固體火箭發(fā)動機殼體線狀磁痕分析*

張林方

(中國空空導彈研究院, 河南洛陽 471009)

0 引言

18Ni馬氏體時效鋼,是由國際鎳公司(INCO)于20世紀60年代初研制成功的一種超低碳的以鐵鎳為基體的超高強度鋼。由于18Ni馬氏體時效鋼具有比強度大、屈強度比高、耐蝕性和熱穩(wěn)定性良好、焊接性能優(yōu)良等優(yōu)點,國內(nèi)外已廣泛應用于原子能、航空、機械、化工等工業(yè)領(lǐng)域[1]。

國內(nèi)眾多型號固體火箭發(fā)動機均采用18Ni馬氏體時效鋼作為殼體材料。在對某型固體火箭發(fā)動機殼體旋壓后進行磁粉探傷時,發(fā)現(xiàn)采用18Ni馬氏體鋼的殼體存在線狀磁痕顯示。通過對故障件進行宏觀形貌、微觀形貌、能譜分析、低倍組織、金相組織等項目的檢測分析,最終確定發(fā)動機殼體磁痕顯示異常的原因及處置方法。

1 分析過程

1.1 宏觀形貌

該發(fā)動機殼體采用18Ni(C250)馬氏體旋壓成型。殼體旋壓加工工藝路線：旋壓毛坯→旋壓→固溶→旋壓→探傷。探傷前零件外表面為冷旋壓加工態(tài),未見裂紋、劃傷等異常痕跡,線狀缺陷目視形貌如圖1所示,線狀條紋呈暗灰色,沿殼體軸向斷續(xù)分布,與殼體軸向略呈一定夾角。

圖1 典型缺陷宏觀形貌

1.2 微觀形貌

對缺陷位置進行標記后,使用掃描電子顯微鏡觀察線狀條紋缺陷的微觀形貌。條紋缺陷的二次電子像如圖2所示,缺陷與零件基體界面、形貌無明顯差異,也未發(fā)現(xiàn)裂紋、孔洞、夾雜物等異常情況。

1.3 磁粉探傷

磁粉探傷結(jié)果表明,線狀磁痕與零件軸線之間的夾角一致,但每件零件上線狀磁痕的數(shù)量和長度均不一致,線狀磁痕數(shù)量最多達幾十條,最少一條；顯示長度最長約800 mm,最短約5 mm；見圖3。

圖2 線狀條紋缺陷的二次電子像

圖3 磁粉檢測典型磁痕形貌

1.4 低倍組織

使用冷酸浸蝕法對故障件試環(huán)進行低倍腐蝕試驗,腐蝕后試樣表面顯示出更多 “條紋”如圖4所示。

圖4 故障件低倍腐蝕后顯示的線狀“條紋”

使用電子掃描顯微鏡(SEM)觀察經(jīng)過低倍腐蝕的故障件,經(jīng)腐蝕后顯示出的“條紋”形貌如圖5所示。

1.5 金相分析

對缺陷部位取樣,磨拋腐蝕后采用金相光學顯微鏡(OM)觀察其金相組織形貌,缺陷位置表面金相組織如圖6所示,低倍觀察缺陷處呈白亮色的奧氏體,高倍觀察缺陷處為暗色區(qū)域,與周圍正常區(qū)域的馬氏體組織形態(tài)有明顯差異。由于奧氏體沒有磁性,馬氏體具有磁性,基于二者在磁特性上存在較大差異,在磁粉探傷時形成磁痕顯示。

1.6 能譜分析

對缺陷中心部位與殼體正常部位利用EDAX能譜分析儀分別進行成分分析,能譜分析的結(jié)果如圖7、圖8所示,成分分析結(jié)果見表1。

表1 缺陷區(qū)與正常區(qū)化學成分對比結(jié)果(wt%)

缺陷區(qū)與正常區(qū)域的化學成分存在差異,主要是缺陷區(qū)Ti、Mo、Ni元素含量要高于正常區(qū)域的含量,Ti、Mo、Ni都是極大降低馬氏體相變點Ms、Mf的元素,造成18Ni固溶后存在大量殘余奧氏體。

1.7 相變點計算

在正常的奧氏體化狀態(tài)下淬火冷卻,母相奧氏體的化學成分是影響相變點Ms、Mf的主導因素。目前關(guān)于高合金超強度鋼的Ms溫度經(jīng)驗公式較少,歷勇、王春旭等給出的二次硬化型高合金超強度鋼的Ms溫度計算公式,計算精度相對較高,計算值與實測值吻合較好,公式為：

Ms(℃)=550-472C-47.5Cr-22Ni-18Mo+
12.5Co+3Al-3Ti

(1)

而Mf點根據(jù)不同的M%轉(zhuǎn)變量計算,假設(shè)馬氏體轉(zhuǎn)變量為100%,則:

Mf(100%M)(℃)=Ms-(215±15)

(2)

馬氏體轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系可用經(jīng)驗公式近似計算：

Φ=1-exp(-1.10×10-2Δt)

(3)

式中：Φ為轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的體積分數(shù),Δt為Ms點以下的過冷度；標準室溫為(23±2)℃。

計算結(jié)果如下：

缺陷區(qū)：

Ms=146.8 ℃,Mf=(-68.2±15)℃,ΦM=74.4%,ΦA(chǔ)=25.6%

正常區(qū)：

Ms=183.8 ℃,Mf=(-31.2±15)℃,ΦM=82.9%,ΦA(chǔ)=17.1%

根據(jù)計算結(jié)果可以看出,缺陷區(qū)的成分波動引起相變點Ms、Mf的變化,Ti、Mo、Ni元素含量的提高,極大降低了Ms、Mf相變點溫度,導致18Ni馬氏體發(fā)動機殼體在固溶處理后存在大量殘余奧氏體[2]。

圖7 缺陷區(qū)能譜分析圖

圖8 正常區(qū)能譜分析圖

1.8 時效驗證試驗

選取了8件磁粉探傷有磁痕顯示的零件進行時效+磁粉探傷驗證試驗,結(jié)果有2件零件依然有磁痕顯示,其余6件零件磁痕顯示消失,具體結(jié)果見表2。時效處理對消除零件線狀磁痕顯示有顯著的作用,但不能確保100%消除。

表2 時效前后磁粉探傷對比

2 分析結(jié)果

18Ni馬氏體時效鋼強韌化機理主要是時效過程中在高韌性的無碳Fe-Ni板條馬氏體基體上,彌散析出金屬間化合物(強化相)和薄膜狀的逆變奧氏體(韌化相)。馬氏體時效鋼固溶態(tài)組織為超低碳板條馬氏體+少量奧氏體；時效態(tài)組織為超低碳板條馬氏體+少量奧氏體+金屬間化合物強化相。

根據(jù)文獻[3-6]研究表明，當18Ni 馬氏體時效鋼中Ti、Mo 含量較高時,鋼錠在凝固時容易發(fā)生這些元素的微觀偏析,其中Ni、Mo元素的偏析,尤其是Ti 的偏析影響熱加工過程中奧氏體再結(jié)晶和晶粒長大行為,形成偏析帶細晶和基體粗晶的混晶組織,在馬氏體中會生成殘留奧氏體。

綜上所述,當18Ni馬氏體時效鋼中存在合金元素Ti、Mo、Ni偏析,造成局部Ti、Mo、Ni含量增高時,將導致該處馬氏體相變點降低,在正常的固溶處理后,基體上會無規(guī)律性的存在較高含量的奧氏體組織,由于奧氏體組織(順磁)與馬氏體組織(鐵磁)在物理磁特性上存在顯著的不一致性,這種磁性差異引起磁粉探傷時磁場異常,從而形成線狀磁痕顯示。零件在時效后,殘余奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變,其殘留量降低,磁痕顯示程度也有所減輕,甚至基本消失[2]。

3 結(jié)論

1)通過對故障件進行外觀形貌、磁粉探傷、金相觀察、能譜分析、相變點計算等檢測分析,本次產(chǎn)生線狀磁痕顯示的原因是：18Ni馬氏體發(fā)動機殼體在磁粉探傷時基體內(nèi)存在較多殘余奧氏體,由于奧氏體組織與馬氏體組織在物理磁特性上存在顯著不一致性,這種磁性差異引起磁粉探傷時磁場異常,從而形成磁痕異常。

2)18Ni馬氏體發(fā)動機殼體材料存在合金元素Ti、Mo、Ni偏析,導致馬氏體相變點Ms、Mf降低,固溶處理后基體內(nèi)無規(guī)律存在較多殘余奧氏體。

3)通過時效處理,可以有效降低殘余奧氏體,減輕磁痕顯示。