EP1403609A1 - Verfahren zur Innenbeschichtung eines Waffenrohres - Google Patents
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- EP1403609A1 EP1403609A1 EP03015336A EP03015336A EP1403609A1 EP 1403609 A1 EP1403609 A1 EP 1403609A1 EP 03015336 A EP03015336 A EP 03015336A EP 03015336 A EP03015336 A EP 03015336A EP 1403609 A1 EP1403609 A1 EP 1403609A1
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- barrel
- gun barrel
- layer material
- layer
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F41—WEAPONS
- F41A—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS COMMON TO BOTH SMALLARMS AND ORDNANCE, e.g. CANNONS; MOUNTINGS FOR SMALLARMS OR ORDNANCE
- F41A21/00—Barrels; Gun tubes; Muzzle attachments; Barrel mounting means
- F41A21/22—Barrels which have undergone surface treatment, e.g. phosphating
Definitions
- the invention relates to a method for the inner coating of a weapon barrel, on the inner surface of which a layer of a layer material is applied at least in a partial area in order to avoid erosions.
- a disadvantage of this known method is, inter alia, that the electrolytically deposited hard chrome layers do not withstand the increased ammunition. The resulting chrome eruptions gradually cause severe erosions.
- protective layers of high-melting materials such as niobium, molybdenum, tantalum, hafnium, vanadium, tungsten, zirconium or their alloys, in layer thicknesses of up to a few mm, for example by plasma spraying or laser deposition welding, on the inner surface of the weapon barrel. It has been shown that in the case of plasma spraying, protective layers are deposited on the inner surface of the weapon barrel, which have a relatively low connection to the base material of the weapon barrel and have a high porosity.
- high-melting materials such as niobium, molybdenum, tantalum, hafnium, vanadium, tungsten, zirconium or their alloys
- a corresponding laser beam is directed onto the inner surface of the gun barrel, which melts the areas of the gun barrel near the surface.
- the layer material is introduced in powder, wire or ribbon form shortly before the laser beam strikes the inner surface of the weapon barrel and is melted by it, so that a molten bath containing the melted weapon barrel material and the layer material is formed in the area of the weapon barrel near the surface, which solidifies when the laser beam moves on.
- a disadvantage of laser cladding has been that a relatively large amount of heat has to be introduced into the tube material, so that heat-affected zones of up to 10 mm are sometimes formed. However, this leads to a negative influence on the autofrettage residual stresses of the corresponding gun barrel.
- the invention has for its object to provide a method for coating the inside of a weapon barrel, with which to avoid erosion, high-melting layer materials can be applied to the inner surface of the barrel, which form a good connection with the base material of the barrel and when they are applied, the residual stress state of the Gun barrel should only be slightly influenced by heat.
- the invention is essentially based on the idea of using a laser-assisted plasma spraying method to apply a protective layer to the inner surface of the weapon barrel.
- the layer material is applied by plasma spraying to the inner surface of the gun barrel and at the same time a laser beam is directed onto the inner surface of the gun barrel and the areas of the gun barrel that are coated or still to be coated are melted, so that the molten gun barrel material is melted in the area of the gun barrel near the surface and forms the melt pool containing the layer material, which solidifies as the laser beam moves on.
- 1 denotes a weapon barrel, which is covered with a hard metal, e.g. Niobium to be coated.
- a hard metal e.g. Niobium to be coated.
- a known plasma spray system 3 is arranged in the gun barrel. This generates a plasma jet 4 of high temperature and high flow velocity, into which the powdery layer material is introduced by means of a powder injector (not shown). The hot plasma jet then melts the layer material and accelerates it in droplets at high speed to the inner surface 5 of the weapon barrel 1.
- the laser beam 7 generated by a CO 2 or Nd: YAG laser 6 is directed via a deflecting mirror 8 onto the inner surface 5 of the weapon barrel 1 and the weapon barrel region 10 which has just been coated with the layer material 9 is melted for a short time, so that it comes close to the surface Area of the weapon barrel 1 forms a molten bath 11 containing the molten weapon barrel material and the layer material, which solidifies during the further movement of the plasma and laser beams 4 and 7.
- a flat coating of the inner surface 5 of the gun barrel 1 in the partial area 2 is obtained in that the plasma spraying system 3 as well as the laser beam 6 and the gun barrel 1 execute a spiral movement relative to one another.
- the plasma spraying system 3 with the deflecting mirror 8 can carry out both an axial and a rotary movement with the aid of a displacement device (not shown).
- the laser beam 7 does not necessarily have to be directed directly onto the focusing spot 12 of the plasma beam 4, but rather can briefly melt the inner surface of the weapon barrel 1 immediately in front of the focusing spot 12.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Innenbeschichtung eines Waffenrohres, auf dessen innere Oberfläche mindestens in einem Teilbereich eine Schicht eines Schichtwerkstoffes zur Vermeidung von Erosionen aufgebracht wird.
- In der Waffentechnik bewirken leistungsgesteigerte Munitionsarten aufgrund ihrer beim Abschuß entstehenden hohen Gastemperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten, insbesondere bei den aus Stahl bestehenden Waffenrohren, starke Erosionen, die das jeweilige Waffenrohr bereits vor Erreichen seiner Ermüdungslebensdauer verschleißen. Es ist bereits bekannt, die entsprechenden Waffenrohre zwecks Vermeidung derartiger Erosionen mit einer Hartchromschicht zu versehen. Dabei wird der Hartchrom elektrolytisch an der inneren Oberfläche des Waffenrohres abgeschieden.
- Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren unter anderem, daß die elektrolytisch abgeschiedenen Hartchromschichten der leistungsgesteigerten Munition nicht standhalten. An den sich dadurch ergebenden Chromausbrüchen entstehen nach und nach starke Erosionen.
- Es ist bereits vorgeschlagen worden, Schutzschichten aus hochschmelzenden Werkstoffen, wie Niob, Molybdän, Tantal, Hafnium, Vanadin, Wolfram, Zirkonium oder deren Legierungen, in Schichtdicken bis zu einigen mm, z.B. durch Plasmaspritzen oder Laserauftragsschweißen, auf die innere Oberfläche des Waffenrohres aufzubringen. Dabei hat sich gezeigt, daß sich beim Plasmaspritzen an der inneren Oberfläche des Waffenrohres jeweils Schutzschichten ablagern, die eine relativ geringe Verbindung mit dem Grundwerkstoff des Waffenrohres aufweisen und eine hohe Porosität besitzen.
- Beim Laser-Auftragsschweißen wird auf die innere Oberfläche des Waffenrohres ein entsprechender Laserstrahl gelenkt, der die oberflächennahen Bereiche des Waffenrohres aufschmilzt. Der Schichtwerkstoff wird in pulver-, draht- oder bandförmiger Form kurz vor dem Auftreffen des Laserstrahles auf die innere Oberfläche des Waffenrohres eingebracht und durch diesen geschmolzen, so daß sich im oberflächennahen Bereich des Waffenrohres ein den geschmolzenen Waffenrohrwerkstoff und den Schichtwerkstoff enthaltendes Schmelzbad ausbildet, welches bei der Weiterbewegung des Laserstrahles erstarrt.
- Als nachteilig hat sich beim Laserauftragsschweißen ergeben, daß eine relativ große Wärmemenge in den Rohrwerkstoff eingebracht werden muß, so daß teilweise Wärmeeinflußzonen von bis zu 10 mm gebildet werden. Dieses führt aber zu einer negativen Beeinflussung der Autofrettage-Eigenspannungen des entsprechenden Waffenrohres.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Innenbeschichtung eines Waffenrohres anzugeben, mit dem zur Vermeidung von Erosionen hochschmelzende Schichtwerkstoffe auf die innere Oberfläche des Waffenrohres aufgebracht werden können, die eine gute Verbindung mit dem Grundwerkstoff des Waffenrohres eingehen und bei deren Aufbringen der Eigenspannungszustand des Waffenrohres nur geringfügig durch Wärme eintrag beeinflußbar sein soll.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs gelöst.
- Der Erfindung liegt im wesentlichen der Gedanke zugrunde, zur Aufbringung einer Schutzschicht auf die innere Oberfläche des Waffenrohres ein Laser-unterstütztes Plasmaspritzverfahren einzusetzen. Der Schichtwerkstoff wird dabei durch Plasmaspritzen auf die innere Oberfläche des Waffenrohres aufgebracht und gleichzeitig wird ein Laserstrahl auf die innere Oberfläche des Waffenrohres gelenkt und die oberflächennahen beschichteten oder noch zu beschichtenden Bereiche des Waffenrohres aufgeschmolzen, so daß sich im oberflächennahen Bereich des Waffenrohres ein den geschmolzenen Waffenrohrwerkstoff und den Schichtwerkstoff enthaltendes Schmelzbad ausbildet, welches bei der Weiterbewegung des Laserstrahles erstarrt.
- Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei einem derartigen Verfahren einerseits eine gute Verbindung zwischen der Schutzschicht und dem Grundwerkstoff des Waffenrohres (in der Regel Stahl) sichergestellt wird und daß andererseits keine hohen Energieeinträge in den Grundwerkstoff erfolgen, so daß ein durch Autofrettage erzeugter Eigenspannungszustand im Waffenrohr wenig bzw. vernachlässigbar gering beeinflußt wird, weil der Wärmeeintrag im Bereich ≤ 5 mm, vorzugsweise im Bereich ≤ 1 mm liegt.
- Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden anhand einer Figur erläuterten Ausführungsbeispiel.
- In der Fig. ist mit 1 ein Waffenrohr bezeichnet, welches in einem Teilbereich 2 mit einem Hartmetall, z.B. Niob, beschichtet werden soll.
- Zur Beschichtung des Waffenrohres 1 ist in dem Waffenrohr eine an sich bekannte Plasmaspritzanlage 3 angeordnet. Diese erzeugt einen Plasmastrahl 4 hoher Temperatur und hoher Strömungsgeschwindigkeit, in den mittels eines nicht dargestellten Pulverinjektors der pulverförmige Schichtwerkstoff eingebracht wird. Durch den heißen Plasmastrahl wird der Schichtwerkstoff dann geschmolzen und tröpfchenförmig mit hoher Geschwindigkeit zur inneren Oberfläche 5 des Waffenrohres 1 beschleunigt.
- Gleichzeitig wird der von einem CO2- oder Nd:YAG-Laser 6 erzeugte Laserstrahl 7 über einen Umlenkspiegel 8 auf die innere Oberfläche 5 des Waffenrohres 1 gelenkt und der gerade mit dem Schichtwerkstoff 9 beschichtete Waffenrohrbereich 10 kurzzeitig aufgeschmolzen, so daß sich in dem oberflächennahen Bereich des Waffenrohres 1 ein den geschmolzenen Waffenrohrwerkstoff und den Schichtwerkstoff enthaltendes Schmelzbad 11 ausbildet, welches bei der Weiterbewegung des Plasma- und Laserstrahles 4 und 7 erstarrt.
- Eine flächige Beschichtung der inneren Oberfläche 5 des Waffenrohres 1 in dem Teilbereich 2 wird dadurch erhalten, daß die Plasmaspritzanlage 3 sowie der Laserstrahl 6 und das Waffenrohr 1 relativ zueinander eine spiralförmige Bewegung ausführen. Hierzu kann beispielsweise die Plasmaspritzanlage 3 mit dem Umlenkspiegel 8 mit Hilfe einer nicht dargestellten Verfahreinrichtung sowohl eine axiale als auch eine rotatorische Bewegung durchführen.
- Nach vollständigem Aufbringen des Schichtwerkstoffes 9 auf den Teilbereich 2 kann, soweit erforderlich, eine mechanische Nachbearbeitung erfolgen.
- Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So muß beispielsweise der Laserstrahl 7 nicht zwingend direkt auf den Fokussierfleck 12 des Plasmastrahles 4 gerichtet werden, sondern kann die innere Oberfläche des Waffenrohres 1 auch unmittelbar vor dem Fokussierfleck 12 kurzzeitig aufschmelzen.
- Um eine Verbesserung der Haftfestigkeit zu erreichen, kann es außerdem vorteilhaft sein, statt nur einer Schicht eines Schichtwerkstoffes mehrere Schichten gleicher oder unterschiedlicher Schichtwerkstoffe nacheinander auf die innere Oberfläche des Waffenrohres aufzutragen.
-
- 1
- Waffenrohr
- 2
- Teilbereich
- 3
- Plasmaspritzanlage
- 4
- Plasmastrahl
- 5
- innere Oberfläche
- 6
- Laser
- 7
- Laserstrahl
- 8
- Umlenkspiegel
- 9
- Schichtwerkstoff, Schicht
- 10
- Waffenrohrbereich
- 11
- Schmelzbad
- 12
- Fokussierfleck
Claims (1)
- Verfahren zur Innenbeschichtung eines Waffenrohres (1), auf dessen innere Oberfläche (5) mindestens in einem Teilbereich (2) eine Schicht eines Schichtwerkstoffes (9) zur Vermeidung von Erosionen aufgebracht wird, mit den Merkmalen:a) der Schichtwerkstoff (9) wird durch Plasmaspritzen auf die innere Oberfläche (5) des Waffenrohres (1) aufgebracht undb) gleichzeitig mit dem Plasmaspritzen wird ein Laserstrahl (7) auf die innere Oberfläche (5) des Waffenrohres (1) gelenkt und der oberflächennahe, gerade beschichtete oder noch zu beschichtende Waffenrohrbereich (10) aufgeschmolzen, so daß sich im oberflächennahen Waffenrohrbereich (10) des Waffenrohres (1) ein den geschmolzenen Waffenrohrwerkstoff und den Schichtwerkstoff enthaltendes Schmelzbad (11) ausbildet, welches bei der Weiterbewegung des Laserstrahles (7) erstarrt.
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