简介概要

载流摩擦条件下CuCrZr合金表面组织演变规律

来源期刊：稀有金属2020年第7期

论文作者：黄伟杨黎明史戈宁刘晓彬陈子明田开文

文章页码：687 - 696

关键词：CuCrZr;轨道;铝沉积层;焦耳热;电磁力;

摘要：采用电磁发射试验研究在电流作用下CuCrZr合金材料表面组织和性能变化。试验以CuCrZr合金作为发射轨道,7075铝合金作为发射电枢。对试验后的CuCrZr合金样品,进行硬度、金相显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)形貌与能谱(EDS)分析。分析结果表明:由于电流的作用,在电磁发射初期,电枢相对运动速度较慢,电流焦耳热效应占主导地位,使铜合金轨道材料表面发生熔化,并形成高铝沉积层,组织上呈现柱状晶等明显热效应产物;在发射后期,电枢对轨道的冲击作用占主导地位,材料组织上呈现晶粒细化和塑性变形等典型力学损伤特征。由于热效应的存在提高了铝原子的能量,使其向CuCrZr合金轨道基体内发生扩散现象,组织中的铝原子浓度梯度电枢速度的增加,呈下降趋势。溶入轨道基体的铝原子和电枢对轨道冲击作用产生的形变,使轨道材料表面产生强化效应,提高了轨道材料上下表面的硬度,使其沿厚度方向呈"U"形分布。

网络首发时间: 2019-06-12 14:19

稀有金属 2020,44(07),687-696 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy19030011

载流摩擦条件下CuCrZr合金表面组织演变规律

黄伟杨黎明史戈宁刘晓彬陈子明田开文

宁波大学机械与力学学院

中国兵器科学研究院宁波分院

烟台万隆真空冶金股份有限公司

摘要：

采用电磁发射试验研究在电流作用下CuCrZr合金材料表面组织和性能变化。试验以CuCrZr合金作为发射轨道，7075铝合金作为发射电枢。对试验后的CuCrZr合金样品，进行硬度、金相显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）形貌与能谱（EDS）分析。分析结果表明：由于电流的作用，在电磁发射初期，电枢相对运动速度较慢，电流焦耳热效应占主导地位，使铜合金轨道材料表面发生熔化，并形成高铝沉积层，组织上呈现柱状晶等明显热效应产物；在发射后期，电枢对轨道的冲击作用占主导地位，材料组织上呈现晶粒细化和塑性变形等典型力学损伤特征。由于热效应的存在提高了铝原子的能量，使其向CuCrZr合金轨道基体内发生扩散现象，组织中的铝原子浓度梯度电枢速度的增加，呈下降趋势。溶入轨道基体的铝原子和电枢对轨道冲击作用产生的形变，使轨道材料表面产生强化效应，提高了轨道材料上下表面的硬度，使其沿厚度方向呈“U”形分布。

关键词：

CuCrZr;轨道;铝沉积层;焦耳热;电磁力;

中图分类号： TG146.11

作者简介：黄伟（1981-），男，浙江宁波人，硕士，研究员，研究方向：特种铜合金材料、粉末冶金材料，电话：0574-87902105,E-mail:hw315@126.com;

收稿日期：2019-03-07

基金：中国兵器工业集团创新团队基金项目(2017);国家安全重大基础研究项目(6132270201)资助;

Surface Microstructure Evolution of CuCrZr Alloy under Current-Carrying Friction

Huang Wei Yang Liming Shi Gening Liu Xiaobing Chen Ziming Tian Kaiwen

College of Mechanical Engineering and Mechanics,Ningbo University

Ningbo Branch of Chinese Academy of Ordnance Science

Yantai Wanlong Vacuum Metallurgy Co.,Ltd.

Abstract：

The electromagnetic emission test was adopted to study the surface microstructure and properties of CuCrZr alloy under the action of electric current. CuCrZr alloy was used as launching rail material and 7075 aluminum alloy as armature material. The tested CuCrZr alloy samples were analyzed by hardness test,optical microscopy(OM),scanning electron microscope(SEM)and energy dispersive spectrometer(EDS). The results showed that due to the effect of electric current,the relative speed of armatures was slower in the initial stage of electromagnetic launching,and the Joule heating effect of current dominates,which caused the surface melting of copper alloy rail materials and the formation of a high-aluminum deposition layer,the obvious heat effect products such as columnar crystals appeared in the microstructure. In the late stage of launching,the impact action of armature on rail dominates,and the microstructure presented the typical mechanical damage characteristics such as grain refinement and plastic deformation. Due to the existence of heat effect,the energy of aluminum atom was increased,which made it diffuse into the CuCrZr alloy matrix. The increase of the armature velocity of the gradient of Al atom concentration in the microstructure tended to decrease. The deformation caused by the impact of Al atoms and armature dissolved in the rail matrix on the surface of the rail material had a strengthening effect,which improved the hardness of the upper and lower surface of the rail material and made it distribute in a "U" shape along the thickness direction.

Keyword：

CuCrZr; rail; residual aluminum layer; joule heat; electromagnetic force;

Received： 2019-03-07

随着现代军事技术的发展以及国防建设的需要，对武器弹药高速化的要求越来越高。传统火炮由于其自身弹道材料限制，很难再提升其初速度，从而越来越不能满足现代军事需求。电磁轨道炮由于其隐蔽性好、稳定性高、射程远、廉价等特点而快速发展，电磁发射装置可以将炮弹加速到每秒几千米甚至几万米，大大缩短炮弹飞行时间，对目标进行更为有效的打击和摧毁 ^[1] 。近些年来，国内华中科技大学、西北核技术研究所、南京理工大学、中国兵器科学研究院、军械工程学院、燕山大学等单位对电磁轨道炮的发射过程、脉冲电流、电磁特性等方面做了大量的研究 ^{[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]} 。轨道是电磁发射装置的关键部件之一，电磁炮的发展与轨道的优化改进密不可分。铬铜合金由于其良好的导电导热性、耐腐蚀性、耐磨性、高强度等特点被广泛应用于航空航天、引线框架、高铁接触线等领域 ^{[17,18,19,20,21,22]} ，而轨道材料特性与铬合金比较匹配。本试验以C18150铜铬合金轨道为研究对象，探索其在电磁发射后轨道表面的沉积层厚度、轨道表层组织状态，揭示枢轨界面在发射过程中的摩擦磨损机制。

1实验

所选用的轨道材料为：C18150铜铬合金，采用真空熔铸与大变形强化工艺技术制备，材料性能达到R_m≥550 MPa，导电性≥80%IACS;

所选用的电枢材料为：7075铝合金，采用半连铸与挤压形变强化工艺技术制备，材料性能达到R_m≥520 MPa，导电性≥35%IACS;

本次试验在模拟电磁发射试验平台上进行，发射装置参数为：发射极限速度：≥2000 m·s^-1，发射极限加速度：≥200000 m·s^-2；发射峰值电流：≥300 kA；试验次数：10次。

选取经过10次电磁发射试验后的轨道进行显微组织观察，重点分析电枢速度的变化对于轨道表层铝沉积层厚度、轨道表层组织和轨道内部晶粒大小的影响。电磁发射试验初始方案电枢速度主要关注500,1000和1500 m·s^-13个特定速度下，同时选取电枢的极限速度2080 m·s^-1位置进行组织观察。由于电枢在轨道间的运行速度极快，在实际取样时很难精准的取到预先设定的位置，根据发射过程的电枢运动时刻与运动速度/位移对照图（图1所示）进行取样分析，所以具体选取的显微组织观察位置如下所示：480,1060,1430,2080 m·s^-1。

2结果与讨论

2.1轨道表层铝沉积层厚度检测及轨道硬度测试

图2是电磁发射后电枢运动速度与轨道表层铝沉积层厚度的关系曲线。从图2中可以看出，随着电枢速度的增加，轨道表面的铝沉积层厚度以近似线性方式递减。电枢速度在480,1060,1430m·s^-1时对应轨道表面铝沉积层厚度分别为32,20和11μm，当电枢速度达到最大值2080 m·s^-1时，此时轨道表面铝沉积层厚度近乎为零。

图1 电枢运动时刻与运动速度/位移对照图

Fig.1 Relationship between time and velocity/displacement of armature

图2 电枢运动速度与轨道表层铝沉积层厚度的关系曲线

Fig.2 Curve of velocity of armature velocityand the thickness of residual aluminum layer on rail surface

铝沉积层厚度随电枢运动速度的增加而逐渐减小，这可能会对轨道的力学性能有所影响，图3是10次电磁发射后C18150铜铬合金轨道截面厚度方向的硬度变化曲线。从图3可以看出电磁发射后轨道硬度沿轨道电枢接触面向轨道底部呈“U”形分布。轨道表层（铝沉积层）硬度最高，电枢速度为480,1060,2080 m·s^-1时硬度高达约HV 380；轨道中部硬度最低，在HV 148～157之间；轨道底部硬度较中部呈现升高的趋势。

2.2轨道内部显微组织分析

根据图2,3可知，轨道表层的铝沉积层厚度随电枢速度的增加而逐渐降低，不同电枢速度下轨道表层到轨道底部的显微硬度也成规律的“U”形分布，针对这一现象我们对轨道的显微组织进行表征分析。

图4是10次电磁发射后不同电枢速度下轨道表层的显微组织形貌图，其中图4(a～d）所对应的电枢速度分别为480,1060,1430和2080 m·s^-1。从图4(a）可以看到电枢速度为480 m·s^-1时，轨道表层形成了一层多孔状的铝沉积层，并且沿着铜合金表面有一定的延伸，形成一层铜铝过渡层，并且局部出现柱状晶组织；随着电枢速度的升高，轨道表面的铝沉积层的厚度逐渐降低，如图4(c,d）所示；当电枢速度达到2080 m·s^-1时，轨道表面没有发现铝沉积层，并出现了类似变形带特征的条带组织。

由图4可知不同电枢速度下轨道表层的铝沉积层厚度呈递减趋势，并且轨道内组织会有所变化，为了进一步观察分析电枢速度对表征轨道面的损伤机制，采用扫描电镜对不同电枢速度下轨道表层的微区组织进行表征。

图3 轨道硬度变化曲线

Fig.3 Curves of rail hardness

图4 不同电枢速度对应的轨道表面微观组织形貌图

Fig.4 Microstructures and morphology of rail section of differ-ent armature velocities

(a)480 m·s^-1;(b)1060 m·s^-1;(c)1430 m·s^-1;(d)2080 m·s^-1

图5是电磁发射后电枢速度480 m·s^-1时轨道表面的显微组织形貌与能谱扫描图，从中可发现沿轨道表层向材料心部，根据组织与结构不同分为3个区域，分别如图5(a）中的微区A,B,C所示。A区为沉积层区域，其组织结构相对疏松，存在较多不规则的孔洞，与B区存在明显的分界线。B区为组织影响区，其组织结构致密，与C区分界线不明晰。C区为基体区，其组织结构致密，具有铜合金的组织特征。

对微区进行线扫描能谱分析，结果显示从基体内部到样品表面，铜元素的含量逐渐降低，而铝元素的含量在A,B,C区的分界线处存在两个突变。A区与B区存在明显物理分界，可断定A区是因为轨道与电枢的摩擦行为而产生的。从A区中检出铜元素，说明轨道铜合金发生熔化现象，其中的铜元素有向A区中扩散的趋势。同时，B区与C区没有明显界面过渡，只是由于组织、成分的差别引起的衬度界面，因此从本质上看B区、C区为同种材料。不同之处在于B区中检出铝元素，而C区中没有，说明B区为铝元素在铜合金中的扩散层，C区是铜合金基体。

图5 电枢速度480 m·s-1时轨道表面微观组织形貌图

Fig.5 Microstructures and morphology of rail surface at armature velocity of 480 m·s^-1

(a)Microstructures and morphology of rail;(b)Al;(c)Cu

从图5(a）中可明显观察到在B区中存在柱晶组织，由铜合金基体（C区）向铜合金表面生长。柱状晶的出现表明该处曾经历过高温熔融过程。电磁发射起始阶段由于电枢运动速度低，电枢在同一个位置滞留时间较长，电枢和轨道界面处产生的焦耳热较多，因此在电枢、轨道界面处出现熔融现象，这也说明了为什么在铝沉积层和组织影响区的界面处成分比较接近。电枢经过后，轨道由表面至心部形成较大温度梯度，表面熔融层晶粒沿散热方向反方向生长，形成了柱状晶组织。

进一步对A,B,C区采用面扫描半定量分析各区成分构成。表1为A,B,C微区的能谱分析结果。从A区到C区的结果分别为Cu0.97Cr21.40Al,Cu0.82Cr10.76Al（%，原子分数）和Cu。从各层成分梯度的变化来看，可发现铜原子的迁移路径为从C区向A区，铝原子的迁移路径为从A区向C区，由于扩散能量不足和铜合金组织致密，铝原子仅扩散至一定的深度，形成了组织影响区（B区）。

图6是电磁发射后电枢速度1060 m?s^-1时轨道表面的显微组织形貌与能谱扫描图，从图6(a）可发现，轨道样品表面组织可区分为两个不同的结构层（A区与B区），A区结构疏松，内部存在较大的空洞和沟槽，且与B区存在明显界面，为沉积层区域。B区组织结构致密，保持轨道铜合金原始组织的特征，为基体区。对比480 m?s^-1速度下的轨道显微照片发现，在1060 m?s^-1速度下，铜合金轨道材料的微观结构出现了比较大的变化，沉积层厚度明显降低，未见明显组织影响区，结构上变为两层即沉积区域和基体区域。采用线扫描能谱分析的方法对微区成分变化进行分析。从图中可以看到从样品表层到心部，铜元素的含量逐渐升高，其中有一个较大的突变是因为铜合金轨道中存在铬元素的弥散析出相的缘故，从电镜照片中可以观察到析出的铬颗粒存在于线扫描的路径上。考察铝元素含量发现，在轨道表层中铝的含量水平较高，直至经过界面后铝元素含量急剧降低并趋向平稳。

表1 电枢速度480 m·s^-1时轨道表面微区能谱分析下载原图

Table 1 Energy spectrum analysis of rail surface at ar-mature velocity of 480 m·s^-1(%,atom fraction)

图6 电枢速度1060 m·s-1时轨道表面微观组织形貌图

Fig.6 Microstructures and morphology of rail surface at armature velocity of 1060 m·s^-1

(a)Microstructures and morphology of rail;(b)Al:(c)Cu;(d)Cr

表2为A,B微区的能谱分析结果。A区处结果为Cu67.88Cr0.73Al31.39（%，原子分数），B区结果为Cu98.52Cr1.48，铜合金中存在纯铬颗粒存在。由于从结构上缺少了组织影响区，铜、铝原子的迁移扩散主要发生在沉积层（A区）中，结合上述线扫描的结果，发现沉积层中的铜含量较高，说明轨道表面和沉积层中存在高温过程，铜原子向铝沉积层中迁移扩散行为比较活跃。而在B区中，没有铝原子的存在，说明从B区开始轨道处于一个相对温度较低的状态，没有激发铝原子向基体中的扩散行为。

表2 电枢速度1060 m·s^-1时轨道表面微区能谱分析下载原图

Table 2 Eenergy spectrum analysis of rail surface at ar-mature velocity of 1060 m·s^-1(%,atom fraction)

对比组织照片，可发现A区中存在明显的枝晶存在，说明在A区中存在高温和熔融现象，相比较500 m·s^-1速度下的柱状晶，其熔体的过热度相对较低，晶粒也相对较细小。B区中的组织与轨道原始组织相差不大，热效应对其影响较小。

图7是电磁发射后电枢速度1430 m·s^-1时轨道表面的显微组织形貌与能谱扫描图，从电镜照片来看轨道可区分为两个不同的结构层（A与B），沉积层（A）结构疏松，内部存在较大的空洞和较多的夹杂，与轨道基体层（B）存在明显界面。心部（B）组织结构致密，晶粒更加细小，出现一定程度的塑性变形趋势。

图8是电磁发射后电枢速度2080 m·s^-1时轨道表面的显微组织形貌与能谱扫描图，从图中轨道组织可分为A,B两层，且A,B两层间的界限不明晰，已观察不到表面沉积层的特征组织，A层更趋向于组织影响区，不同的是此处的组织影响区晶粒组织呈现被拉长，存在严重的塑性变形。B层组织未出现明显塑性变形的迹象。

图7 电枢速度1430 m·s-1时轨道表面微观组织形貌图

Fig.7 Microstructures and morphology of rail surface at armature velocity of 1430 m·s^-1

(a)Microstructures and morphology of rail;(b)Al;(c)Cu;(d)Cr

图8 电枢速度2080 m·s-1时轨道表面微观组织形貌图

Fig.8 Microstructures and morphology of rail surface at armature velocity of 2080 m·s^-1

(a)Microstructures and morphology of rail;(b)Al;(c)Cu;(d)Cr

采用线扫描能谱分析显示从轨道表层开始到轨道心部，铜、铝等元素的含量均匀稳定，表明轨道由表层到心部没有成分突变，轨道在发射中的损伤过程没有原子的扩散迁移。

对A,B区进行微区能谱分析，A区处结果为Cu98.99Cr1.01（%，原子分数），B区结果为Cu98.48Cr1.52。此阶段的轨道虽由两层构成，但两层结构的成分一致，是同种材料的不同组织形态。表层组织呈现变形条带特征，追溯形成这种组织的原因可能是因为后期电枢高速运动对轨道有冲击作用，根据动量冲击的原理，冲击时间越短冲击力越大，因此，在电枢处于速度极值大于2000 m·s^-1时，其冲击力达到最大值，此时电枢对轨道因冲击产生的损伤最严重，变现形式为轨道表层组织严重变形，沿电枢运动方向被拉长至纤维化条带组织。

图9是电磁发射后电枢速度480 m·s^-1对应轨道截面从顶端（轨道电枢接触面）到底端的显微组织形貌图。从图9(a）可以看出轨道最上层是电枢经过后形成的多孔铝沉积层，接下来是扩散层，并且发现靠近铜/铝复合层的组织存在严重的变形畸变，晶粒为柱状晶；扩散层以里有类似条带状组织出现；随着距离轨道表面距离的增加（图9(c,d）所示），出现晶粒长大的现象，晶粒轮廓非常清晰，接近为等轴晶状，尺寸明显大于原始晶粒尺寸，并且有大量的孪晶出现；当靠近轨道底部时，如图9(e,f）所示，条带状组织重新出现，并且可以看出晶粒发生了严重的塑性变形。

图9 电枢速度480 m·s-1对应的轨道截面微观组织形貌图

Fig.9 Microstructures and morphology of rail section of arma-ture velocity 480 m·s^-1

(a)Surface;(b)1 mm below the surface;(c)2 mm below thesurface;(d)3 mm below the surface;(e)1 mm above the bot-tom;(f)Bottom

图10是电磁发射后从480～2080 m·s^-1不同电枢速度所对应轨道截面微观组织形貌图。其中图10(a～d）对应的电枢速度分别为480,1060,1430,2080 m·s^-1，组织形貌图显示各阶段的晶粒并不是等轴晶，但随着电枢速度的提高，也能看出晶粒尺寸呈现逐渐降低的趋势。经统计发现电枢速度480m·s^-1时对应轨道的晶粒尺寸为25～30μm，轨道晶粒的变形程度相对较小；而1060,1430,2080 m·s^-1时所对应的轨道晶粒尺寸下降到15～20μm之间，各晶粒的畸变程度明显较高。

2.3分析与讨论

电磁发射后轨道表面的铝沉积层厚度随着电枢速度的增加以近似线性方式递减，当电枢速度达到最大值2080 m·s^-1时轨道表面铝沉积层厚度近乎为零。从前面轨道显微组织图我们可以把轨道的截面分为4个组织区，示意图如图11。

为了进一步认识电磁发射过程中电枢速度对于轨道表面损伤影响，揭示轨道主要损伤机制，我们对电枢运动过程中枢轨界面的摩擦磨损状态进行分析。

图1 0 不同电枢速度对应的轨道截面微观组织形貌图

Fig.10 Microstructure and morphology of rail cross section of different armature velocities

(a)480 m·s^-1;(b)1060 m·s^-1;(c)1430 m·s^-1;(d)2080 m·s^-1

图1 1 不同电枢速度对应的轨道截面微观组织形貌图

Fig.11 Microstructure and morphology of rail cross section of different armature velocities

轨道在电枢运动过程的受力、受热分析。焦耳热（W):

式中，W为焦耳热（J),R为接触电阻（Ω），I为发射电流（A),S为位移（m),v为电枢速度（m·s^-1）。

在位移区间很小的范围内，产生的焦耳热与电枢速度有相关关系，速度越大产生的焦耳热越少。

摩擦力包括两部分，结构预紧力产生的摩擦力和电磁力产生的摩擦力。假设结构预紧力为一个恒定值，预紧力产生的摩擦热在发射始末持续作用，且相同位移产生的摩擦热相等。

电磁力体现为电磁炮的膛压 ^[23] ，膛压P可采取以下公式表示：

式中，?₀为真空磁导率（N·A^-2),j为线电流密度（A/mm),I为发射电流（A),w为轨道宽度（mm）。

在位置相对固定的某个小区域内，即时电流越大，膛压越大，轨道与电枢的接触力越大，所以因膛压产生的摩擦热也就越大。

除此之外，由于电枢运动过程中的不稳定性，轨道受到电枢的冲击力，采用经典冲量理论表示：

式中，F为冲击力（N),t为作用时间（s),m为电枢质量（kg),S为位移（m),v为电枢速度（m·s^-1）。

电枢对轨道的冲击力与其速度的平方成正比，因此在电枢匀速运动之前轨道受到的冲击力逐渐增大。

针对轨道在电枢运动过程中的受力、受热情况，在电枢的启动阶段（0～0.4 ms），电流突然加大，焦耳热瞬间剧增，导致轨道和电枢材料的局部熔化，形成了一层较厚的铜/铝沉积层，附着在轨道表层造成表面硬度增大。且界面处大量的焦耳热会导致晶粒的再结晶长大，这也与我们观察到电枢启动阶段轨道顶层组织粗大相一致。

随着电枢速度的增加（0.4～1.0 ms），电枢处于匀加速阶段，电流大小恒定。此时焦耳热基本处于稳定状态，但是轨道受到电枢的冲击力会逐渐增大，冲击力会对轨道产生塑性变形作用，晶粒发生畸变，同时黏附在轨道表层的铝合金也会减少。大量的焦耳热以及摩擦热会使铜/铝复合层以下轨道基体熔融，并且晶粒沿基体相表层生长，形成部分柱状晶，轨道底部由于其冲击力也产生变形硬化。

当电枢速度达到匀速时（1.0～1.5 ms），此时冲击作用力占主导作用，对轨道表面主要是的损伤表现为变形畸变，而铝沉积层也逐渐减薄，轨道表层晶粒变形硬化作用明显，同时轨道底部由于其冲击力也产生变形硬化。