某型火箭彈射座椅燃?xì)鈱?dǎo)管喇叭口裂紋故障分析

李明 冀兵 吳恒壯

摘要：某型飛機(jī)更換火箭彈射座椅救生彈藥時(shí)，發(fā)現(xiàn)后艙火箭彈射座椅連接發(fā)散火箭的燃?xì)鈱?dǎo)管接頭喇叭口有多處裂紋。為了徹底查清燃?xì)鈱?dǎo)管接頭喇叭口開裂原因，對(duì)燃?xì)鈱?dǎo)管接頭喇叭口裂紋進(jìn)行了深入分析，并提出了相關(guān)措施。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)管喇叭口；裂紋；故障分析

Keywords：conduit bell；crack；fault analysis

1 故障現(xiàn)象

某型飛機(jī)更換火箭彈射座椅救生彈藥時(shí)，發(fā)現(xiàn)后艙火箭彈射座椅連接發(fā)散火箭的燃?xì)鈱?dǎo)管接頭喇叭口有多處裂紋。故障件燃?xì)鈱?dǎo)管的材料為1Cr18Ni9Ti，對(duì)故障件進(jìn)行外觀檢查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)管接頭喇叭口邊緣沿周向分布有數(shù)條長度不等的軸向短裂紋，所有裂紋均呈現(xiàn)內(nèi)表面開裂長、外表面開裂短的特征；有些裂紋只開裂在內(nèi)表面，尚未裂穿至外表面，其中最長一處裂紋沿喇叭口內(nèi)表面長約0.5mm、沿外表面長約0.2mm（見圖1和圖2）；觀察喇叭口和平管嘴內(nèi)外側(cè)，未見明顯機(jī)械損傷。

2 導(dǎo)管功用及工作原理

故障件的燃?xì)鈱?dǎo)管屬于火箭彈射座椅的彈射操縱系統(tǒng)中部件。功用是與發(fā)散火箭相連接，當(dāng)火箭彈射座椅彈射時(shí)，由彈藥擊發(fā)產(chǎn)生的高壓燃?xì)馔ㄟ^該燃?xì)鈱?dǎo)管推動(dòng)發(fā)散火箭擊發(fā)機(jī)構(gòu)工作，當(dāng)達(dá)到前、后艙火箭彈射座椅彈射條件時(shí)，分別向左和向右發(fā)散，使其互不干擾。工作原理是：當(dāng)座椅上升1450mm時(shí)，某型遠(yuǎn)距點(diǎn)火器工作，擊發(fā)拋放彈藥產(chǎn)生的高壓燃?xì)猓宦吠苿?dòng)火箭包的擊發(fā)機(jī)構(gòu)，火箭包的拋放彈藥點(diǎn)火，點(diǎn)燃火箭包的火藥柱，其推力使火箭彈射座椅繼續(xù)上升達(dá)到必要的彈射高度；另一路同時(shí)擊發(fā)拋放彈藥，椅箭發(fā)散火箭工作，使座椅側(cè)向發(fā)散。

3 故障分析

該燃?xì)鈱?dǎo)管喇叭口開裂原因涉及材料本身和承受載荷兩方面。承受載荷如果超出設(shè)計(jì)預(yù)期的非正常使用載荷或外加了異常載荷，會(huì)發(fā)生過載開裂；材料本身如果強(qiáng)度不夠或存在材質(zhì)缺陷，即使在正常載荷條件下也會(huì)發(fā)生過載開裂。

3.1 微觀檢查

將裂紋打開放在掃描電鏡下觀察斷口，原始斷口的微觀特征主要為韌窩形貌，如圖3～圖5所示。在一些韌窩底部可以觀察到連續(xù)分布的夾雜顆粒，用X射線能譜儀對(duì)夾雜顆粒進(jìn)行分析，主要為TiN（氮化鈦），如圖6和表1所示。人為打開斷口的韌窩也是沿軋制方向分布，韌窩底部也有連續(xù)分布的夾雜顆粒，且成分與裂紋斷口上的夾雜顆粒相同。

3.2 金相檢查

對(duì)導(dǎo)管軸向截面取樣進(jìn)行金相分析，材料組織為均勻分布的奧氏體，部分含孿晶。有較多沿軸向、平行分布的鏈狀?yuàn)A雜顆粒，如圖7所示；高倍下觀察夾雜顆粒呈多邊形的金黃色塊狀顆粒，如圖8所示。對(duì)其進(jìn)行能譜分析，成分與斷口韌窩底部的小顆粒相同。圖9中的金黃色顆粒為TiN顆粒。

通過上述檢驗(yàn)分析可知，導(dǎo)致導(dǎo)管開裂的主要原因是不銹鋼化成分不合格，尤其是Cr、Ni含量偏低以及Ti在鋼中未起到應(yīng)有的作用。鋼中加Ti的目的是為了抑制Cr、Fe在晶界上析出，消除鋼的晶間腐蝕傾向，含Ti量一般不應(yīng)大于0.8%，過多時(shí)會(huì)使鋼出現(xiàn)鐵元素體和產(chǎn)生TiN夾雜物。由于TiN的析出，使C無法與Ti結(jié)合或僅有少量結(jié)合，因此，C與Cr結(jié)合形成大量Cr的碳化物，大多數(shù)沿晶界析出，致使晶界與基體嚴(yán)重貧Cr，而晶界更易被腐蝕。另外，從圖中可以看出TiN分布不均勻，少數(shù)分散分布，多數(shù)簇?fù)矸植?，TiN為脆性夾雜物，大面積集聚分布的TiN嚴(yán)重割裂了基體的連續(xù)性，成為基體斷裂的起源。

3.3 失效性分析

燃?xì)鈱?dǎo)管喇叭口的裂紋斷口微觀形貌與人為打開斷口相似，均以韌窩形貌為主，且韌窩沿軋制方向分布，韌窩底部有連續(xù)分布的夾雜顆粒，可以判斷喇叭口的開裂性質(zhì)屬于過載開裂，裂紋在微觀上沿鏈狀?yuàn)A雜顆粒擴(kuò)展。通過金相分析也能觀察到沿軋制方向平行分布的鏈狀TiN夾雜。TiN是一種硬脆相，且呈多邊形棱角狀，通常應(yīng)離散分布于奧氏體基體內(nèi)。如果TiN以鏈狀聚集形態(tài)存在于奧氏體組織中，會(huì)降低不銹鋼的塑性。當(dāng)含有較多鏈狀?yuàn)A雜的導(dǎo)管受到周向力或發(fā)生周向變形時(shí)，容易產(chǎn)生軸向裂紋。2015年曾經(jīng)發(fā)生過一起同型燃?xì)鈱?dǎo)管喇叭口裂紋故障，與本文中的裂紋故障同屬過載開裂，且燃?xì)鈱?dǎo)管的材質(zhì)中均含有較多的鏈狀TiN夾雜。

同時(shí)，從燃?xì)鈱?dǎo)管材料方面分析，有存在缺陷的可能。經(jīng)向該型火箭彈射座椅設(shè)計(jì)制造單位咨詢，了解到該公司外場服務(wù)部每年都會(huì)收到6～7起該故障的用戶信息反饋，該公司分析認(rèn)為導(dǎo)致裂紋的主要原因是其前期采購的1Cr18Ni9Ti導(dǎo)管存在夾渣較多等材料缺陷。從承修該型飛機(jī)的某廠技術(shù)部門了解到，該廠曾就該型火箭彈射座椅燃?xì)鈱?dǎo)管裂紋問題咨詢過制造廠，所獲答復(fù)一致。以上咨詢信息與失效分析結(jié)果相吻合。

進(jìn)一步了解到，該型火箭彈射座椅設(shè)計(jì)制造單位于2008年更換了管材供應(yīng)廠家，2012年又對(duì)燃?xì)鈱?dǎo)管制造加工工藝進(jìn)行了改進(jìn)，因此2012年后生產(chǎn)的該型燃?xì)鈱?dǎo)管質(zhì)量有所提高。制造廠認(rèn)為前期出廠的該型燃?xì)鈱?dǎo)管不會(huì)影響火箭彈射座椅功能，無需更換，若出現(xiàn)裂紋故障將提供新件更換。由此可知，2015年發(fā)生裂紋故障的燃?xì)鈱?dǎo)管和本次的故障導(dǎo)管都是2008年以前的產(chǎn)品，燃?xì)鈱?dǎo)管材料存在缺陷。

3.4 承載及裝配情況分析

從導(dǎo)管承受的載荷情況來分析，理論上存在正常載荷條件下發(fā)生導(dǎo)管喇叭口裂紋故障的可能。在設(shè)計(jì)時(shí)，為保證發(fā)散火箭接頭和導(dǎo)管喇叭口有效貼合，發(fā)散火箭接頭的設(shè)計(jì)角度為74°± 30′，導(dǎo)管接頭喇叭口內(nèi)壁的設(shè)計(jì)角度為74°0 2°，在正常擰緊力矩（14.7～ 23.5N·m）的作用下，連接螺母通過平管嘴壓緊導(dǎo)管喇叭口和發(fā)散火箭接頭，由于導(dǎo)管喇叭口角度小于發(fā)散火箭接頭角度，使得導(dǎo)管喇叭口前緣存在一個(gè)正常的周向拉應(yīng)力，在導(dǎo)管材質(zhì)存在缺陷的情況下很可能產(chǎn)生小裂紋等故障現(xiàn)象。

如果擰緊力矩超出規(guī)定范圍，發(fā)散火箭接頭和導(dǎo)管喇叭口之間的擠壓力會(huì)增大，由于此時(shí)正常擰緊力矩已經(jīng)使發(fā)散火箭接頭和導(dǎo)管喇叭口之間充分接觸，導(dǎo)管喇叭口角度變化產(chǎn)生的拉應(yīng)力不會(huì)增加，繼續(xù)發(fā)生裂紋的條件則不具備。另外，導(dǎo)管喇叭口管壁的塑性變形也會(huì)產(chǎn)生新的拉應(yīng)力，可能導(dǎo)致導(dǎo)管喇叭口裂紋，對(duì)故障管進(jìn)行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管喇叭口有變形和損傷現(xiàn)象，且工廠修理時(shí)擰緊力矩也控制在要求范圍內(nèi)。因此，排除導(dǎo)管喇叭口管壁被擠壓發(fā)生塑性變形導(dǎo)致裂紋的可能性。

4 分析結(jié)論

針對(duì)原機(jī)導(dǎo)管喇叭口安裝后產(chǎn)生裂紋的問題，根據(jù)以上分析及結(jié)合設(shè)計(jì)制造單位反饋和工廠大修等情況，綜合分析認(rèn)為該起火箭彈射座椅燃?xì)鈱?dǎo)管喇叭口裂紋故障源于導(dǎo)管材質(zhì)中有較多的鏈狀TiN夾雜，因TiN脆性大，造成導(dǎo)管的塑性和強(qiáng)度降低，導(dǎo)致裝機(jī)導(dǎo)管喇叭口在正常周向拉應(yīng)力下產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。

5 建議措施

1）修理時(shí)加強(qiáng)對(duì)火箭彈射座椅燃?xì)鈱?dǎo)管喇叭口的檢查并注意防護(hù)；

2）對(duì)制造廠2008年以前產(chǎn)品的導(dǎo)管喇叭口進(jìn)行擰緊力矩偏上值的檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)更換新導(dǎo)管；

3）建議用戶結(jié)合日常維護(hù)工作，加強(qiáng)對(duì)該部位的檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患。

參考文獻(xiàn)

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