某型液體沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室損傷故障分析

■ 羅鐵彬 陳廣矚 梁立慧 潘成成 王東振 吳宇/國營長虹機(jī)械廠 中部戰(zhàn)區(qū)空軍保障部航材航彈處

0 引言

某型液體沖壓發(fā)動機(jī)是一款結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、推重比高、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好的亞燃沖壓發(fā)動機(jī)，在結(jié)構(gòu)上呈兩段分布，前半段為燃油箱組件和進(jìn)氣道組件，后半段為燃燒室組件。發(fā)動機(jī)兩處吊掛接頭分別位于發(fā)動機(jī)燃油箱殼體上方（前吊掛接頭）和燃燒室外殼上方（后吊掛接頭）。某次修理中發(fā)現(xiàn)一臺發(fā)動機(jī)燃燒室外殼上存在兩處損傷，位于后吊掛正后方不遠(yuǎn)處，一處為“7”字型損傷，另一處為“工”字型穿透性損傷。

液體沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室殼體承受飛行和地面操作各種場合的靜載和動載[1]，不僅要承受發(fā)動機(jī)工作內(nèi)壓，還要承受導(dǎo)彈發(fā)射及飛行過程中的各種外力，是沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室的關(guān)鍵承載部件[2]。導(dǎo)彈通過發(fā)動機(jī)殼體上的前、后吊掛接頭進(jìn)行吊裝作業(yè)，以保證導(dǎo)彈的正常使用、維護(hù)。發(fā)動機(jī)燃燒室殼體上如存在穿透性損傷，不僅會影響發(fā)動機(jī)承載，對燃燒效率、總壓恢復(fù)系數(shù)等性能參數(shù)也有影響，將使燃燒效率降低1%，沖壓發(fā)動機(jī)比沖和推力系數(shù)降低1%，燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)降低1%，發(fā)動機(jī)比沖或推力系數(shù)性能降低約0.4%[3]。由于亞燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室工作環(huán)境惡劣，發(fā)動機(jī)燃燒室殼體損傷在高溫高壓環(huán)境下容易擴(kuò)張轉(zhuǎn)變成更大的裂痕，引發(fā)不可預(yù)見的后果，因此必須采取修理措施對燃燒室殼體損傷進(jìn)行修復(fù)，驗證合格后方可交付使用。

1 故障原因分析

1.1 損傷程度

兩處損傷均發(fā)生在發(fā)動機(jī)燃燒室圓柱段Ⅱ上（見圖1、圖2），該部分的材料為高溫合金GH98，厚度為1.5mm。為分析損傷程度，檢查“7”字型損傷，損傷區(qū)域為6mm×7mm，未見明顯穿透性破損；檢查“工”字型損傷，損傷區(qū)域為24mm×19mm，且存在4mm寬度的穿透性裂縫，另在圓柱段Ⅱ與舵機(jī)蒙皮邊條結(jié)合處，可見邊條出現(xiàn)穿透性機(jī)械損傷。為進(jìn)一步分析兩處損傷對發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)部零部件的影響，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)兩處損傷部位接近后吊掛接頭的加強肋與圓柱段Ⅱ焊接位置，焊接位置表面完好，內(nèi)層錐形噴管表面完好。

圖1 “7”字型壓傷

圖2 “工”字型機(jī)械損傷

1.2 損傷原因

為分析發(fā)動機(jī)燃燒室殼體損傷原因，以“燃燒室殼體機(jī)械損傷”為頂事件建立故障樹，如圖3所示，對各種可能的故障分支和底事件逐項進(jìn)行分析。

圖3 損傷故障樹示意圖

1）環(huán)境因素

金屬件損傷一般與環(huán)境因素有關(guān)。為分析燃燒室殼體損傷與環(huán)境因素的關(guān)系，全面檢查燃燒室殼體表面狀況，無銹蝕、腐蝕等痕跡。發(fā)動機(jī)燃燒室殼體材料為高溫合金GH98，抗腐蝕能力強，只有在一定的材料組合形成微電池條件下才會發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂，發(fā)動機(jī)燃燒室殼體明顯缺少腐蝕條件，因此可以排除環(huán)境因素導(dǎo)致故障的可能。

2）硬物沖擊

發(fā)動機(jī)燃燒室殼體材料為高溫合金GH98，壁厚為1.5mm，材料強度達(dá)1180MPa，而燃燒室殼體已產(chǎn)生裂紋，表明殼體受到的實際沖擊應(yīng)力超過材料的屈服強度。分析兩處損傷的距離位置（見圖4），最短距離為155mm，與后吊掛接頭內(nèi)卡槽的寬度接近，符合吊具掛載時的位置；“7”字型損傷較輕，“工”字型穿透性損傷較為嚴(yán)重，且損傷形態(tài)為向內(nèi)凹陷，損傷部位的外形和狀態(tài)符合吊具在沖擊作用下的痕跡。綜合判斷，維護(hù)保養(yǎng)時人員操作不當(dāng)導(dǎo)致吊具撞擊是燃燒室殼體產(chǎn)生裂紋的最可能原因。

圖4 兩處損傷距離示意圖

2 故障機(jī)理分析

殼體韌性斷裂的本質(zhì)是零件危險截面處的實際應(yīng)力超過材料的屈服強度。發(fā)動機(jī)燃燒室殼體采用沉淀強化型高溫合金材料，壁厚為1.5mm，材料強度可達(dá)1180MPa，其化學(xué)成分見表1。

表1 發(fā)動機(jī)燃燒室殼體成分

查閱文獻(xiàn)得知，沉淀強化型高溫合金中Al、Ti、B、C的含量對焊接性能影響較大，當(dāng)Al含量與Ti含量之和小于6%且Al含量與Ti含量之比小于3%時，焊接裂紋敏感性較低；高溫合金裂紋敏感性隨B、C的含量增加而增大，B、C含量較低時，裂紋敏感性較低。由GH98沉淀強化型高溫合金的化學(xué)成分可知，其焊接裂紋敏感性較低，焊接性能較好。

燃燒室外殼承受的載荷包括：外殼安裝吊掛附近承受的集中慣性力；不均勻溫度場引起的溫度應(yīng)力；沿燃燒室外殼內(nèi)外壁面的靜壓；燃燒室外殼所有構(gòu)件產(chǎn)生的慣性質(zhì)量載荷。其中，安裝吊掛附近的集中慣性力主要作用在吊掛及吊掛附近很小的區(qū)域，對焊修區(qū)域影響較小。燃燒室殼體內(nèi)弧形隔熱屏起冷卻隔熱作用，因此，燃燒室外殼溫度低很多，殼體內(nèi)溫度梯度也較小，溫度應(yīng)力和內(nèi)外壁面的靜壓力較小。慣性質(zhì)量載荷由燃燒室上的附件及燃燒室自重產(chǎn)生，由于燃燒室及附件質(zhì)量較小，慣性質(zhì)量力的影響也較小。綜上，燃燒室外殼的材料強度較高而所受載荷較小，因此具有很高的強度裕度。

在發(fā)動機(jī)本體材料特性未發(fā)生變化的情況下，正常維護(hù)保養(yǎng)時操作人員的不規(guī)范操作、對工作內(nèi)容掌握不扎實以及機(jī)械本身原因都很容易造成發(fā)動機(jī)殼體損傷。發(fā)動機(jī)的專用吊具長約2m，重量為25kg。產(chǎn)品維護(hù)保養(yǎng)中，將吊具安裝或卸下時，吊裝指揮、行吊操作、吊具使用、人員疏忽等因素均會造成吊具意外掉落，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)殼體損傷。

為進(jìn)一步確認(rèn)發(fā)動機(jī)燃燒室殼體損傷原因，以工程設(shè)計圖為基礎(chǔ)，通過結(jié)構(gòu)、材料和載荷模型建立燃燒室殼體機(jī)械損傷模型（見圖5）。根據(jù)仿真計算結(jié)果，燃燒室殼體在受硬物沖擊的情況下，沖擊強度大于材料屈服強度，隨著沖擊力的持續(xù)，損傷部位失效進(jìn)一步擴(kuò)大，最終導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。由此得出結(jié)論：硬物沖擊是造成發(fā)動機(jī)燃燒室殼體損傷的根本原因。

圖5 機(jī)械損傷模型示意圖

3 損傷修復(fù)方案及結(jié)果驗證

通過分析發(fā)動機(jī)燃燒室殼體損傷模型，結(jié)合液體沖壓發(fā)動機(jī)修理積累的經(jīng)驗，采用整形手段修復(fù)發(fā)動機(jī)燃燒室殼體損傷形狀，并排除擴(kuò)散裂紋；后采用氬弧焊接方式對發(fā)動機(jī)燃燒室殼體損傷進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)完成后進(jìn)行驗證，滿足發(fā)動機(jī)燃燒室殼體技術(shù)要求。

3.1 整形修復(fù)

如圖6所示，對發(fā)動機(jī)燃燒室殼體損傷處結(jié)構(gòu)進(jìn)行整形修復(fù)，對損傷區(qū)域及附近區(qū)域進(jìn)行無損檢測，并去除裂紋，步驟如下：

圖6 機(jī)械損傷整形修復(fù)示意圖

1）鉗工打磨去除損傷部位表面氧化皮；

2）對損傷部位校形及打磨；

3）著色探傷檢查損傷部位及附近區(qū)域裂紋擴(kuò)展位置；

4）鉗工打磨去除裂紋；

5）著色探傷檢查裂紋應(yīng)完全去除。

3.2 氬弧焊接修復(fù)

經(jīng)過整形修復(fù)及去除裂紋后，采用氬弧焊接的方式對發(fā)動機(jī)燃燒室外殼損傷進(jìn)行修復(fù)（見圖7）。對“工”字型穿透性機(jī)械損傷，以試片工藝試驗確定的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，以確保焊透，低于基體的位置采用氬弧堆焊填充；對“7”字型壓傷，直接氬弧堆焊填充至不低于基體周圍。

圖7 氬弧焊接修復(fù)示意圖

3.3 修復(fù)效果驗證

為驗證修復(fù)手段是否滿足發(fā)動機(jī)燃燒室殼體損傷修復(fù)要求，采用以下步驟對修復(fù)后的發(fā)動機(jī)燃燒室殼體進(jìn)行驗證：

1）焊后檢查燃燒室內(nèi)應(yīng)無異響及多余物；

2）鉗工打磨堆焊處，打磨處與周圍基體材料應(yīng)圓滑過渡；

3）著色探傷檢查；

4）X光探傷檢查；

5）檢查燃燒室外觀應(yīng)無損傷。

經(jīng)著色、X光探傷檢查，燃燒室殼體修復(fù)部位無裂紋，表面光滑，與基體外形保持一致。

3.4 建議措施

為避免同類問題重復(fù)發(fā)生，提出以下建議：

1）發(fā)動機(jī)分解過程中，對燃燒室殼體表面進(jìn)行檢查，應(yīng)無損傷；修理過程中，應(yīng)防止工裝、設(shè)備損傷發(fā)動機(jī)燃燒室；

2）加強操作人員對吊裝作業(yè)及吊具的使用與注意事項學(xué)習(xí)。

4 結(jié)論

本文針對某型液體沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室外殼損傷，通過故障樹分析、材料成分分析及損傷模型分析，明確損傷機(jī)理，提出整形和氬弧焊修復(fù)方案，對發(fā)動機(jī)燃燒室殼體進(jìn)行損傷修復(fù)。修復(fù)后經(jīng)外觀檢查、X光探傷、著色探傷等方式進(jìn)行驗證，發(fā)動機(jī)燃燒室殼體外觀完好，結(jié)構(gòu)性能符合要求，有效解決了發(fā)動機(jī)燃燒室外殼損傷修復(fù)問題。