調質態成型技術在超高強鋼固體火箭發動機燃燒室殼體上的應用

和玉曉 楊江波 鐘臻榮 吳 欽 盧啟輝

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調質態成型技術在超高強鋼固體火箭發動機燃燒室殼體上的應用

和玉曉 楊江波 鐘臻榮 吳 欽 盧啟輝

（湖北三江航天江北機械工程有限公司，孝感 432000）

以某型號產品為例，通過產品的結構和工藝性分析，制定了合理的調質態成型工藝路線，摸索出了合理的調質態工藝參數，將調質態旋壓、調質態焊接以及調質態鉚接技術應用于該發動機殼體制造加工。產品加工后尺寸、性能滿足了設計要求，為發動機殼體的制造提供了一種新型加工方法。

D406A超高強鋼；調質態旋壓；調質態焊接；調質態鉚接；產品性能

1 引言

圖1 殼體結構示意圖

燃燒室殼體是火箭發動機的重要組成部件，一般采用超高強鋼零部件經焊接、調質、機加而成[1]。本文研究的發動機殼體為典型的發動機殼體，如圖1所示。某型號薄壁發動機殼體，采用D406A超高強鋼加工而成，要求直線度、圓度等形位公差控制在1mm以內，最終熱處理后基體抗拉強度要求≥1620MPa（48～52HRC），延伸率≥8%，焊接接頭抗拉強度≥1490MPa，通過10MPa水壓驗收。

2 產品結構及工藝性分析

在傳統的超高強度鋼發動機殼體制造工藝中，工藝流程多為：分段筒體旋壓→退火（熱校形）→零部件焊接（氬弧焊或真空電子束焊接）→退火、X射線→整體熱處理（淬火+回火）→機加。

該發動機殼體從結構上可分為兩大部分：補燃室殼體和艙段。其中補燃室殼體部分由后機口、旋壓圓筒、進氣道窗口、封頭組成，艙段由前機口、短圓筒以及內表面的加強筋組成。

a. 補燃室殼體的封頭位于艙段內孔中，距離艙段端面較遠，刀桿長度過長，加工困難，此外，在距離封頭端面前端存在加強筋的干涉，刀具無法進入，因此最終殼體狀態下封頭的端面、內孔將無法加工，須在補燃室殼體狀態將封頭的最終狀態直接加工到位。

b. 補燃室殼體進氣道窗口的內外結構型面復雜，后端距離后機口的距離較遠，前端封頭內孔的直徑較小，補燃室殼體焊接后進氣道窗口的內型面將無法加工，殼體狀態進氣道內型面無法進行加工。

c. 艙段內孔部位存在7件加強筋，若采用焊接的方式聯接，焊接、調質變形大，且有多處分布在封頭與艙段的夾縫中，施焊困難。

由于該殼體復雜的結構特點，再加上薄壁發動機殼體焊后需經過多道高溫熱處理，薄壁筒段部位存在較大的變形且校形困難，傳統的加工方案難以保證產品合格。因此，如何解決焊接調質變形以及封頭端面、進氣道窗口加工的結構限制，成為該殼體工藝方案設計的重點。

3 調質態成型技術

鑒于該殼體的結構特性和尺寸、性能要求，補燃室殼體和艙段分別在最終熱處理狀態將部分結構加工到最終尺寸再進行焊接，可良好解決產品進氣道窗口內型面、封頭無法加工的難題，即調質態成型技術：先對零件進行調質處理，然后在調質態進行焊接、鉚接以及低溫回火去應力，控制變形，提高精度。

3.1 調質態旋壓

調質態旋壓是一種利用冷作硬化原理的旋壓加工技術，先對旋壓圓筒軋環進行熱處理預強化調質處理，然后通過旋壓的冷作硬化效果將圓筒旋壓成型，以達到圓筒強化的目的。

對調質態旋壓而言，預調質硬度的控制是決定后續圓筒軋環旋壓合格與否的關鍵，旋壓前硬度過低，則冷作硬化后抗拉強度無法滿足最終設計指標，若硬度過高，旋壓時壓下量控制困難，且容易開裂[2]。

根據目前D406A的熱處理制度，調質后高溫回火的溫度是控制材料硬度的重要因素，為摸索旋壓前預調質的合理硬度值及旋壓參數，開展了調質態旋壓工藝試驗。

a. 考慮到調質材料變形的存在，預熱處理調質前軋環毛坯內外留3mm余量；

b. 調質時保證淬火參數不變，改變回火溫度，以控制旋壓前軋環坯料的硬度值不同；

c. 旋壓時采用三旋輪同步反向旋壓，旋輪前角為25°、圓角半徑8mm，軋環厚度12mm。分二道次旋壓成形，第一道次采用大的進給比，使工件收徑貼模，同時將壁厚旋至5mm左右，第二道次按工件型面旋至尺寸要求，旋壓參數見表1。

試驗后對旋壓圓筒的硬度值和表觀質量進行檢測，具體試驗結果如表2所示。

表1 二道次圓筒旋壓參數表

表2 不同預處理后圓筒旋壓情況對比

根據試驗結果，預調質硬度為38～40HRC時旋壓效果較好，圓筒最終硬度值能夠滿足設計指標。預調質強化的熱處理制度為930℃保溫50min后入油淬火，550℃保溫50～60min后空冷。

3.2 調質態電子束焊接

電子束焊接是利用加速和聚焦的電子束流轟擊焊件所產生的熱能，使焊件熔化實現焊接的一種技術手段[3]，具有顯著的深穿透效應，焊接線能小，尤其適用于本型號殼體的調質態焊接，焊后強度損失小。

為探究調質態焊接對殼體性能的影響，開展了D406A調質態焊接工藝試驗。選擇厚度3mm的406A調質態試片進行調質態焊接，焊后4h內低溫回火，通過X射線檢測焊縫內部質量以及焊縫拉伸、彎曲理化性能的檢測，摸索合理的焊接工藝參數。

焊接時按照焊接制度，做好焊前清理，滿足裝配要求，真空度要求不大于5×10－2Pa，根據以往退火態電子束焊接參數定制的經驗，調質態焊接工藝試驗參數設置A、B、C三組，具體如表3所示。

表3 調質態電子束焊接工藝參數

焊后4h內進行低溫回火消除焊接內應力，低溫回火溫度(290±10)℃，時間50～60min后空冷，每組理化性能進行3組，焊接后的無損檢測及力學性能結果見表4。

表4 無損檢測及力學性能表

由表4可以看出，采用調質態電子束焊接后，除A組試驗的1組抗拉強度數據外，其余焊縫的抗拉強度都能滿足1490MPa的設計要求，彎曲角也合格，這說明采用調質態電子束焊接的方法對強度的損耗較低，具有可行性。通過三組數據對比可以發現，B組抗拉強度穩定較好，且焊縫的表觀質量和內部質量更佳，而其余兩組參數的匹配程度或多或少都存在缺陷。因此，B組參數比較合理。

3.3 調質態鉚接

鉚接技術是一種利用軸向力將零件鉚釘孔內釘桿鐓粗并形成釘頭，使多個零件相連接的方法，具有變形小、連接強度高的特點[4]，針對艙段加強筋焊接調質變形大問題，采用鉚接的方法在艙段調質態進行聯接。

鉚接采用直徑120°實芯沉頭鉚釘，標準號為GB/T 954—1986，材質為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，直徑3mm。為保證鉚接質量，采用雙面埋的鉚接方法，鉚接窩開口角度90°，釘孔尺寸3.1mm，為間隙配合。鉚釘長度凸出產品外表面3～5mm，以保證鉚接桿能在鉚釘窩內形成良好的鉚成頭。

為保證加強筋的鉚接質量，設計專用的鉚接工裝，如圖2所示。一方面對加強筋進行限位，另一方控制穩定鉚頭沖擊位置，避免擊傷產品表面。

圖2 加強筋鉚接結構示意圖

4 產品性能

按照該工藝方法加工的殼體，直線度、圓度良好，能夠滿足≤1mm的要求，焊后經100%X射線無損檢測滿足GJB1718A—2005的I級要求，焊縫抗拉強度均在1490MPa以上，彎曲角25°無裂紋，圖3為產品焊縫X射線檢測底片。

后續生產的8臺產品均合格，圖3為選取的一件產品焊縫Ｘ射線檢測底片。殼體進行水壓試驗，順利通過10MPa水壓驗證。

圖3 產品焊縫X射線檢測底片

5 結束語

調質態成型技術作為一種新型的加工工藝方法，能夠有效解決該型號產品加工中因為結構限制而無法加工某些部位的難題，直線度、圓度等形位公差上表現良好，產品性能滿足設計要求，為發動機殼體的制造提供了一種新型加工方法。

1 魏江峰. 固體火箭發動機燃燒室殼體旋壓坯料制造技術工藝技術研究[J]. 機械科學與技術，2009(8)：56～59

2 楊睿智. D406A細長筒形件旋壓成形工藝研究[C]. 第十一屆全國旋壓技術交流會. 成都，2008

3 閆曉鋒. 真空電子束焊接在我國航空機載設備上的應用及發展趨勢[J]. 航空制造技術，2007(6)：90～10

4 羅子健，尚寶忠. 金屬塑性加工理論與工藝[M]. 西安：西北工藝出版社，1994：97～98

Application of Quenched and Tempered Manufacturinh Technology in Combustion Chamber of Ultra-high Strength Steel Solid Rocket Motor

He Yuxiao Yang Jiangbo Zhong Zhenrong Wu Qin Lu Qihui

(Hubei Sanjiang Aerospace Jiangbei Mechanical Engineering Co. Ltd., Xiaogan 432000)

Taking a certain type of product as an example, through the analysis of its structure and process property, a reasonable process route was established, The reasonable process parameters were found out, and the spinning, welding and riveting techniques of the quenched and tempered state were applied to the manufacturing and processing of the solid rocket motor. The size and performance of the product meet the design requirements and provide a new processing method for the manufacturing of the solid rocket motor.

D406A；quenched spin；quenched welding；quenched riveting；product performance

2018-10-19

和玉曉（1988），碩士，材料加工工程專業；研究方向：固體火箭發動機殼體加工。