某隔板點火裝置傳爆過程殼體失效分析*

程 翔，黃少波,2，邢國強,2，沈 欣

(1 中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009；2 航空制導武器航空科技重點實驗室，河南洛陽 471009；3 駐中國空空導彈研究院軍事代表室，河南洛陽 471009)

0 引言

點火裝置是固體火箭發(fā)動機的重要件，點火裝置要求能夠正常工作，安全可靠的點燃發(fā)動機裝藥，并在發(fā)動機工作過程中確保承壓、密封、絕熱。點火裝置的工作是否正常直接影響著武器彈藥的點火或起爆的安全性和可靠性。

某隔板點火裝置已交付多個批次，出廠試驗均工作正常且試驗后點火裝置結(jié)構(gòu)完整，但有一發(fā)點火裝置在低溫(-55℃)單路發(fā)火時發(fā)生點火具殼體炸裂現(xiàn)象，該情況在裝機狀態(tài)下將導致發(fā)動機竄火的災(zāi)難性后果。

文中對點火裝置殼體經(jīng)仿真分析、壁厚測量、成分分析、工藝復查、力學性能測試、金相檢驗、斷口分析等方法，找出了點火裝置殼體失效原因。

1 殘骸檢查與故障樹

1.1 殘骸檢查

故障產(chǎn)品(以下簡稱失效件)見圖1，靠近底部螺紋處有一塊殘片與殼體局部相連，其余部位與殼體撕裂分裂，并向外翹曲，靠近殼體螺紋處翹曲最大，該位置對應(yīng)于起爆器。殼體材料為0Cr17Ni4Cu4Nb，執(zhí)行標準GJB2294A—2014，毛坯熱處理要求HRC35～40。

觀察裂紋發(fā)現(xiàn)：殼體裂紋斷面可見明顯人字紋，斷口附近塑性較小，所有斷面微觀均為準解理、韌窩混合斷裂形貌，以上是過載破裂失效的典型特征。

1.2 故障樹

由殘骸檢查認為失效件殼體的承壓能力不足，文中研究采用工程分析中的故障樹方法排查[1-2]，圖2為排查所用故障樹。

針對故障樹的各個因素，開展了仿真分析、理化檢驗等相關(guān)工作。

2 爆轟過程分析

由于隔板起爆的爆轟過程是對殼體施加瞬時沖擊載荷，應(yīng)首先分析藥量異常情況下爆轟能量的影響[3-4]。對失效件進行解剖，另一路未起爆序列的藥劑、藥量無異常，結(jié)合生產(chǎn)記錄復查結(jié)果表明起爆序列的藥劑、藥量正常，可排除藥劑、藥量因素。

針對設(shè)計強度裕度不足的情況，對120%藥量的隔板起爆序列進行爆轟過程仿真分析。翹曲最大處的沖擊波時間-壓力曲線見圖3，內(nèi)壓最大時殼體MISS STRESS分布見圖4。

仿真計算表明殼體最大應(yīng)力為664.2 MPa，當殼體材料熱處理硬度不小于HRC35時(對應(yīng)屈服強度不小于1 000 MPa)，殼體強度裕度不小于1.5；且由于傳爆過程約4 μs，材料本身的塑性變形即可吸收瞬間作用的爆炸能量，故排除強度裕度不足的因素。

3 理化檢驗

3.1 加工缺陷

對失效件裂紋源區(qū)進行尺寸測定和X光檢驗，該處壁厚正常，且沒有加工缺陷與異常損傷，可排除加工缺陷。

3.2 化學成分分析

將前批試驗合格產(chǎn)品的點火具殼體殘骸作為對比件，通過火花直讀光譜分析表明失效件和對比件的材料化學成分均符合GB2294A—2014要求[5]，說明失效與材質(zhì)無關(guān)，可排除材料成分因素。

3.3 力學性能測試

復查生產(chǎn)工藝時發(fā)現(xiàn)：前期交付的產(chǎn)品(含對比件)均采用電阻爐進行熱處理，故障批產(chǎn)品因材料廠家因素，采用真空爐進行熱處理，熱處理工藝存在不同。

對比件毛坯熱處理工藝為：電阻爐固溶1 040 ℃/60 min→水冷→540 ℃/240 min時效處理→空冷。

失效件毛坯熱處理工藝為：真空固溶650 ℃/100 min→860 ℃/90 min→1 040 ℃/150 min→氮氣冷卻，540 ℃/240 min時效處理(保溫有效時間180 min)→空冷60 min，540 ℃/240 min第二次時效處理(保溫有效時間180 min)→空冷60 min。

按照GB/T4340.1—2009及GB/T1172—1999對失效件及對比件進行硬度測試見表1，結(jié)果顯示對比件滿足技術(shù)要求，但失效件的硬度明顯超過上限，導致材料偏脆性，不利于抵抗爆炸作用力。

表1 硬度測試結(jié)果

按照GB/T228.1—2010對失效件同批鋼棒進行拉伸試驗見表2，結(jié)果顯示：失效件的拉抻性能、標稱的時效處理條件與GJB2294A的規(guī)定不匹配，屈服強度大幅度低于下限，不利于抵抗爆炸作用力。

表2 失效批材料室溫拉伸性能參數(shù)

從失效件同批鋼棒進行室溫、-55℃沖擊性能測試，結(jié)果顯示0Cr17Ni4Cu4Nb在-55℃條件下沖擊韌性下降到常溫條件下的70%左右(見表3)[6-7]，低溫條件下該材料的抗沖擊能力將進一步下降。

表3 故障分析棒材樣件沖擊性能檢測

3.4 金相檢驗

對失效件、對比件的材料取樣進行金相分析(見圖5)，其分析結(jié)果如下：

1)失效件基體組織為粗大索氏體，因固溶溫度偏高，晶粒較粗大，晶粒度約5級；縱向截面組織為回火馬氏體，可見少量點狀析出相，局部可見雜物；

2)對比件基體組織為保持馬氏體位向的索氏體及條狀和塊狀未溶解的鐵素體，均勻分布較密集的點狀析出相，晶粒度約8.5級；縱向截面組織為回火馬氏體與軸向分布的條狀鐵素體，均勻分布較密集的點狀析出相。

以上對比可見：失效件金相組織中點狀析出相明顯偏少，脆性明顯較大，抗沖擊載荷能力偏低[8]。

對失效件殘片上軸向取試樣再人為打斷，斷口微觀形貌見圖6。打斷過程發(fā)現(xiàn)試樣單向彎折不到90°便已斷裂，斷口兩側(cè)剪切唇為剪切韌窩，斷口中部部分斷面為準解理、韌窩混合斷裂特征；對比件試樣雙向彎折至90°方斷裂，整個斷面均為韌窩特征；表明對比件塑性明顯好于失效件。

4 失效分析

因熱處理工藝發(fā)生改變，使殼體毛坯在真空爐進行熱處理時，殼體組織晶粒較粗大，晶粒度3.5～6級，硬度大幅度超出技術(shù)要求上限，造成殼體塑性差，沖擊韌性低，且低溫環(huán)境下材料抗沖擊能力進一步下降，導致了點火具殼體在傳爆過程中發(fā)生過載破裂。

當材料毛坯更換回為電阻爐熱處理后，所研制的多批產(chǎn)品試驗均滿足要求，有效的消除了該故障。

5 結(jié)論

熱處理工藝的變更導致點火具殼體材料硬度偏高、偏脆，使材料屈服強度和抗沖擊能力大幅度降低，低溫狀態(tài)下材料抗沖擊能力又進一步下降，以上因素導致了傳爆過程點火具殼體炸裂。

材料采用電阻爐熱處理工藝后，有效的消除了殼體失效故障。