17-7PH不銹鋼小氣瓶工藝及性能研究

靳少龍，魯國超，姜銀松，李志鵬，邵真貴，葉衛(wèi)林，高 蒙

(1.河南航天液壓氣動技術(shù)有限公司，河南 鄭州 451191；2.河南航天工業(yè)有限責(zé)任公司，河南 鄭州 451191)

某型號小氣瓶是某防空導(dǎo)彈系統(tǒng)上配套的產(chǎn)品，是推進(jìn)和控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，用來貯存高壓氣體，為導(dǎo)彈上動力系統(tǒng)提供增壓保證。小氣瓶結(jié)構(gòu)如圖1所示，瓶體外徑為94.4 mm，壁厚為2.2 mm，由左、右半球和中軸等3個零件氬弧焊焊接成型，焊后經(jīng)過熱處理強(qiáng)化后做水壓爆破試驗，爆破壓力≥85 MPa。

圖1 小氣瓶結(jié)構(gòu)示意圖

小氣瓶半球零件原材料為17-7PH不銹鋼，黃名洪和鋼鐵研究總院通過高壓氣瓶工藝優(yōu)化研究，犧牲一定強(qiáng)度，提高塑性和斷裂韌性，進(jìn)而提高了爆破強(qiáng)度[1]。趙軍靜、牛犇等開展的運載火箭增壓系統(tǒng)用球形氣瓶工藝研究，總結(jié)了一套完整的焊接工藝與質(zhì)量控制方法[2]。小氣瓶半球零件有3種加工工藝方案：1)左、右半球棒料機(jī)械加工→中軸機(jī)械加工→氬弧焊焊接→熱處理強(qiáng)化→爆破試驗；2)左、右半球板料拉伸→機(jī)械加工成型→中軸機(jī)械加工→氬弧焊焊接→熱處理強(qiáng)化→爆破試驗；3)左、右半球棒料模鍛加工→機(jī)械加工成型→中軸機(jī)械加工→氬弧焊焊接→熱處理強(qiáng)化→爆破試驗。

小氣瓶經(jīng)過熱處理強(qiáng)化后進(jìn)行水壓爆破試驗，通過結(jié)果分析，確定小氣瓶批產(chǎn)選用的最佳原材料及焊后最佳的熱處理強(qiáng)化工藝，為批產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 試驗材料及研究方案

1.1 試驗材料及性能指標(biāo)

17-7PH即07Cr17Ni7Al不銹鋼，是一種半奧氏體沉淀硬化不銹鋼，其成分見表1，經(jīng)固溶處理冷卻至室溫時，仍保留奧氏體組織[3]，因而易于加工成型，但穩(wěn)定性已明顯降低，通過適當(dāng)處理最終轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，強(qiáng)度可達(dá)到1 600 MPa，耐腐蝕性能優(yōu)于一般馬氏體不銹鋼[4-6]。

表1 17-7PH的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

1.2 驗證方案

小氣瓶性能研究方案和流程圖如圖2所示，半球加工成型有板料拉伸后機(jī)械加工、棒料機(jī)械加工和棒料模鍛后機(jī)械加工成型等3種方案；中軸由棒料機(jī)械加工成型；小氣瓶組件由兩半球和中軸通過氬弧焊焊接成型；焊接完成后進(jìn)行射線探傷；探傷合格的小氣瓶經(jīng)過熱處理強(qiáng)化后，進(jìn)行液壓爆破試驗。

圖2 小氣瓶性能研究流程圖

1)半球板料拉伸成型。

小氣瓶半球壁厚為2.2 mm，原材料備料規(guī)格為δ4.0 mm、φ139 mm的不銹鋼板(470 g)，通過拉伸成型半球坯料如圖3所示，然后機(jī)械加工成型。半球板料拉伸工藝流程如下：下料(線切割)→拉伸→熱處理→粗車→精車→鉗(去毛刺、鉆工藝孔)→檢測。該方案零件加工原材料利用率高，成本較低，生產(chǎn)周期短，效率較高。

圖3 板料拉伸成型的半球坯料

2)半球棒料機(jī)械加工成型。

小氣瓶半球棒料機(jī)械加工成型，備料規(guī)格為φ100 mm×62 mm不銹鋼棒料(3 850 g)，通過如下機(jī)械加工工藝流程：下料→粗車→精車→鉗(去毛刺、鉆孔)→檢測。半球棒料機(jī)械加工方案工藝簡單，但機(jī)械加工切削量較大，原材料消耗較多且生產(chǎn)周期較長，不適合大批量投產(chǎn)。

3)半球模鍛后機(jī)械加工成型。

小氣瓶半球模鍛后機(jī)械加工成型，下料規(guī)格為φ105 mm×18 mm的棒料(1 230 g)，通過模鍛成圖4所示的坯料后機(jī)械加工成型，通過熱處理消除熱模鍛應(yīng)力，然后精加工成型。半球模鍛加工成型的工藝流程如下：下料→粗車→模鍛→熱處理→精車→鉗(去毛刺、鉆工藝孔)→檢測。模鍛后機(jī)械加工成型方案材料利用率較低，工藝難度較大，加工周期相對較長，不能滿足大批量生產(chǎn)需求。

圖4 半球模鍛后坯料示意圖

1.3 焊接工藝

小氣瓶共有3道焊縫，均采用脈沖氬弧焊填絲焊接，脈沖電流為50～60 A，焊接電流為110～150 A，焊絲采用ER630不銹鋼焊絲，零件開坡口、單面焊雙面成型[7-8]。小氣瓶焊接順序如下：點焊→左右半球焊接→點焊→左半球+中軸焊接→點焊→右半球+中軸焊接，焊縫100%進(jìn)行射線探傷(RT)，質(zhì)量滿足按照J(rèn)B/T 4730.2標(biāo)準(zhǔn)I級要求。

1.4 熱處理工藝

1)RH510。

17-7PH小氣瓶焊后按照圖5所示熱處理制度RH510進(jìn)行強(qiáng)化處理，隨爐升溫至1 050℃，保溫2 h，爐內(nèi)氣冷至室溫；然后隨爐升溫至950 ℃，保溫20 min，氣冷至室溫；然后做-73 ℃冷處理，保溫6 h；然后隨爐升溫至510 ℃，保溫50 min，爐內(nèi)氣冷至室溫出爐，冷卻介質(zhì)為不小于99.999%的高純氬氣。

圖5 熱處理強(qiáng)化制度RH510曲線圖

2)TH565。

17-7PH小氣瓶焊后按照圖6所示熱處理制度TH565進(jìn)行強(qiáng)化處理，隨爐升溫至1 050℃，保溫2 h，隨爐冷卻至室溫；然后隨爐升溫至760 ℃，保溫90 min，空冷至室溫，然后隨爐升溫至565 ℃，保溫90 min，空冷至室溫，冷卻介質(zhì)為不小于99.999%的高純氬氣。

圖6 熱處理強(qiáng)化制度TH565曲線圖

1.5 強(qiáng)度試驗

在防爆試驗間進(jìn)行壓力爆破試驗，從小氣瓶中軸小端緩慢通入潔凈的去離子水進(jìn)行液壓爆破試驗，爆破失效壓力不低于85 MPa，爆破的小氣瓶應(yīng)有碎片，爆破口呈撕裂狀。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同成型工藝對焊接性的影響

小氣瓶不同工藝加工的零件焊接合格率相差較大，以30套為試驗樣本進(jìn)行焊接合格率驗證，焊接后所有焊縫100%進(jìn)行射線探傷，驗證不同成型工藝零件的焊接合格率，驗證結(jié)果見表2。

表2 不同成型工藝小氣瓶的一次焊接合格率

2.2 熱處理工藝對爆破強(qiáng)度的影響

不同加工工藝的小氣瓶經(jīng)過不同的熱處理工藝強(qiáng)化后，其性能差異較大(見表3)。小氣瓶爆破試驗結(jié)果應(yīng)滿足“爆破壓力不小于85 MPa，且爆破口呈撕裂狀，不應(yīng)出現(xiàn)碎片”的設(shè)計要求。17-7PH棒料機(jī)械加工和板料拉伸加工成型小氣瓶，焊接完成后做RH510熱處理強(qiáng)化，爆破壓力為42～70.4 MPa，強(qiáng)度較低，性能不滿足設(shè)計要求。17-7PH模鍛加工和板料拉伸成型的小氣瓶，焊接完成做TH565熱處理強(qiáng)化，模鍛成型的小氣瓶爆破壓力為90.3～97.6 MPa，爆破后有碎片，性能不滿足設(shè)計要求；板料拉伸成型小氣瓶爆破壓力為85～90.2 MPa，爆破口呈撕裂狀，性能滿足設(shè)計要求。

表3 不同工藝小氣瓶的爆破結(jié)果

2.3 爆破斷口微觀形貌分析

2.3.1 棒料模鍛加工(TH565熱處理強(qiáng)化)

棒料模鍛后機(jī)械加工成型的小氣瓶爆破斷口SEM照片表明其爆破破裂為脆性斷裂，爆破口的微觀形貌呈現(xiàn)典型“河流花樣”，“河流”走向如圖7箭頭指向，在氣瓶爆破試驗過程中，球型瓶體受到載荷復(fù)雜多樣，斷裂后“河流”走向性不一致，“河流花樣”為斷裂過程中一些臺階，“河流花樣”在爆破過程中存在交叉合并，進(jìn)一步形成臺階消耗能量，并在爆破失效后殘留在爆破斷口[9]。

2.3.2 板料拉伸和棒料加工(RH510熱處理強(qiáng)化)

17-7PH板料拉伸加工成型，焊接完成經(jīng)過RH510熱處理強(qiáng)化后，從斷口微觀形貌可以看出，材料斷裂形式存在脆性斷裂和塑性開裂的混合形式，斷口微觀形貌呈現(xiàn)典型的“河流花樣”和不規(guī)則邊緣舌形區(qū)域的“延性韌窩”斷口(見圖8中圈起區(qū)域)，其中“河流”走向如圖8所示。

a) ×1 000倍

b) ×2 000倍

a) ×1 000倍

b) ×2 000倍

放大2 000倍的爆破口SEM照片中表面，斷口部位存在大量的球型顆粒，這些球型顆粒大多與材料基體相連，說明球形顆粒是材料內(nèi)部本身存在，非外界帶入，這些顆粒為零件加工成型過程形成夾雜物，這些夾雜物顆粒的存在很大程度上降低了材料韌性，小氣瓶爆破試驗過程中從顆粒物處開裂。

2.3.3 板料拉伸加工成型(TH565熱處理強(qiáng)化)

板料拉伸成型的小氣瓶，焊接完成經(jīng)過TH565熱處理強(qiáng)化后做爆破試驗，從斷口微觀形貌可以看出，材料斷裂為塑性斷裂(見圖9)，斷口微觀形貌呈現(xiàn)典型的“韌窩”，這種“韌窩”形貌結(jié)構(gòu)具有一定的波浪走向性(箭頭指向)，類似被拉長的“剪切韌窩”，主要與小氣瓶爆破斷裂前的微塑性變形有關(guān)。

a) ×1 000倍

b) ×2 000倍

在試驗打壓過程中，隨著小氣瓶內(nèi)壓力逐漸增大，瓶體受到的拉伸載荷逐漸增大，原存在瓶體內(nèi)部的顯微裂紋(孔洞)聚合、夾雜物或析出第二相粒子與基體的界面處材料塑性流變中也會萌生裂紋，這些缺陷或材料一致性較差的區(qū)域，會因有效承載面積減小和裂紋尖端應(yīng)力集中等因素而產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生頸縮，進(jìn)一步發(fā)生斷裂[10]。

板料拉伸(TH565)加工成型的小氣瓶爆破后撕裂為塑性斷裂，斷裂前存在一定的塑性變形，斷口形貌為典型的韌窩形貌，爆破斷裂過程中吸收能量最多，小氣瓶爆破壓力為85～90.2 MPa，爆破口為撕裂狀，小氣瓶性能滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)小氣瓶半球零件最佳加工工藝為板料拉伸后機(jī)械加工成型，該工藝生產(chǎn)效率高，材料消耗低，且焊接合格率高。

2)17-7PH材料小氣瓶焊接后最佳熱處理強(qiáng)化為TH565。

3)17-7PH板料拉伸成型小氣瓶，爆破壓力為85～90.2 MPa，爆破口呈撕裂狀，失效形式為塑性破裂，滿足小氣瓶設(shè)計要求。