導(dǎo)彈發(fā)射裝置充氣閥失效分析

杜 偉

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引言

機載導(dǎo)彈發(fā)射裝置用于載機攜帶和發(fā)射導(dǎo)彈，它承受和傳遞導(dǎo)彈掛飛、發(fā)射過程中的各種載荷［1-2］。而氣瓶及充氣閥組件共同組成了發(fā)射裝置中極其重要的特種壓力容器，面臨著高溫、高壓、易爆等工作環(huán)境，一旦失效將會造成非常嚴(yán)重的后果，因此其安全性至關(guān)重要。而材料性能對壓力容器運行的安全性有顯著的影響，因此，對壓力容器的選材要做到強度與塑性及韌性、可焊性、耐蝕性的綜合考慮。故合理選用壓力容器材料是設(shè)計的關(guān)鍵之一。

目前，我國航空壓力容器裝備正處于借鑒模仿向自主研發(fā)制造的轉(zhuǎn)型期，部分設(shè)計人員從借鑒國外材料轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鬟x材時往往考慮欠佳，片面追求高強度材料，忽視了介質(zhì)及使用環(huán)境的腐蝕性，從而導(dǎo)致選材不當(dāng)。不僅會增加制造成本(壓力容器材料費用占總成本的比例很大，一般超過30%)，而且有可能導(dǎo)致壓力容器破壞事故。

近期，沿海機載導(dǎo)彈發(fā)射裝置充氣閥存放一段時間后在包裝箱內(nèi)爆裂，充氣閥組件和氣瓶分離，充氣閥材料為7A09-T6 鋁合金。故障件斷裂后形貌如圖1 所示，斷裂位置為閥體與螺管連接處。本研究通過對氣閥失效件斷口及金相組織的觀察、宏微觀特征的觀察與能譜分析，并提出了一系列改進(jìn)措施。

圖1 故障件外觀Fig.1 Appearance of faulty component

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 設(shè)計驗證分析

1)材料物理特性。

7A09 屬Al-Zn-Mg-Cu 系超硬鋁合金，其固溶處理后塑性好，熱處理強化效果顯著，在150℃以下有較高的強度，并且有特別好的低溫強度，是一種在航空工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用的超高強度變形鋁合金。表1 為7A09 鋁合金材料的力學(xué)性能［3］。但該合金焊接性能差，且有應(yīng)力腐蝕開裂傾向，需經(jīng)包鋁或其他保護處理使用。

表1 故障件材料力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of faulty component material

2)強度計算。

連接處所能承受的最大拉力

其中，A 為充氣閥組件殼體與氣瓶組件連接處橫截面積，σb為充氣閥材料的抗拉強度。

產(chǎn)品裝配有安全閥，用于過壓保護，其安全保護壓力為(45.5±2.5)MPa。故計算滿負(fù)荷的工作拉力時，取最大載荷P=48 MPa，則此時加載在連接處的工作拉力

其中，A1為充氣閥內(nèi)腔截面積。

工藝文件中規(guī)定的預(yù)緊力矩T 為65 N·m，在連接處產(chǎn)生的預(yù)緊拉力

其中，R瓶口為瓶口圓弧半徑，μs為7A09 鋁合金泊松比。

故連接處產(chǎn)生的最大拉力F0=F1+F2=17 613.42 N。

1.2 爆破試驗驗證分析

產(chǎn)品經(jīng)過了鑒定試驗大綱規(guī)定的試驗考核，且隨系統(tǒng)完成了3 個月(200 飛行小時)的飛行試驗考核。2012年9月，隨機抽取1 只充氣閥組件殼體將其與工裝(用來模擬氣瓶)擰緊力矩為65 N·m 后，進(jìn)行1 MPa 至38.5 MPa 再到1 MPa 壓力循環(huán)試驗，殼體在經(jīng)受2 800 次循環(huán)后，殼體無泄漏，無明顯變形。

將螺紋擰緊力矩增大到100 N·m，進(jìn)行1 MPa 至38.5 MPa 再到1 MPa 壓力循環(huán)試驗，殼體在經(jīng)受2 950 次循環(huán)后，無泄漏，無明顯變形。而后對試驗件螺紋退刀槽根部進(jìn)行滲透探傷，未發(fā)現(xiàn)裂紋等其他缺陷。

再次隨機抽取與故障件同批次的充氣閥組件殼體，首先將其與工裝擰緊力矩為65 N·m 后進(jìn)行52.5 MPa 保壓3 min 的耐壓強度試驗，然后進(jìn)行100 MPa 爆破試驗，未破壞;隨后將其安裝力矩增大到100 N·m，進(jìn)行1 MPa 至38.5 MPa 再到1 MPa 壓力循環(huán)試驗，殼體在經(jīng)受6 000 次循環(huán)后，無泄漏，無明顯變形。而后對試驗件螺紋退刀槽根部進(jìn)行滲透探傷，未發(fā)現(xiàn)裂紋等其它缺陷，滿足產(chǎn)品爆破試驗要求。

1.3 斷口宏觀觀察

通過體式顯微鏡對充氣閥組件殼體斷口進(jìn)行宏觀形貌觀察可見，斷裂位置在充氣閥組件與瓶體連接的螺紋退刀槽根部;斷口呈銀灰色，斷面平整保持環(huán)形，與表面基本垂直，無明顯塑性變形，有平行于斷口平面方向的條狀特征(圖2)。

1.4 斷口微觀觀察及能譜分析

在掃描電鏡下觀察，斷裂源區(qū)位于充氣閥螺紋根部外表面，該斷口以沿晶斷裂為主，晶界輪廓不清晰，沿晶面上有腐蝕產(chǎn)物，裂紋擴展區(qū)為沿晶+韌窩混合形貌特征，瞬斷區(qū)主要為韌窩形貌(圖3)。能譜分析結(jié)果表明，沿晶面上腐蝕產(chǎn)物中含有Cl、S 等腐蝕性元素。

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macroscopic fracture morphology

1.5 金相組織分析

分別沿平行于斷口平面方向、斷口背面磨取金相試樣，腐蝕后觀察發(fā)現(xiàn)，充氣閥組件殼體材料由α 相固溶體及第二相質(zhì)點組成，其金相組織正常，未發(fā)現(xiàn)組織過燒現(xiàn)象(圖4)。另外，在表面在螺紋根部、斷口側(cè)面有大量的腐蝕坑，局部可見氧化膜開裂和多條從腐蝕坑處起始的裂紋特征(圖5)。

2 分析與討論

2.1 失效模式分析

圖3 斷口微觀形貌Fig.3 Microstructure of fracture

圖4 金相組織Fig.4 Metallographic microstructure

試驗結(jié)果表明，充氣閥組件斷面與主應(yīng)力方向垂直，無放射狀花樣，也沒有明顯的塑性變形痕跡，斷面形態(tài)呈顆粒狀，有平行于斷口平面方向的條狀特征。裂紋起始于充氣閥與氣瓶瓶體連接處螺紋退刀槽的根部外表面，是整個結(jié)構(gòu)中應(yīng)力水平最高的區(qū)域。因此，最易萌生裂紋，同時裂紋源附近有大量腐蝕坑。

圖5 斷口側(cè)面形貌Fig.5 Morphology of fracture profile

斷面微觀形態(tài)以沿晶斷裂特征為主，符合高強度鋁合金應(yīng)力腐蝕開裂的典型斷口特征。晶界輪廓不清晰，沿晶面上有泥紋狀花樣腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物中含有Cl、S 腐蝕性元素，斷口其余主要部位為沿晶+韌窩混合形貌特征。

斷面微觀形貌未見疲勞條帶及放射棱線等疲勞特征，安全系數(shù)也滿足設(shè)計要求，可以排除疲勞斷裂與過載斷裂的可能性。根據(jù)實驗結(jié)果并結(jié)合充氣閥的材料特性及受力分析，故障件的受力情況、工作環(huán)境、斷面特征、沿晶斷口、腐蝕產(chǎn)物均符合應(yīng)力腐蝕斷裂的特性，因此可判定為應(yīng)力腐蝕斷裂。

2.2 失效原因分析

金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂必須具備3 個必要條件，即材料的應(yīng)力腐蝕敏感性、拉應(yīng)力作用和腐蝕介質(zhì)與環(huán)境。

1)材料的應(yīng)力腐蝕敏感性。充氣閥組件材料為7A09-T6 鋁合金，為固溶后人工時效態(tài)高強度變形鋁合金，該狀態(tài)下7A09 鋁合金具有較為敏感的應(yīng)力腐蝕傾向［5］。

2)拉應(yīng)力作用。正常充氣閥組件內(nèi)部承受30 MPa 的氦氣壓力以及65 N·m 的外部預(yù)緊力矩，因此充氣閥與瓶體連接處在工作狀態(tài)下承受很強的雙重拉應(yīng)力作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計中不可避免地會產(chǎn)生拐角及應(yīng)力集中，應(yīng)力集中又必然使零件的局部應(yīng)力提高，從而削弱了構(gòu)件的強度，降低了構(gòu)件的承載能力。而螺紋退刀槽根部R 角外表面是應(yīng)力的最集中區(qū)域，因此最易萌生裂紋。

3)腐蝕介質(zhì)。該機載發(fā)射裝置服役于沿海環(huán)境，晝夜溫差較大，夜晚容易在其表面形成冷凝水汽。沿海地區(qū)具有潮濕的鹽霧氣氛，大氣中含有大量的Cl-，溶入冷凝水后就形成了腐蝕溶液，大大加速了鋁合金的應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率［6-7］。另外，沿海地區(qū)白天氣溫較高，也提高了腐蝕溶液的活性，加速了冷凝液對機件的腐蝕。氣瓶及充氣閥雖在發(fā)射裝置內(nèi)，但不屬于非密封區(qū)，無法阻止冷凝液形成的腐蝕液的滲入。因此為應(yīng)力腐蝕提供了最關(guān)鍵的應(yīng)力腐蝕環(huán)境。

腐蝕介質(zhì)形成后，在雙重拉應(yīng)力的作用下，首先在充氣閥與瓶體連接處沿晶界產(chǎn)生腐蝕，隨著晶界的不斷粗化疏松，形成微小的裂紋，裂紋在承受較大應(yīng)力的作用下得到較快的發(fā)展并進(jìn)一步深入到基體內(nèi)部，使腐蝕行為更趨嚴(yán)重［8］;另一方面，裂紋的擴展使連接處的有效承載壁厚面積不斷縮小，使應(yīng)力更加集中，又進(jìn)一步促進(jìn)了裂紋的快速擴展，導(dǎo)致故障件發(fā)生了應(yīng)力腐蝕。

3 改進(jìn)措施

針對故障機理和故障定位的分析，采取以下改進(jìn)措施:

1)采用15-5PH 不銹鋼更換充氣閥組件材料。

根據(jù)《工程材料實用手冊》中相關(guān)數(shù)據(jù)，擬更換材料如表2 所示。

15-5PH 不銹鋼機械加工性能良好，具有較高的耐腐蝕能力［9］，并且已在多種軍工產(chǎn)品氣閥件上驗證使用，理論安全系數(shù)高于其他2 種備選材料，雖增重800 g 但不影響總重技術(shù)指標(biāo)。

借鑒同類已定型的某新型導(dǎo)彈發(fā)射裝置，以15-5PH 不銹鋼加工制成的充氣閥經(jīng)過科研、靶試、定型各階段力學(xué)環(huán)境試驗、自然環(huán)境試驗和電磁環(huán)境試驗，實驗結(jié)果滿足各項指標(biāo)要求，且在沿海部隊服役期間未發(fā)生過應(yīng)力腐蝕開裂。因此，將此充氣閥材料更改為15-5PH 可有效地避免應(yīng)力腐蝕隱患。

表2 材料備選方案列表Table 2 Material list of alternatives

2)增大連接螺紋退刀槽根部的倒角R=1.5 mm，以減小充氣閥螺紋處的應(yīng)力集中的影響。

3)在場站增設(shè)充氣設(shè)備，產(chǎn)品存放時低壓存儲，使用前再進(jìn)行充氣。

4 結(jié)論

1)導(dǎo)彈發(fā)射裝置充氣閥失效機理為應(yīng)力腐蝕開裂。

2)選材不合理是導(dǎo)致失效故障的主要原因。

3)更換充氣閥材料為15-5PH 不銹鋼，可滿足各項指標(biāo)要求，也能夠有效地防止應(yīng)力腐蝕開裂。

［1］王鑫.導(dǎo)彈組件開鎖裝置失效分析［J］.失效分析與預(yù)防，2011，6(2):99-103.

［2］楊曉燕，張雷.機載導(dǎo)彈發(fā)射裝置粘著磨損分析［J］.失效分析與預(yù)防，2008，3(2):37-41.

［3］《中國航空材料手冊》編委會.中國航空材料手冊 第1 卷(第2 版)［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002:508.

［4］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004:204.

［5］劉繼華，李荻，郭寶蘭.7xxx 系列Al 合金應(yīng)力腐蝕開裂的研究［J］.腐蝕與防護，2001，13(4):354-361.

［6］任廣軍，趙春英.鋁合金應(yīng)力腐蝕裂紋內(nèi)的電化學(xué)行為［J］.沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2002，21(2):110-113.

［7］杜愛華，龍晉明，裴和中.高強鋁合金應(yīng)力腐蝕研究進(jìn)展［J］.中國腐蝕與防護學(xué)報，2008，28(4):251-257.

［8］張曉云，孫志華，劉明輝，等.環(huán)境對高強度鋁合金應(yīng)力腐蝕行為的影響［J］.中國腐蝕與防護學(xué)報，2007，27(6):354-361.

［9］胡南紅，高軍波，宋湘萍.15-5PH 不銹鋼氣瓶熱處理工藝改進(jìn)［J］.金屬熱處理，2007，32(1):76.