燃燒室爆裂分析

付長明 ，屈 伸，董 晨，吳昌林，樊義偉，郭彩花，袁金才

(1.中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯(lián)合)實驗室材料失效分析中心，沈陽 110016;2.山西江陽化工有限公司，太原 030041)

0 引言

燃燒室是燃料或推進劑在其中燃燒生成高溫燃氣的裝置。它是燃氣渦輪發(fā)動機、沖壓發(fā)動機、火箭發(fā)動機的重要部件。燃燒室作為發(fā)動機中將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為熱能的重要部件，需要在一定的范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，并且能夠可靠地啟動并能使發(fā)動機在短時間內(nèi)加速到額定狀態(tài)。燃燒室按結(jié)構(gòu)形式分為管形燃燒室、環(huán)形燃燒室和環(huán)管形燃燒室。燃燒室由外殼、火焰筒、噴油嘴、渦流器、點火裝置等組成。燃燒室是火箭發(fā)動機的重要組成部分，其設(shè)計性能的好壞，將直接影響到整個發(fā)動機的使用性能。由于火箭發(fā)動機燃燒室應(yīng)用的特殊性，針對其進行研究的公開資料很少，基本上都是20 世紀80年代以前發(fā)表的。路景芝［1］對火箭發(fā)動機燃燒室的斷裂強度做了理論計算，說明了燃燒室斷裂強度的校核步驟和計算方法，指出了燃燒室存在的裂紋性缺陷主要有夾雜、氣孔、裂紋、未焊透等;閻熙［2］介紹了燃燒室的結(jié)構(gòu)和基本性能參數(shù);田永禎［3］闡述了對燃燒室內(nèi)表面粗糙度常規(guī)檢驗標準的不同看法和燃燒室的強度校核。目前為止，國內(nèi)外尚無發(fā)動機燃燒室爆裂的實例報道，本研究分析一個管型燃燒室的爆裂案例。

管型燃燒室在正常使用中突然發(fā)生爆裂事故。發(fā)動機燃燒室材料為7A04(T6)鋁合金管材，原材料尺寸為φ95 mm×25 mm，經(jīng)機加工成型。為避免事故再次發(fā)生，需要對故障件進行失效分析，找出失效原因。分析檢測內(nèi)容包括:宏觀分析，斷口分析，金相組織檢驗，材料化學成分檢驗，拉伸性能檢測等，為事故原因分析提供更多的依據(jù)。

1 檢驗結(jié)果

1.1 殘骸宏觀觀察

圖1 是爆裂燃燒室及內(nèi)腔結(jié)構(gòu)形貌的宏觀照片。燃燒室是一端為小口徑的圓柱筒，爆裂成3塊殘骸，鄰近的斷口為對偶斷口，斷口編號分別為A 斷口、B 斷口和C 斷口。由圖可見，在內(nèi)腔變徑的圓弧過渡部位有火焰燃燒痕跡，表面氧化較重(圖1 中黃色箭頭所指)，說明該部位是點火具引燃發(fā)射藥產(chǎn)生爆炸的位置。將燃燒室爆裂的3 塊殘骸拼接起來試圖恢復原貌(圖2)，發(fā)現(xiàn)B 斷口和C 斷口與其對偶斷口接縫相吻合(圖2a、圖2b)，而A 斷口與其對偶斷口之間已經(jīng)變形，不能相吻合，出現(xiàn)縫隙(圖2c)，而且在圓弧過渡部位縫隙間距最寬(紅色箭頭所指處)，只有在大口徑端才能互相對接。這表明在圓弧過渡區(qū)域附近變形最大，應(yīng)該是爆裂的起裂源，然后向大口徑端擴展。另外，從圖2c 可以看到，小口徑端的螺紋保持完好，幾乎沒有變形，說明是瞬間爆裂，并且爆裂強度較大。而大口徑端斷口附近螺紋變形較大，有的螺齒已經(jīng)撕裂(黑色箭頭所指處)，說明開裂過程相對來說要遲緩一些，進一步證明爆裂是由小口徑端向大口徑端擴展。

圖1 燃燒室爆裂殘骸宏觀像及斷口編號Fig.1 Macro image and fracture number of debris of combustion chamber

圖2 斷口對接宏觀像Fig.2 Macro images of joint fractures

1.2 斷口宏觀觀察

圖3 是燃燒室斷口局部放大宏觀形貌。由圖3a 可以看到，A 斷口小口徑部分表現(xiàn)為沿燃燒室縱向呈現(xiàn)凹凸不平、層次起伏的條帶，它幾乎貫穿整個橫截面(即殼體厚度)，從小口徑頂端一直延伸到圓弧過渡區(qū)(圖3a 黃色箭頭所指)。這種斷口形貌被稱之為木紋狀斷口［4］，屬于缺陷斷口。除此之外，在斷口上看到人字形紋理［5］(圖3a 白箭頭所示)，而且人字的尖頭指向小口徑端。一般來說，人字紋的尖頭指向斷裂源，說明斷裂源在燃燒室的小口徑附近。從圓弧過渡區(qū)一直到大口徑端，斷口形貌均為人字紋斷口。B 斷口的小口徑圓弧過渡區(qū)比較粗糙，并且有放射狀紋理［6］(圖3b 黃箭頭指示)，開裂應(yīng)該是從放射狀紋理處向左(小口徑端)和向右(大口徑端)2 個方向擴展。C 斷口形貌與B 斷口形貌基本一致。宏觀觀察表明，A 斷口上的木紋狀斷口為主斷裂源，并且A 斷口首先開裂，B 和C 斷口的斷裂源在小口徑圓弧過渡區(qū)。

1.3 斷口金相觀察

從燃燒室A 斷口小口徑圓弧過渡處沿斷口橫截面切取試樣，制備成斷口金相試樣，并置入掃描電鏡中進行觀察。圖4a 為試樣的背散射電子像，圖像上部參差不齊，為木紋狀斷口(圖4a 黃箭頭所指)。發(fā)現(xiàn)在斷口上或靠近斷口處有白色相，呈斷續(xù)狀分布在斷口上，有的地方聚集成堆(圖4a 黑箭頭所指)。應(yīng)用能譜儀對白色相做成分分析，結(jié)果見圖4b、圖4c。結(jié)果顯示塊狀相含有Zn、Cu、Al、Mg 元素，這些元素都是該合金的主要成分，是一種富集Zn、Cu、Al、Mg 的合金相［7］。

圖3 斷口局部放大像Fig.3 Local amplification of fracture surfaces

圖4 A 斷口金相的背散射電子像和能譜分析結(jié)果Fig.4 Back scattered electron image and results of energy spectrum analysis for A fracture microstructure

圖5 示出合金相沿縱向分布的背散射電子像，圖像上部為木紋狀斷口處，發(fā)現(xiàn)有大量呈條帶沿木紋狀斷口分布的合金相。

圖5 A 斷口金相的背散射電子像(縱向)Fig.5 Back scattered electron image (longitudinal)of A fracture microstructure

圖6 為靠近木紋狀斷口處的金相組織，可以看到較粗大的鑄態(tài)共晶組織［8］，由于試驗觀察到的是樹枝狀晶粒的截面，所以呈網(wǎng)狀，通常稱為枝晶網(wǎng)狀組織［9］。

圖6 木紋狀斷口處的金相組織Fig.6 Microstructure of wood pattern fracture

1.4 化學成分分析

從燃燒室取樣進行化學成分分析，分析結(jié)果表明，送檢燃燒室材料的化學成分含量均滿足有關(guān)標準規(guī)定。

1.5 力學性能檢測

從燃燒室沿縱向切取拉伸試樣進行室溫力學性能測試，表1 給出了燃燒室的室溫力學拉伸性能測試結(jié)果，符合標準要求規(guī)定值。

表1 力學性能測試結(jié)果Table 1 Test results of mechanical properties

2 分析與討論

通過對燃燒室殘骸及斷口的宏觀和微觀觀察表明，A 斷口上的木紋狀斷口為燃燒室爆裂的起始斷裂部分，該斷裂部分又引起了快速斷裂的人字紋斷口。檢驗結(jié)果證明，在木紋狀斷口上或其附近存在聚集的合金相，在熱加工過程中它們沿變形方向被拉長或被破碎，形成近似平行排列的合金相條帶，木紋狀斷口正是這些合金相條帶的表現(xiàn)。能譜分析結(jié)果表明，這些合金相主要是富集Zn、Cu、Al、Mg 的相，其中Mg、Cu、Zn 含量明顯高于7A04 合金中的相應(yīng)元素的平均成分，應(yīng)該是Al 與Mg、Cu、Zn 金屬形成的化合物。此外還有AlMnFeSi 相，AlMgSiZn 相，F(xiàn)e 和Si 都是有害的雜質(zhì)，應(yīng)該嚴格控制。金屬間化合物夾雜的存在會破壞鋁合金鍛件內(nèi)部的連續(xù)性，這些聚集的金屬間化合物夾雜應(yīng)是在鋁合金鑄錠中就已存在，可能是由于鋁液在鑄造過程中攪拌不充分造成的。金屬間化合物夾雜是鋁合金鍛件鍛造生產(chǎn)過程中無法消除的缺陷，為減少夾雜物缺陷的產(chǎn)生，要提高鋁合金熔煉工藝水平，確保原材料的質(zhì)量［10］。金相觀察發(fā)現(xiàn)，木紋狀斷口處金相組織為較粗大的鑄態(tài)共晶組織，可能是在燃燒室制造過程中由于溫度高過共晶點的溫度，容易使局部熔化，冷卻后析出共晶組織。由于中部溫度最高，所以組織較粗大。這種較粗大的共晶組織不應(yīng)該是本產(chǎn)品最終所希望得到的組織。

3 結(jié)論

1)燃燒室殘骸的斷裂性質(zhì)屬于過載斷裂。

2)燃燒室斷裂源位于小口徑圓弧過渡部位。主斷裂源表現(xiàn)為木紋狀形貌，屬于金屬間化合物夾雜聚集性缺陷。

［1］路景芝.固體火箭彈燃燒室斷裂強度計算［J］.兵工學報彈箭分冊，1982(4):61-71.

［2］閻熙.彈用渦輪發(fā)動機燃燒室的發(fā)展與未來關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.飛航導彈，2014(8):75-80.

［3］田永禎.對新40 火箭彈燃燒室管內(nèi)表面質(zhì)量問題的一點看法［J］.技術(shù)經(jīng)濟，1994(8):45-48.

［4］白宗奇，宋曉軍.Q345B 等板帶產(chǎn)品木紋狀斷口的成因分析［J］.物理測試，2013，31(2):56-58.

［5］鐘群鵬，趙子華.斷口學［M］.北京:高等教育出版社，2006:235-236.

［6］廖景娛.金屬構(gòu)件失效分析［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2010:60-61.

［7］陳丹丹，張海濤，蔣會學，等.DC 鑄造7075 鋁合金微觀偏析的量化分析［J］.材料與冶金學報，2011，10(3):220-225.

［8］王正安，汪明樸，楊文超，等.1973 鋁合金鑄態(tài)組織及均勻化退火組織研究［J］.材料工程，2010(5):56-63.

［9］魯法云，趙鳳，穆楠，等.7075 鋁合金均勻化過程中組織轉(zhuǎn)變［J］.材料熱處理學報，2015，36(5):17-22.

［10］劉靜安，單長智，侯繹，等.鋁合金材料主要缺陷與質(zhì)量控制技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2012:265-266.