分享：火箭发动机壳体开裂原因
赵 杨,邹 骏
(上海航天动力技术研究所,上海 201109)
摘 要:某火箭发动机壳体在进行静力试验时发生开裂,通过化学成分分析、力学性能测试、金 相检验、断口分析等方法,对壳体的开裂原因进行了分析。结果表明,成分偏析导致壳体在旋压过 程中产生微观缺陷;在水压试验过程中,水中的活性离子会加速裂纹的扩展,导致壳体在静力试验 时发生氢脆和应力腐蚀开裂。
关键词:发动机壳体;静力试验;偏析;氢脆;应力腐蚀开裂 中图分类号:TG113.22 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)01-0046-04
30Cr3SiNiMoVA 钢是在总结了国内外超高强 度钢的基础上,由我国相关单位研制的钢种。其具 有优良的室温及高温力学性能、高淬透性以及良好 的加工成型工艺性和焊接工艺性。目前在固体火箭 发动机壳体及相应连接部件的设计制造中被广泛应 用,如机载武器的壳体及挂接件等[1-3]。火箭发动机 壳体是发动机的重要组成部分,既是火箭弹体的一 部分,也是推进剂反应的场所,不仅要承受发动机在 工作时产生的内压,还要承受来自全弹的外载荷。 某火箭发动机壳体经过旋压工艺后成形,其热 处理工艺为:920 ℃淬火+270 ℃回火→空冷。发 动机安装使用之前需对发动机进行一系列试验来检 验其安全性和稳定性。为检验发动机的气密性和质 量,对壳体进行 水 压 试 验,充 压 至 10.5 MPa保 压 1min,降压至7 MPa保压3min,再降压至3 MPa 后泄压,将壳体烘干。为检验吊挂体的承载能力,将 壳体注水悬挂80h。为研究壳体在静载荷作用下 的刚度、强度、应力、变形等情况,对壳体进行静力试 验。在静力试验过程中对注水壳体施加一定外载荷 的同时,向壳体内充压,当压力达到9.5 MPa时,筒 壁出现渗水现象,检查壳体时发现在其周向固定装 置处的壳体开裂。为找到壳体开裂的原因,笔者对 其进行了理化检验与分析。
1 理化检验
1.1 宏观观察
在壳体中段发现两条位置邻近的裂纹,长度约 为8mm,两条裂纹均沿轴向扩展,壳体表面无明显 塑性变形。对其中一条裂纹进行观察,可见裂纹贯 穿壁厚方向(3 mm),如图 1 所示。对断口进行观 察,可见断口表面腐蚀情况较为严重,说明壳体在开 裂后断口与空气和水接触发生了氧化;将开裂断口 清洗后再进行观察,可见断口表面平齐,无明显塑性 变形,为典型的脆性断口。
1.2 化学成分分析
壳体材料为30Cr3SiNiMoVA 低合金超高强度 钢,在裂纹附近取样后进行化学成分分析,结果如 表1所示。可知壳体材料的化学成分满足企业标准 的技术要求。
1.3 金相检验
沿断口剖面方向和垂直于断口裂纹方向截取金 相试样,分别编号为试样1,2,试样经镶嵌、磨抛和 浸 蚀 后,置 于 光 学 显 微 镜 下 观 察。 依 照 GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准 评级图显微检验法》对断口进行观察,可知钢中未见 明显非金属夹杂物。试样2裂纹抛光状态下的形貌 如图2所示,可见内表面一侧裂纹开口端较粗大,另 一端较细;裂纹垂直于壳体表面,由一端开口裂至另 一端,即由壳体内表面裂至壳体外表面。 图2 试样2裂纹抛光态形貌 Fig 2 Morphologyofpolishedcrackofsample2 将试样用体积分数为4%的硝酸酒精溶液浸蚀后再进行观察,图3和图4所示为试样2的显微组 织形貌,可见裂纹处和远离裂纹处的显微组织均为 回火马氏体,存在一定的成分偏析,断口剖面上裂纹 呈续分布的沿晶形貌,裂纹附近未见明显夹杂物、 脱碳层以及沿晶析出相。
1.4 力学性能测试
在壳体弹翼支耳底座上切取?6mm 的螺纹拉 伸试棒和10mm×10mm×55mm 的冲击试样,分 别按照 GB/T228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第 1部分:室温试验方法》与 GB/T229—2007《金属材 料 夏比摆锤冲击试验方法》对试样进行拉伸、冲击 试验,并将结果与技术协议规范对比,结果如表2所 示。可见壳体的各项室温拉伸性能和冲击性能都符 合技术协议规范的技术要求。 将试样2置于小力值的维氏硬度计下进行硬度 测试,加载载荷为9.807N,保持10s,测试结果为 541,550,553,542,559,563,580,572 HV1,可见由 于成分偏析导致了试样硬度不均。
1.5 扫描电镜分析
将试样1清洗后,置于扫描电镜(SEM)下进行 观察,断口 SEM 形貌如图5所示,可见断口呈明显 的沿晶断裂特征,断口不平,表面覆盖有腐蚀产物, 局部放 大 后 可 以 看 到 沿 晶 界 分 布 有 较 多 的 二 次 裂纹。 进一步放大观察断口形貌,如图6所示。可见 断口为典型的冰糖状沿晶断口,沿晶断口的晶面并 不光滑,晶面分布有类解理条纹,且部分晶面有韧窝 花样。
2 分析与讨论
当30Cr3SiNiMoVA 低合金超高强度钢存在成 分偏析时,壳体会有硬度不均的现象。在旋压过程 中,壳体表面或者近表面会出现微裂纹和皱褶,在皱 褶的底部会形成应力集中。当应力达到材料的强度 极限时,会形成微裂纹,并在交变应力的作用下裂纹 逐渐扩展[4]。但在旋压工艺后,需要做无损探伤检 测,检测结果符合设计要求。因此可以排除了旋压 加工导致壳体开裂的可能性。 旋压加工过程中虽然没有导致壳体开裂,但是 由旋压所产生的微裂纹仍然存在。在后续的热处理 过程中,微裂纹会逐渐愈合,并以位错、空位、小孔洞 等更小的缺陷形式存在[5-7]。此外,壳体在经过淬火 后,得到的马氏体组织具有高强度和高密度的位错 等特征。在马氏体相变过程中容易产生位错、空位、堆垛层错、微观弹性畸变等缺陷[8]。通过金相检验 可以判断壳体显微组织为回火马氏体,裂纹两侧均 未见脱碳现象,同时也未见粗大的针状马氏体,没有 组织过热的迹象。由于热处理后会再次进行无损探 伤检测,而检测结果同样符合设计要求。因此排除 了热处理前开裂和热处理加热过程导致开裂的可能 性。此外,在热处理后壳体会进行水压试验,并未见 漏水现象,也可以证明壳体在热处理后未出现开裂。 在静力试验过程中,壳体受到水压和一定的外 载荷作用,壳体内部产生应力,且主要为环向应力 (为轴向应力的2倍),故而壳体在水压环向应力和 本身存在的残余应力叠加作用下会出现微量的塑性 变形。当残余应力方向与壳体受力方向一致时,会 导致壳体的耐压能力急剧降低。当壳体本身具有缺 陷(空位、位错、微裂纹等)时,水压和应力会叠加作 用在壳体缺陷处,从而加剧裂纹的形成[9]。由于水 压试验时室内空气潮湿,而且水压试验和静力试验 所使用的水是普通自来水,水中含有一些活性离子 (Cl - 等)[10]。壳体受到水压和内应力的双重作用, 壳体的薄弱部位(空位、位错、缺陷、微裂纹及晶界处 的碳化物等)会重新形成裂纹。而 Cl - 会在裂纹尖 端聚集,作为阳极与铁基体发生反应,加速铁基体的 腐蚀,使得裂纹向壳体厚度方向扩展。在应力和腐 蚀介质的联合作用下,在缺陷处产生应力集中,使得 金属表面的氧化膜被破坏,并成为阴极发生氧的还 原反应,通过电化学过程继续扩展、传播,最终导致 金属材料发生断裂[11]。在电化学反应过程中,还会 产生氢离子,氢离子渗入金属,从而加剧氢脆敏感 性。当壳体受外载荷作用时,原子氢通过应力诱导 扩散聚集到晶界,当达到临界值后引起氢致裂纹的 形核、扩展从而导致低应力断裂。应力腐蚀开裂和 氢致延滞开裂是相互促进的,阳极溶解,使得金属开 裂,阴极吸氢,最终导致了延滞开裂。一般钢中氢质 量分数大于0.0005% 时会产生氢致裂纹,但对于 30Cr3SiNiMoVA 钢这种低合金超高强度钢,即使 钢中氢质量分数小于0.0001%,在一定的载荷作用 下,处于点阵间隙中的氢原子也会通过扩散驻留在 晶界和 非 金 属 夹 杂 物 上,从 而 导 致 氢 致 延 滞 开 裂[12]。同时,低合金超高强度钢和回火马氏体组织 对氢脆的 敏 感 性 较 大,成 分 偏 析 较 容 易 捕 获 氢 原 子[13]。马氏体具有较大的位错,吸氢量较大,氢原 子很小,只会在位错驻留,而位错是氢陷阱。钢中的 氢通常以原子形式存在,但为降低能量,氢原子会与 空位、位错、晶粒边界等相互作用,结合成氢分子,形 成次生裂纹[14]。在外载荷、水压压力、应力腐蚀和 氢的作用下,晶粒沿晶界撕裂,由内表面逐渐扩展到 外表面,从 而 导 致 壳 体 发 生 开 裂,形 成 沿 晶 断 口 形貌。 壳体的水压试验和静力试验,两次试验之间间 隔近7d(天)。水压试验时,在内、外力和腐蚀等影 响因素的作用下,并未达到壳体开裂的临界点,壳体 没有开裂。然而,水压试验后壳体还存在没有烘干 的情况,这为氢的扩散和应力腐蚀提供了一定的条 件。此外,吊挂体承载试验过程中进行80h的注水 悬挂,加剧了应力腐蚀开裂和氢致延滞开裂的敏感 性。所以,只有在外载荷、水压压力、内应力、应力腐 蚀、氢等因素联合作用于壳体缺陷并达到一定程度 时,才会使得壳体在静力试验过程中发生开裂。
3 结论及建议
成分偏析导致壳体在旋压过程中产生微观裂 纹;在水压试验过程中,水中的活性离子会加速裂纹 的扩展,导致壳体在静力试验时发生氢脆和应力腐 蚀开裂。 建议在水压试验中使用去离子水,减少应力腐 蚀开裂的可能性;在水压试验后应及时烘干,缩短壳 体在潮湿环境中的时间,减少壳体发生腐蚀和氢致 延滞开裂的可能性。
来源：材料与测试网
