内膛涂层枪管在内弹道过程中的热-机械-摩擦耦合响应及涂层参数的影响

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Thermo-mechanical-friction coupled response of a bore-coated gun barrel during interior ballistics and effects of coating parameters

　　•建立了一个真实的枪管射击三维热-机械-摩擦模型。
•热-机械应力从膛压主导转变为热载荷主导。
•膛线棱角处呈现多轴压缩和局部应力集中。
•膛内表面峰值温度与热渗透系数失配呈负相关。
•加厚涂层使膛线顶部界面温度降低20.6%–45.2%，应力降低5.6%–89.7%。

引言

枪管是武器系统中易损坏的主要部件之一，其服役条件直接影响射击精度、使用寿命和操作可靠性。如图1所示，射击时火药燃烧在极短时间内产生极高温度和高压环境。膛内表面同时承受来自火药气体的热冲击、膛压以及与弹丸嵌入和随后沿膛线滑动相关的接触摩擦[1]。这些耦合作用可能引发局部过热、应力集中和塑性变形，在重复射击下可能进一步促进热疲劳、烧蚀磨损、涂层开裂和界面分层[2]，[3]。因此，在严酷的热-机械-摩擦载荷下提高膛内表面的防护能力对于延长枪管寿命至关重要，而膛线涂层构成主要的防护策略之一。

过去几十年，电镀铬涂层被广泛用作保护枪管膛内表面免受磨损、腐蚀和烧蚀的主要手段。然而，电镀铬中的孔隙和预存微裂纹可能促进火药气体渗透、界面烧蚀和局部剥落[4]，而六价铬电镀也引发环境和健康问题[5]。因此，开发新型高性能防护涂层成为改善枪管膛内表面防护的重要途径。为此，大量研究致力于通过涂层制备、工艺控制和材料体系优化来替代传统铬涂层并提高其性能。除沉积工艺外，涂层前的基体表面状态也会影响涂层性能。Fernández-Abia等人[6]发现不同的机械预处理可以改变纳米结构PVD涂层的附着力和服役行为。Matson等人[7]研究了用于枪管的钽涂层溅射工艺，阐明了溅射气体和基体温度对α-Ta和β-Ta相形成的影响。Niu等人[8]利用激光脉冲加热模拟枪管热冲击，发现钽涂层在多次脉冲后保持整体完整性。Ta-W和Ta/TaC体系在耐磨性、抗烧蚀性和界面结合方面也表现出一定优势[9]，[10]。此外，不同工艺制备的三价铬和铬涂层也被研究作为传统电镀铬的替代品或改进方案，其开裂、剥落和热烧蚀行为强烈依赖于制备工艺[11]，[12]，[13]，[14]。另外，基于钽、Si?N?和TiCN的枪管衬套体系在制备和性能方面也得到了研究[15]，[16]，[17]，其中TiCN衬里钛合金枪管在提高耐磨性的同时，相对于钢枪管质量减轻约40%。为了评估候选涂层体系在枪管中的服役性能，通过实际枪管应用、射击试验和数值分析进行了进一步研究。Miller等人[18]将Ta-10 W衬里爆炸焊接到全长25毫米M242枪管上，随后进行射击试验。Lee等人[19]在膛线钢枪管衬套上施加50–125微米厚的钽涂层，并完成1500发射击试验，表明涂层开裂和剥落主要集中在含β-Ta区域和膛线-槽过渡区。Niu等人[20]通过在短膛线枪管上的通气容器试验进一步验证了α-Ta涂层的界面结合和抗烧蚀性。除实验研究外，Wang等人[21]对Cr和CrN/Cr涂层枪管进行了热-机械有限元分析，报告称CrN/Cr复合涂层可以降低枪管温度和应力水平。总体而言，各种新兴防护材料的应用可行性已得到验证；然而，现有研究主要集中于材料制备、性能评估和有限的射击验证，这些材料作为传统铬涂层替代品的实际服役可靠性仍需进一步验证。

在此背景下，硬质氮化物涂层因其高硬度、耐磨性和热稳定性而成为另一类有前景的膛线防护材料。硬质氮化物涂层已在高温摩擦应用中（如切削刀具）得到研究，其机械、热学和摩擦学性能受到广泛关注。Kumar等人[22]表明，将钒掺入TiAlSiVN涂层有助于降低摩擦和磨损，表明其在高温度滑动条件下改善涂层摩擦学性能的潜力。对于TiN/TiSiN体系，梯度多层结构可以改善硬度、韧性和摩擦学性能，同时调节热应力和冲击载荷下的动态响应[23]，[24]，[25]，[26]。在Ti6Al4V车削应用中，这些涂层使刀具基体温度降低10.2%–15.6%，应力降低22.1%–32.4%[27]。TiN/TiSiN涂层也表现出增韧潜力，而TaN/TiN体系在高频载荷下显示出良好的抗冲击疲劳性能[28]，[29]。其他硬质氮化物涂层提供互补优势：TiAlN具有良好的高温稳定性和耐磨性，TiCN具有高硬度和耐磨性，而基于TiSiN的涂层在高温摩擦和高速切削中表现出良好的抗磨损和损伤性能[30]，[31]，[32]，[33]，[34]，[35]。这些特性为将硬质氮化物视为候选膛线涂层提供了有用基础；然而，它们在实际内弹道条件下的应用和防护性能仍了解不足。

评估涂层用于枪管膛线保护的适用性不仅需要了解其固有材料性能，还需要理解实际射击载荷下枪管的瞬态响应。为了进一步阐明枪管损伤演化并为防护设计提供理论依据，大量研究致力于表征射击过程中枪管的热和机械响应。对于瞬态传热，De?irmenci等人[36]和?entürk等人[37]建立了从内弹道过程确定火药气体传热边界条件的方法。Abaci等人[38]根据12.7毫米枪管的温度测量验证了二维传热模型，证明了其预测非均匀温度分布的能力。通过将实验与数值分析相结合，Chen等人[39]表明连续射击时枪管温度沿轴向非均匀，热量集中在膛内表面附近并通过壁厚衰减。弹丸摩擦和膛线裂纹可进一步改变局部热响应和温度梯度[40]，[41]。对于热-机械行为，He等人[42]开发了周期性膛压和热脉冲载荷下的瞬态耦合模型，识别了重复载荷引起的温度梯度和循环热应力。Qu等人[43]使用有限元分析检查了枪管对热脉冲的响应，表明热载荷是热应力和应变的重要来源。Elfar等人[44]报告称循环热-机械载荷下的热量积累可驱动周向应力从拉伸转为压缩。这些研究确立了枪管的基本热-机械响应，但大多数采用二维或几何简化模型，使得由实际膛线几何引起的局部响应相对未探索。现有研究表明膛线几何和损伤状态影响弹丸嵌入、局部应力和周向传热，而坡膛过渡区和膛线棱角特别容易发生应力集中和热损伤[45]，[46]，[47]，[48]。涂层厚度、开裂和界面热阻也会强烈影响厚度方向的传热和界面失效[49]，[50]。此外，Chen等人[51]证明了30SiMn2MoVA钢的显著高温软化和承载能力下降，进一步强调了限制热渗透进入基体和改善膛线防护的必要性。因此，需要包含实际坡膛、膛线段和涂层几何的精细模型来解决局部枪管响应问题。

尽管取得这些进展，涂层开发和枪管响应分析仍不够整合。可以识别两个主要限制。首先，新兴膛线防护材料的研究仍然分散，主要关注制备、热冲击、磨损或烧蚀等孤立性能指标。在一致的内弹道载荷条件下，不同候选涂层的瞬态热和机械响应的系统比较仍然有限。其次，大多数数值研究依赖二维或简化枪管几何，因此无法充分捕捉与坡膛和膛线相关的局部三维响应。为解决这些不足，建立了一个包含实际坡膛、膛线、固体涂层和弹丸的三维涂层-枪管-弹丸有限元模型，用于12.7毫米枪管。移动热和压力边界由瞬态传热模型和经典内弹道理论确定，同时明确考虑弹丸嵌入和沿膛线的摩擦滑动接触。以铬涂层枪管为基准，分析了热载荷、膛压和弹丸接触下温度和应力的时空演化，并识别了代表性位置的局部多轴应力机制。最后，比较不同涂层材料和厚度下获得的响应，以阐明涂层热物理和机械性能的影响，从而指导涂层选择、厚度设计和关键枪管区域的识别。

章节片段

枪管传热模型

射击过程中，火药气体释放的热量主要通过传导、对流和辐射传递。高温气体首先通过强制对流加热膛内表面，然后热量通过涂层和枪管基体向外传导。在膛内表面施加瞬态强制对流边界条件，而在外表面施加自然对流。基于热传导和对流传热理论，建立了瞬态

基本假设

为聚焦火药气体热载荷、膛压和弹丸-枪管接触摩擦对动态枪管响应的影响，采用以下假设：
(1) 弹丸、枪管基体和涂层被视为均匀、各向同性、连续介质。
(2) 枪管基体考虑温度相关的热物理和机械性能，而弹丸和涂层材料采用恒定性能。
(3) 假设完美结合

温度响应

图6给出了基准150微米铬涂层在射击期间不同轴向截面和特征点的瞬态温度历史。随着弹丸向前移动，加热区域沿枪管轴线逐渐扩展，截面A、B、C和D处温度升高的起始时间依次延迟。由于靠近枪口处局部暴露于高温火药气体的时间减少，峰值温度通常从截面A到截面D降低。

局部多轴应力状态分析

图11给出了在截面B涂层内表面点1、3和6处，不同载荷条件下von Mises应力和方向应力分量的时间历史。为获得枪管不同方向的应力分量，建立了以枪管轴线为轴向的圆柱坐标系，并将应力张量转换到此坐标系，如图11(m)所示。在此系统中，径向应力作用于

结论

本研究调查了涂层机枪枪管在单发射击内弹道阶段的瞬态热-机械-摩擦响应。主要结论如下：
(1) 热-机械应力响应表现出清晰的分阶段演化。在射击早期，响应由膛压主导，随着膛压衰减和温度梯度发展，逐渐转变为热载荷主导。在基准铬涂层模型中，
CRediT作者贡献声明

Shuang Pan：初稿撰写、验证、软件、方法、调查、形式分析。Shaopeng Gu：审阅与编辑、调查、形式分析。Wei Liu：审阅与编辑、形式分析。Baifeng Ji：审阅与编辑、方法、概念化、资金获取、监督、项目管理。Ziping Qiao：审阅与编辑、方法、概念化。Jun Xue：审阅与编辑、方法。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本论文工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到广东省基础与应用基础研究重大项目（2021B0301030001）和国家自然科学基金（52472073和52672085）资助。

Shuang Pan|Shaopeng Gu|Wei Liu|Baifeng Ji|Ziping Qiao|Jun Xue|Song Zhang