推力室收擴(kuò)段釬焊工藝優(yōu)化分析試驗(yàn)

王東方，劉超鋒，陳少斌，張 鵬，梁防偉

(西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)推力室收擴(kuò)段采用再生冷卻方式，收擴(kuò)段由內(nèi)壁和外壁組成，內(nèi)壁外側(cè)銑槽，與外壁釬焊后形成介質(zhì)的夾層冷卻通道。釬焊縫分布在內(nèi)壁筋條與外壁內(nèi)型面的貼合面上。如果內(nèi)、外壁貼合間隙過(guò)大或者貼合間隙不均勻，易導(dǎo)致內(nèi)壁筋條與外壁內(nèi)型面釬焊縫存在不致密或局部未焊上等問(wèn)題，在產(chǎn)品使用過(guò)程中可能導(dǎo)致冷卻通道承壓能力不足，內(nèi)壁局部出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，破壞收擴(kuò)段的再生冷卻通道，導(dǎo)致內(nèi)壁的內(nèi)表面局部冷卻效果不良，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的力熱環(huán)境時(shí)，出現(xiàn)燒蝕甚至爆炸等嚴(yán)重質(zhì)量事故。

筆者針對(duì)收擴(kuò)段釬焊工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，通過(guò)優(yōu)化外壁機(jī)加工藝流程，釬焊料用量、釬焊溫度及保溫時(shí)間，解決了收擴(kuò)段外壁復(fù)雜曲面機(jī)加后變形和收擴(kuò)段釬焊縫質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)，釬焊縫連接強(qiáng)度得到極大提升，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性。

1 收擴(kuò)段生產(chǎn)流程及問(wèn)題分析

1.1 釬焊工藝

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)推力室收擴(kuò)段內(nèi)壁材料為1Cr18Ni9Ti，車(chē)加工內(nèi)外型面，加工中心銑螺旋槽。外壁材料為1Cr21Ni5Ti，車(chē)加工內(nèi)外型面，收擴(kuò)段結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。采用錳基釬料(BMn70NiCrSe)進(jìn)行釬焊，將內(nèi)、外壁連接成整體，并形成冷卻通道，釬料化學(xué)成分見(jiàn)表1所列。收擴(kuò)段的連接強(qiáng)度主要取決于內(nèi)、外壁的釬焊質(zhì)量，主要影響因素包括：釬焊過(guò)程內(nèi)壁與外壁貼合情況、釬焊料用量、釬焊工藝參數(shù)等。收擴(kuò)段主要釬焊工藝流程圖如圖2所示。收擴(kuò)段采用箱式釬焊爐進(jìn)行釬焊，釬焊溫度為1 130 ℃，保溫時(shí)間為15 min。

圖1 收擴(kuò)段結(jié)構(gòu)示意圖

表1 錳基釬料的化學(xué)成分

圖2 收擴(kuò)段釬焊工藝流程圖

1.2 收擴(kuò)段生產(chǎn)過(guò)程存在問(wèn)題及分析

對(duì)收擴(kuò)段進(jìn)行爆破試驗(yàn)，爆破壓力值為50 MPa，喉部產(chǎn)生鼓包。對(duì)收擴(kuò)段進(jìn)行理化分析，喉部鼓包處可見(jiàn)明顯的未釬上現(xiàn)象，筋條與外壁間隙為0.4 mm，如圖3所示。喉部其它位置經(jīng)金相腐蝕后，釬焊縫寬度為0.18 mm，釬焊縫較寬，且釬焊縫釬腳不飽滿，如圖4所示。對(duì)釬焊縫進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示錳(Mn)含量均處于50%水平，遠(yuǎn)超過(guò)正常釬焊縫斷口錳含量，釬焊縫中心存在釬料擴(kuò)散不充分現(xiàn)象，如圖5所示。

圖3 喉部未釬上合形貌 圖4 喉部釬焊縫形貌

圖5 喉部釬接面斷口能譜譜線

根據(jù)理化分析可知，目前收擴(kuò)段釬焊存在的主要問(wèn)題：①喉部存在局部未釬上問(wèn)題；②釬焊縫較寬問(wèn)題；③釬焊縫釬腳不飽滿；④釬焊縫中心釬料擴(kuò)散不充分。

1.2.1 喉部局部未釬上和釬焊縫較寬分析

釬焊間隙的大小影響釬料的毛細(xì)填縫過(guò)程、釬料與母材相互作用的程度以及母材對(duì)釬焊縫合金層受力時(shí)塑性流動(dòng)過(guò)程等[1]。當(dāng)釬焊縫間隙較小時(shí)，毛細(xì)作用較強(qiáng)，釬焊縫中元素?cái)U(kuò)散充分，釬料凝固時(shí)形成組織均勻的釬縫。當(dāng)釬焊縫間隙偏大時(shí)，毛細(xì)作用減弱甚至消失，擴(kuò)散不能充分進(jìn)行，從而在釬縫中形成一些片狀或板狀的脆性物，引起釬縫脆性，使釬焊接頭的強(qiáng)度急劇下降[2]。

根據(jù)理化結(jié)果，收擴(kuò)段喉部存在局部未釬上和釬焊縫較寬現(xiàn)象，說(shuō)明收擴(kuò)段內(nèi)外壁局部貼合不良，認(rèn)為由于收擴(kuò)段外壁機(jī)加工藝流程不合理導(dǎo)致。目前機(jī)加方案是收擴(kuò)段外壁車(chē)加工到位后，沿軸線對(duì)收擴(kuò)段進(jìn)行整體線切割，將外壁分割為完全對(duì)稱(chēng)的兩部分。由于機(jī)加工過(guò)程中的加工應(yīng)力在外壁進(jìn)行線切割時(shí)產(chǎn)生了釋放，外壁型面發(fā)生局部變形，導(dǎo)致內(nèi)外壁局部貼合不良，局部釬焊間隙較大，收擴(kuò)段喉部存在局部未釬上和釬焊縫較寬。

1.2.2 喉部釬焊縫釬腳不飽滿分析

釬焊料用量影響釬焊角的形成。釬焊料用量合適時(shí)，筋條邊緣形成釬角，提高了釬焊縫的承力面積，減小了釬焊縫根部的應(yīng)力集中，提高釬焊縫的承載能力。當(dāng)釬焊料用量較少時(shí)，釬角較小或沒(méi)有形成釬角，影響釬焊縫的整體強(qiáng)度[3]。

根據(jù)理化結(jié)果，收擴(kuò)段喉部存在釬焊縫釬腳不飽滿現(xiàn)象，說(shuō)明收擴(kuò)段喉部位置釬料較少，釬焊時(shí)，無(wú)法形成釬角，進(jìn)而影響收擴(kuò)段釬焊縫的強(qiáng)度。

1.2.3 喉部釬焊縫中釬料擴(kuò)散不充分分析

釬焊溫度和保溫時(shí)間是釬焊工藝的關(guān)鍵參數(shù)。在釬焊溫度下，釬料熔化后在毛細(xì)作用下填滿接頭間隙。釬焊保溫時(shí)間是釬料填充間隙和控制合金化的重要階段。合適的釬焊溫度和保溫時(shí)間，可以使釬料元素?cái)U(kuò)散更充分，有利于釬縫強(qiáng)度的提高[4-5]。

通過(guò)理化分析發(fā)現(xiàn)，收擴(kuò)段喉部釬焊縫中心釬料擴(kuò)散不充分現(xiàn)象，表明收擴(kuò)段釬焊參數(shù)規(guī)范相對(duì)偏弱，釬料擴(kuò)散不充分，影響釬焊縫的強(qiáng)度。

2 收擴(kuò)段釬焊工藝優(yōu)化研究

2.1 收擴(kuò)段外壁加工工藝流程優(yōu)化

為減小加工過(guò)程對(duì)外壁產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，對(duì)外壁加工工藝流程進(jìn)行優(yōu)化。具體方法為采用粗加工內(nèi)外型面，然后線切割兩半進(jìn)行應(yīng)力釋放，再次定位焊外壁，精加工外壁，加工完成后再把外壁分開(kāi)的方案，代替原有精加工型面，然后線切割的方式生產(chǎn)收擴(kuò)段外壁。將加工分為粗加工和精加工，線切割流程安排在粗加工后，提前釋放加工應(yīng)力然后再精加工保證產(chǎn)品型面。

2.2 增加喉部釬料用量

由于內(nèi)壁為螺旋槽結(jié)構(gòu)，且筋條較窄，無(wú)法在筋條上布置釬料。在外壁內(nèi)側(cè)周向布置釬焊料。為解決收擴(kuò)段喉部存在釬焊縫釬腳不飽滿問(wèn)題，在原有釬料布置基礎(chǔ)上，對(duì)喉部下方增加一條2 mm寬的釬焊料，具體如圖6所示。

圖6 收擴(kuò)段增加釬料示意圖

2.3 釬焊參數(shù)優(yōu)化

采用單因素試驗(yàn)的方法針對(duì)不同的釬焊工藝參數(shù)(主要為釬焊溫度和保溫時(shí)間)，開(kāi)展了模盒釬焊試驗(yàn)并進(jìn)行爆破，模盒示意圖如圖7所示，不同釬焊工藝參數(shù)下的爆破壓力如表2所列。

圖7 模盒外觀

表2 不同釬焊工藝參數(shù)下的爆破壓力

試驗(yàn)結(jié)果表明：①隨著釬焊溫度的提高，釬焊縫強(qiáng)度提高，但溫度達(dá)到1 180 ℃以后，釬焊縫強(qiáng)度基本無(wú)顯著差異。而當(dāng)溫度進(jìn)一步提高至1 200 ℃以后，釬焊縫的強(qiáng)度顯著下降；②隨著釬焊料在高溫下的停留時(shí)間增加，釬焊強(qiáng)度有一定的提高，但釬焊料高溫停留時(shí)間太長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致釬焊料過(guò)度揮發(fā)以及母材晶粒長(zhǎng)大等問(wèn)題，釬焊強(qiáng)度降低。

為提高釬焊質(zhì)量，優(yōu)化釬焊溫度、保溫時(shí)間，避免溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，釬焊溫度由1 130 ℃增加到1 180 ℃，保溫時(shí)間從15 min延長(zhǎng)至25 min。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.4.1 內(nèi)外壁貼合情況

收擴(kuò)段內(nèi)外壁采用白堊粉檢查內(nèi)外壁貼合間隙。外壁加工流程優(yōu)化后，收擴(kuò)段內(nèi)外壁貼合有了明顯提高，不存在不貼合的區(qū)域，解決了外壁加工變形的問(wèn)題。改進(jìn)前后貼合檢查效果對(duì)比如圖8所示。

圖8 收擴(kuò)段外壁加工流程優(yōu)化前后內(nèi)外壁貼合效果對(duì)比

2.4.2 無(wú)損檢查情況

根據(jù)優(yōu)化后的措施進(jìn)行了產(chǎn)品釬焊試驗(yàn)，釬焊后進(jìn)行了X光檢查，冷卻通道無(wú)堵塞。對(duì)收擴(kuò)段喉部進(jìn)行了CT檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)未釬上現(xiàn)象。無(wú)損檢測(cè)為合格產(chǎn)品。

2.4.3 理化分析情況

對(duì)收擴(kuò)段進(jìn)行了爆破壓力試驗(yàn)，加壓至80 MPa，未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品有爆破現(xiàn)象。釬焊縫連接強(qiáng)度極大提升。

對(duì)收擴(kuò)段釬焊質(zhì)量進(jìn)行理化分析。喉部釬焊縫釬接良好，釬焊縫寬度為0.05 mm，釬焊縫存在釬角且比較飽滿。對(duì)釬焊縫進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示錳(Mn)含量均處于22.1%水平，為正常釬焊縫斷口錳含量，釬焊縫中心釬料擴(kuò)散較為充分，具體如圖9所示。

圖9 收擴(kuò)段喉部釬焊縫形貌和人工斷口形貌

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)某型號(hào)推力室收擴(kuò)段釬焊過(guò)在的問(wèn)題進(jìn)行了

分析，通過(guò)優(yōu)化外壁機(jī)加工藝流程，釬焊料用量、釬焊溫度及保溫時(shí)間，進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)。結(jié)果表明：收擴(kuò)段外壁機(jī)加變形得到有效控制，釬焊縫寬度變小，釬焊縫釬接良好，釬焊縫釬腳飽滿，釬焊縫中心釬料擴(kuò)散充分，無(wú)損檢測(cè)合格，釬焊縫連接強(qiáng)度極大提升，進(jìn)一步加強(qiáng)了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性，并成功經(jīng)過(guò)飛行考核。