王東方，劉超鋒，陳少斌，張 鵬，梁防偉

(西安航天發(fā)動機(jī)有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

某型號發(fā)動機(jī)推力室收擴(kuò)段采用再生冷卻方式，收擴(kuò)段由內(nèi)壁和外壁組成，內(nèi)壁外側(cè)銑槽，與外壁釬焊后形成介質(zhì)的夾層冷卻通道。釬焊縫分布在內(nèi)壁筋條與外壁內(nèi)型面的貼合面上。如果內(nèi)、外壁貼合間隙過大或者貼合間隙不均勻，易導(dǎo)致內(nèi)壁筋條與外壁內(nèi)型面釬焊縫存在不致密或局部未焊上等問題，在產(chǎn)品使用過程中可能導(dǎo)致冷卻通道承壓能力不足，內(nèi)壁局部出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，破壞收擴(kuò)段的再生冷卻通道，導(dǎo)致內(nèi)壁的內(nèi)表面局部冷卻效果不良，經(jīng)過復(fù)雜的力熱環(huán)境時，出現(xiàn)燒蝕甚至爆炸等嚴(yán)重質(zhì)量事故。

筆者針對收擴(kuò)段釬焊工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，通過優(yōu)化外壁機(jī)加工藝流程，釬焊料用量、釬焊溫度及保溫時間，解決了收擴(kuò)段外壁復(fù)雜曲面機(jī)加后變形和收擴(kuò)段釬焊縫質(zhì)量問題。同時，釬焊縫連接強度得到極大提升，提高了發(fā)動機(jī)工作的可靠性。

1 收擴(kuò)段生產(chǎn)流程及問題分析

1.1 釬焊工藝

某型號發(fā)動機(jī)推力室收擴(kuò)段內(nèi)壁材料為1Cr18Ni9Ti，車加工內(nèi)外型面，加工中心銑螺旋槽。外壁材料為1Cr21Ni5Ti，車加工內(nèi)外型面，收擴(kuò)段結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。采用錳基釬料(BMn70NiCrSe)進(jìn)行釬焊，將內(nèi)、外壁連接成整體，并形成冷卻通道，釬料化學(xué)成分見表1所列。收擴(kuò)段的連接強度主要取決于內(nèi)、外壁的釬焊質(zhì)量，主要影響因素包括：釬焊過程內(nèi)壁與外壁貼合情況、釬焊料用量、釬焊工藝參數(shù)等。收擴(kuò)段主要釬焊工藝流程圖如圖2所示。收擴(kuò)段采用箱式釬焊爐進(jìn)行釬焊，釬焊溫度為1 130 ℃，保溫時間為15 min。

圖1 收擴(kuò)段結(jié)構(gòu)示意圖

表1 錳基釬料的化學(xué)成分

圖2 收擴(kuò)段釬焊工藝流程圖

1.2 收擴(kuò)段生產(chǎn)過程存在問題及分析

對收擴(kuò)段進(jìn)行爆破試驗，爆破壓力值為50 MPa，喉部產(chǎn)生鼓包。對收擴(kuò)段進(jìn)行理化分析，喉部鼓包處可見明顯的未釬上現(xiàn)象，筋條與外壁間隙為0.4 mm，如圖3所示。喉部其它位置經(jīng)金相腐蝕后，釬焊縫寬度為0.18 mm，釬焊縫較寬，且釬焊縫釬腳不飽滿，如圖4所示。對釬焊縫進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示錳(Mn)含量均處于50%水平，遠(yuǎn)超過正常釬焊縫斷口錳含量，釬焊縫中心存在釬料擴(kuò)散不充分現(xiàn)象，如圖5所示。

圖3 喉部未釬上合形貌 圖4 喉部釬焊縫形貌

圖5 喉部釬接面斷口能譜譜線

根據(jù)理化分析可知，目前收擴(kuò)段釬焊存在的主要問題：①喉部存在局部未釬上問題；②釬焊縫較寬問題；③釬焊縫釬腳不飽滿；④釬焊縫中心釬料擴(kuò)散不充分。

1.2.1 喉部局部未釬上和釬焊縫較寬分析

釬焊間隙的大小影響釬料的毛細(xì)填縫過程、釬料與母材相互作用的程度以及母材對釬焊縫合金層受力時塑性流動過程等[1]。當(dāng)釬焊縫間隙較小時，毛細(xì)作用較強，釬焊縫中元素擴(kuò)散充分，釬料凝固時形成組織均勻的釬縫。當(dāng)釬焊縫間隙偏大時，毛細(xì)作用減弱甚至消失，擴(kuò)散不能充分進(jìn)行，從而在釬縫中形成一些片狀或板狀的脆性物，引起釬縫脆性，使釬焊接頭的強度急劇下降[2]。

根據(jù)理化結(jié)果，收擴(kuò)段喉部存在局部未釬上和釬焊縫較寬現(xiàn)象，說明收擴(kuò)段內(nèi)外壁局部貼合不良，認(rèn)為由于收擴(kuò)段外壁機(jī)加工藝流程不合理導(dǎo)致。目前機(jī)加方案是收擴(kuò)段外壁車加工到位后，沿軸線對收擴(kuò)段進(jìn)行整體線切割，將外壁分割為完全對稱的兩部分。由于機(jī)加工過程中的加工應(yīng)力在外壁進(jìn)行線切割時產(chǎn)生了釋放，外壁型面發(fā)生局部變形，導(dǎo)致內(nèi)外壁局部貼合不良，局部釬焊間隙較大，收擴(kuò)段喉部存在局部未釬上和釬焊縫較寬。

1.2.2 喉部釬焊縫釬腳不飽滿分析

釬焊料用量影響釬焊角的形成。釬焊料用量合適時，筋條邊緣形成釬角，提高了釬焊縫的承力面積，減小了釬焊縫根部的應(yīng)力集中，提高釬焊縫的承載能力。當(dāng)釬焊料用量較少時，釬角較小或沒有形成釬角，影響釬焊縫的整體強度[3]。

根據(jù)理化結(jié)果，收擴(kuò)段喉部存在釬焊縫釬腳不飽滿現(xiàn)象，說明收擴(kuò)段喉部位置釬料較少，釬焊時，無法形成釬角，進(jìn)而影響收擴(kuò)段釬焊縫的強度。

1.2.3 喉部釬焊縫中釬料擴(kuò)散不充分分析

釬焊溫度和保溫時間是釬焊工藝的關(guān)鍵參數(shù)。在釬焊溫度下，釬料熔化后在毛細(xì)作用下填滿接頭間隙。釬焊保溫時間是釬料填充間隙和控制合金化的重要階段。合適的釬焊溫度和保溫時間，可以使釬料元素擴(kuò)散更充分，有利于釬縫強度的提高[4-5]。

通過理化分析發(fā)現(xiàn)，收擴(kuò)段喉部釬焊縫中心釬料擴(kuò)散不充分現(xiàn)象，表明收擴(kuò)段釬焊參數(shù)規(guī)范相對偏弱，釬料擴(kuò)散不充分，影響釬焊縫的強度。

2 收擴(kuò)段釬焊工藝優(yōu)化研究

2.1 收擴(kuò)段外壁加工工藝流程優(yōu)化

為減小加工過程對外壁產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，對外壁加工工藝流程進(jìn)行優(yōu)化。具體方法為采用粗加工內(nèi)外型面，然后線切割兩半進(jìn)行應(yīng)力釋放，再次定位焊外壁，精加工外壁，加工完成后再把外壁分開的方案，代替原有精加工型面，然后線切割的方式生產(chǎn)收擴(kuò)段外壁。將加工分為粗加工和精加工，線切割流程安排在粗加工后，提前釋放加工應(yīng)力然后再精加工保證產(chǎn)品型面。

2.2 增加喉部釬料用量

由于內(nèi)壁為螺旋槽結(jié)構(gòu)，且筋條較窄，無法在筋條上布置釬料。在外壁內(nèi)側(cè)周向布置釬焊料。為解決收擴(kuò)段喉部存在釬焊縫釬腳不飽滿問題，在原有釬料布置基礎(chǔ)上，對喉部下方增加一條2 mm寬的釬焊料，具體如圖6所示。

圖6 收擴(kuò)段增加釬料示意圖

2.3 釬焊參數(shù)優(yōu)化

采用單因素試驗的方法針對不同的釬焊工藝參數(shù)(主要為釬焊溫度和保溫時間)，開展了模盒釬焊試驗并進(jìn)行爆破，模盒示意圖如圖7所示，不同釬焊工藝參數(shù)下的爆破壓力如表2所列。

圖7 模盒外觀

表2 不同釬焊工藝參數(shù)下的爆破壓力

試驗結(jié)果表明：①隨著釬焊溫度的提高，釬焊縫強度提高，但溫度達(dá)到1 180 ℃以后，釬焊縫強度基本無顯著差異。而當(dāng)溫度進(jìn)一步提高至1 200 ℃以后，釬焊縫的強度顯著下降；②隨著釬焊料在高溫下的停留時間增加，釬焊強度有一定的提高，但釬焊料高溫停留時間太長，可能會導(dǎo)致釬焊料過度揮發(fā)以及母材晶粒長大等問題，釬焊強度降低。

為提高釬焊質(zhì)量，優(yōu)化釬焊溫度、保溫時間，避免溫度過高、時間過長所帶來的風(fēng)險，釬焊溫度由1 130 ℃增加到1 180 ℃，保溫時間從15 min延長至25 min。

2.4 試驗結(jié)果與討論

2.4.1 內(nèi)外壁貼合情況

收擴(kuò)段內(nèi)外壁采用白堊粉檢查內(nèi)外壁貼合間隙。外壁加工流程優(yōu)化后，收擴(kuò)段內(nèi)外壁貼合有了明顯提高，不存在不貼合的區(qū)域，解決了外壁加工變形的問題。改進(jìn)前后貼合檢查效果對比如圖8所示。

圖8 收擴(kuò)段外壁加工流程優(yōu)化前后內(nèi)外壁貼合效果對比

2.4.2 無損檢查情況

根據(jù)優(yōu)化后的措施進(jìn)行了產(chǎn)品釬焊試驗，釬焊后進(jìn)行了X光檢查，冷卻通道無堵塞。對收擴(kuò)段喉部進(jìn)行了CT檢測，未發(fā)現(xiàn)未釬上現(xiàn)象。無損檢測為合格產(chǎn)品。

2.4.3 理化分析情況

對收擴(kuò)段進(jìn)行了爆破壓力試驗，加壓至80 MPa，未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品有爆破現(xiàn)象。釬焊縫連接強度極大提升。

對收擴(kuò)段釬焊質(zhì)量進(jìn)行理化分析。喉部釬焊縫釬接良好，釬焊縫寬度為0.05 mm，釬焊縫存在釬角且比較飽滿。對釬焊縫進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示錳(Mn)含量均處于22.1%水平，為正常釬焊縫斷口錳含量，釬焊縫中心釬料擴(kuò)散較為充分，具體如圖9所示。

圖9 收擴(kuò)段喉部釬焊縫形貌和人工斷口形貌

3 結(jié) 語

對某型號推力室收擴(kuò)段釬焊過在的問題進(jìn)行了

分析，通過優(yōu)化外壁機(jī)加工藝流程，釬焊料用量、釬焊溫度及保溫時間，進(jìn)行了相應(yīng)試驗。結(jié)果表明：收擴(kuò)段外壁機(jī)加變形得到有效控制，釬焊縫寬度變小，釬焊縫釬接良好，釬焊縫釬腳飽滿，釬焊縫中心釬料擴(kuò)散充分，無損檢測合格，釬焊縫連接強度極大提升，進(jìn)一步加強了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了發(fā)動機(jī)工作的可靠性，并成功經(jīng)過飛行考核。