形貌特征。因此，选择区域2对沉积层内部的典型微观组织结构做进一步分析，结果如图6所示。电枢运动方向如图中箭头所示。图 6(a)所示为沉积层与轨道界面处的扫描电镜的EBSD图。从图中看出，在枢轨间应力与高温的共同作用下，界面处明显发生了Cu和Al元素的相互扩散，扩散层深度在1.5 μm左右(见图6(b))。根据现有的结合理论[18−19]，推测扩散层的形成过程如下：1) 由于电枢和轨道表面的凸起而产生相互摩擦，在电枢和轨道表面快速形成氧化膜。在枢轨间的应力与载流作用下，电枢表面的高温Al氧化膜与Cu轨道表面的氧化膜在摩擦产生的剪应力作用下破裂，致使Al原子与Cu原子接近，形成弱化学键。2) 重复发射产生反复的应力、温度与载流条件，使得已经形成弱化学键的Al、Cu原子被激活，进一步克服势垒，形成金属键。3) 发射后的残余温度，使得实现有效结合的Al和Cu发生相互扩散和再结晶，形成一定厚度的扩散层。扩散层有利于提高沉积层与轨道表面的结合性能，减少沉积层的剥落。从图 6(c)可见Al沉积层中较常见的富Al胞状枝晶，这种枝晶只在靠近沉积层表面的区域出现，在沉积层底面未出现枝晶，这是因为轨道具有良好的导热性能，并且从轨道与沉积层的界面处到沉积层表面呈正的温度梯度，但Cu合金轨道的导热性能优于沉积层Al合金，因此过冷现象不明显，故靠近轨道一侧的沉积层底部没有出现枝晶。当沉积层具有一定厚度时，由于沉积层的导热系数较小，轨道与沉积层的界面到沉积层表面开始呈负温度梯度，部分相界面的生长突出到液相中。由于液相过冷程度较高，突出部分的生长速率增加并进一步延伸到未凝固的Al液相中，从而产生胞状枝晶。
图 6(d)和(e)所示分别为沉积层截面的二次电子图像和EBSD图像。从图中看出，轨道上沉积层的晶粒取向(即生长方向)垂直于轨道表面。该沉积层是多次发射产生的结果，每次发射都会导致之前的沉积层再次熔融和凝固，凝固方向基本垂直于轨道表面，即温度由沉积层向空气梯度降低，或从沉积层向轨道梯度降低。故表现为晶粒沿垂直于轨道表面方向生长，枝晶取向相差较大的界面易形成裂纹。此外，沉积层的晶粒较粗(见图6(f))，直径为15 μm的晶粒面积分数最大，使得沉积层的力学性能较差。
图7所示为轨道磨损表面沉积层的XPS谱和XRD谱。从图7(a)看出，沉积层的O1s峰强度很高，表明轨道磨损表面的主要成分之一为氧化物。图7(b)中Al2p谱在74.6 eV结合能处的峰主要是Al－O键，在75.2 eV的高结合能处的峰主要是Al与从空气中吸收水形成的Al－OH键。而根据Cu的双峰拟合(图7(c)所示)可知Cu的价态为0价，表明只有从电枢转移到轨道表面的Al元素被氧化。图7(d)所示为轨道原始表面和沉积层表面的 XRD谱。由图7可知，原始轨道表面的主要元素为Cu，沉积层表面除Cu、Al外，还出现Al2O3、金属化合物Al4Cu9等其他相，据文献报道，在富Al的Al-Cu混合物中，Al4Cu9为优先形成的相[21]。Al2O3和Al4Cu9的形成增加了沉积层的脆性，更易出现裂纹。XRD谱也显示轨道沉积层表面氧化物仅有明显的Al2O3峰，同样证明被氧化的主要是从电枢转移到轨道表面的Al。
2.3 磨损机理
在多次发射过程中，轨道表面不断受到电枢发射带来的影响。结合轨道表面的宏观和微观形貌以及电枢在轨道中的运动状态可知，在轨道的4个不同区域存在不同的磨损机制。
图6 区域2的沉积层内部微观结构特征
(a) SEM backscatter image of the interface between deposition layer and rail; (b) EDS line scanning of the interface between deposition layer and rail; (c) SEM backscatter image of cellular-dendritic microstructure in deposition layer; (d), (e) SEM image , EBSD Euler graphs of deposition layer cross-section; (f) Grain size distribution in EBSD field of view
1) 区域1：由于电枢在此位置刚开始运动，速度小，电流低，枢轨接触良好，枢轨材料表面直接接触，较硬的轨道表面微凸体对较软的电枢材料表面造成犁削[22]，产生的小颗粒磨屑以第三体的形式在枢轨摩擦副之间滚滑，产生磨粒磨损[23]，导致裸露的轨道表面出现轻微犁沟(见图8(b)和(c))。此外，轨道表面发生明显的材料转移，电枢材料覆盖在部分轨道表面形成沉积层，表面有少量孔洞，沉积层边缘有剥落痕迹。这是由于枢轨间的过盈配合使得压应力与电枢运动时的剪应力共同作用，沉积层的剪切变形不断积累，使轨道表面下一定深度处出现位错堆积，超过此区域沉积层的屈服极限时产生垂直于轨道表面的裂纹。当裂纹向下扩展至轨道材料表面时，便不再沿深度方向继续扩展，而是在压应力与剪应力的共同作用下沿枢轨时间界面方向延伸(见图9(a))，直至与下一个垂直于轨道表面的裂纹相遇(见图9(b))，使得沉积层以片状磨屑的形式剥落，导致沉积层不连续。多次发射后，轨道表面沉积层与电枢材料的冷焊加剧，产生黏着磨损(如图8(a)所示)。综上所述，在轨道的区域1，磨损机理包括磨粒磨损、剥层磨损与黏着磨损，仅产生少量的电气磨损。
图7 沉积层表面的XPS谱和XRD谱
(a) Survey spectrum; (b) Al 2p spectrum; (c) Cu 2p spectrum;(d) XRD patterns of the original and deposition surface of the rail
图8 电磁发射CuCrZr轨道表面的黏着磨损(a)和磨粒磨损(b)、(c)
图9 轨道表面的沉积层剥落过程(a)和裂纹扩展、相遇(b)
图10 电磁发射轨道表面的电气磨损
(a) Loss of contact occurs on the surface, the circuit is still connected through the arc, and continuous deposition occurs; (b) Electrical wear surface morphology
2) 区域2：电枢经历短距离加速后，速度增大，但远未到达射出速度，同时脉冲电流迅速增大，两根轨道间洛伦兹力增大，向外产生互斥的力，导致枢轨间应力降低，此时电枢运行相对不稳定，枢轨接触状态恶化使得电弧增加，温度急剧升高，电枢材料软化并大量转移至轨道表面(见图10(a))，在电枢对沉积层表面的剪应力作用下形成大量流水状形貌，发生喷溅并产生孔洞塞积(图10(b)所示)。这一区域主要发生电气磨损，磨粒磨损和黏着磨损的影响比区域1弱化很多，电枢在这一区域的质量损失最大。
3) 区域3：电枢在这一区域接近射出速度，且电枢表面由于一直磨损已凹凸不平，形成明显凸峰，这些凸峰与重复发射后轨道表面的沉积层接触，沉积层软化使得电枢在其表面留下明显犁沟，犁沟附近出现典型的熔融形貌。这一区域主要为电气磨损和磨粒 磨损。
4) 区域4：此时枢轨内的电流从峰值回落，枢轨间接触时间非常短，沉积层均匀，沉积层表面附近有小孔洞，仍以电气磨损为主。
1) 对CuCrZr 合金轨道进行电磁发射实验，轨道的4个不同区域(分别位于沿发射方向的1/8、3/8、5/8和7/8轨道长度位置)的表面、截面形貌以及磨损机理均有所不同。区域1的轨道表面没有完全被沉积层覆盖，有较大的裸露面积。沉积层厚度在3～20 μm不等，轨道表面损伤严重。发生磨粒磨损、电气磨损、剥层磨损与黏着磨损。
2) 区域2、3和4均被沉积层完全覆盖。区域2的沉积层最厚，最大厚度达65 μm，沉积层内部孔洞多，且尺寸差距大。这一区域主要发生电气磨损，呈现最典型的沉积层形貌。
3) 区域3的沉积层厚度薄但较均匀，约为10 μm，孔洞数量少且体积小，轨道表面破坏较严重。发生较严重的电气磨损和磨粒磨损。
4) 区域4的沉积层表面与轨道表面均非常平整，沉积层均匀，厚度约为30 μm，出现垂直于轨道表面的贯穿沉积层的裂纹，孔洞小并多集中在沉积层上部。主要发生电气磨损。
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Deposition characteristics and wear mechanism of CuCrZr electromagnetic launch rail
LI Yuxing, YAO Pingping, LI Zhuan, ZHOU Haibin, WANG Xing, ZHAO Yibo, KANG Li, DENG Minwen
(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)
The dismantling study on the CuCrZr alloy orbital after the electromagnetic emission experiment was carried out. Combined with canning electron microscopy (SEM), energy X-ray spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), photoelectron spectroscopy (XPS) and electron backscatter diffraction (EBSD) etc., the surface of the orbital surface in four regions along the emission direction was analyzed. The deposition characteristics and wear mechanism were studied. The results show that most of the rail surface is covered by deposition. The thickness of the deposition layer tends to be thin to thick, and then to thin again in the second half of rail, and the thickest position reaches 65 μm. The main components of the deposition are Cu, Al, Al2O3and Al4Cu9, etc. There are some typical features in the deposition layer, including spalling, grooving, water-like structure, surface-attached wear debris, pores, packed pores and cellular-dendrites, which shows a mixed state of mechanical and electrical wear. The characteristics of the deposition layer in different regions are obviously different, including thickness, size and number of pores, microstructure inside the deposition, cracks, surface morphologies, etc. Diffusion occures at the interface between the deposition layer and the rail, forming a diffusion interface. And the grain orientation of the deposition layer is perpendicular to the rail surface.
electromagnetic launch; rail; deposition; wear mechanism; CuCrZr
10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022023
TJ866
A
1673-0224(2022)04-409-10
国家自然科学基金重点项目(92166202)；
中南大学研究生自主探索创新项目(1053320192411)
2022−03−15；
2022−04−25
姚萍屏，教授，博士。电话：0731-88876614；
E-mail: yaopingpingxx@sohu.com。李专，教授，博士。电话：0731-88879422；
E-mail：lizhuan@csu.edu.cn
(编辑 汤金芝)
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