某型火箭彈射座椅燃氣導管喇叭口裂紋故障分析

李明 冀兵 吳恒壯

摘要：某型飛機更換火箭彈射座椅救生彈藥時，發(fā)現(xiàn)后艙火箭彈射座椅連接發(fā)散火箭的燃氣導管接頭喇叭口有多處裂紋。為了徹底查清燃氣導管接頭喇叭口開裂原因，對燃氣導管接頭喇叭口裂紋進行了深入分析，并提出了相關措施。

關鍵詞：導管喇叭口；裂紋；故障分析

Keywords：conduit bell；crack；fault analysis

1 故障現(xiàn)象

某型飛機更換火箭彈射座椅救生彈藥時，發(fā)現(xiàn)后艙火箭彈射座椅連接發(fā)散火箭的燃氣導管接頭喇叭口有多處裂紋。故障件燃氣導管的材料為1Cr18Ni9Ti，對故障件進行外觀檢查發(fā)現(xiàn)，導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)內表面開裂長、外表面開裂短的特征；有些裂紋只開裂在內表面，尚未裂穿至外表面，其中最長一處裂紋沿喇叭口內表面長約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外側，未見明顯機械損傷。

2 導管功用及工作原理

故障件的燃氣導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，當火箭彈射座椅彈射時，由彈藥擊發(fā)產生的高壓燃氣通過該燃氣導管推動發(fā)散火箭擊發(fā)機構工作，當達到前、后艙火箭彈射座椅彈射條件時，分別向左和向右發(fā)散，使其互不干擾。工作原理是：當座椅上升1450mm時，某型遠距點火器工作，擊發(fā)拋放彈藥產生的高壓燃氣，一路推動火箭包的擊發(fā)機構，火箭包的拋放彈藥點火，點燃火箭包的火藥柱，其推力使火箭彈射座椅繼續(xù)上升達到必要的彈射高度；另一路同時擊發(fā)拋放彈藥，椅箭發(fā)散火箭工作，使座椅側向發(fā)散。

3 故障分析

該燃氣導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計預期的非正常使用載荷或外加了異常載荷，會發(fā)生過載開裂；材料本身如果強度不夠或存在材質缺陷，即使在正常載荷條件下也會發(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射線能譜儀對夾雜顆粒進行分析，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

對導管軸向截面取樣進行金相分析，材料組織為均勻分布的奧氏體，部分含孿晶。有較多沿軸向、平行分布的鏈狀夾雜顆粒，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。對其進行能譜分析，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。

通過上述檢驗分析可知，導致導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量一般不應大于0.8%，過多時會使鋼出現(xiàn)鐵元素體和產生TiN夾雜物。由于TiN的析出，使C無法與Ti結合或僅有少量結合，因此，C與Cr結合形成大量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)簇擁分布，TiN為脆性夾雜物，大面積集聚分布的TiN嚴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

燃氣導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屬于過載開裂，裂紋在微觀上沿鏈狀夾雜顆粒擴展。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，通常應離散分布于奧氏體基體內。如果TiN以鏈狀聚集形態(tài)存在于奧氏體組織中，會降低不銹鋼的塑性。當含有較多鏈狀夾雜的導管受到周向力或發(fā)生周向變形時，容易產生軸向裂紋。2015年曾經發(fā)生過一起同型燃氣導管喇叭口裂紋故障，與本文中的裂紋故障同屬過載開裂，且燃氣導管的材質中均含有較多的鏈狀TiN夾雜。

同時，從燃氣導管材料方面分析，有存在缺陷的可能。經向該型火箭彈射座椅設計制造單位咨詢，了解到該公司外場服務部每年都會收到6～7起該故障的用戶信息反饋，該公司分析認為導致裂紋的主要原因是其前期采購的1Cr18Ni9Ti導管存在夾渣較多等材料缺陷。從承修該型飛機的某廠技術部門了解到，該廠曾就該型火箭彈射座椅燃氣導管裂紋問題咨詢過制造廠，所獲答復一致。以上咨詢信息與失效分析結果相吻合。

進一步了解到，該型火箭彈射座椅設計制造單位于2008年更換了管材供應廠家，2012年又對燃氣導管制造加工工藝進行了改進，因此2012年后生產的該型燃氣導管質量有所提高。制造廠認為前期出廠的該型燃氣導管不會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)生裂紋故障的燃氣導管和本次的故障導管都是2008年以前的產品，燃氣導管材料存在缺陷。

3.4 承載及裝配情況分析

從導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)生導管喇叭口裂紋故障的可能。在設計時，為保證發(fā)散火箭接頭和導管喇叭口有效貼合，發(fā)散火箭接頭的設計角度為74°± 30′，導管接頭喇叭口內壁的設計角度為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管喇叭口和發(fā)散火箭接頭，由于導管喇叭口角度小于發(fā)散火箭接頭角度，使得導管喇叭口前緣存在一個正常的周向拉應力，在導管材質存在缺陷的情況下很可能產生小裂紋等故障現(xiàn)象。

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

4 分析結論

針對原機導管喇叭口安裝后產生裂紋的問題，根據以上分析及結合設計制造單位反饋和工廠大修等情況，綜合分析認為該起火箭彈射座椅燃氣導管喇叭口裂紋故障源于導管材質中有較多的鏈狀TiN夾雜，因TiN脆性大，造成導管的塑性和強度降低，導致裝機導管喇叭口在正常周向拉應力下產生開裂現(xiàn)象。

5 建議措施

1）修理時加強對火箭彈射座椅燃氣導管喇叭口的檢查并注意防護；

2）對制造廠2008年以前產品的導管喇叭口進行擰緊力矩偏上值的檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時更換新導管；

3）建議用戶結合日常維護工作，加強對該部位的檢查，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患。

參考文獻

[1]陳睿，劉靜，龐于思. 1Cr18Ni-9Ti不銹鋼晶間腐蝕試驗研究[J]. 河南冶金， 2006，14（4）.

[2]那忠凱.某型飛機軍械設備與維護（第二分冊）[Z]. 2006-3.