和玉晓 杨江波 钟臻荣 吴 钦 卢启辉



调质态成型技术在超高强钢固体火箭发动机燃烧室壳体上的应用

和玉晓 杨江波 钟臻荣 吴 钦 卢启辉

（湖北三江航天江北机械工程有限公司，孝感 432000）

以某型号产品为例，通过产品的结构和工艺性分析，制定了合理的调质态成型工艺路线，摸索出了合理的调质态工艺参数，将调质态旋压、调质态焊接以及调质态铆接技术应用于该发动机壳体制造加工。产品加工后尺寸、性能满足了设计要求，为发动机壳体的制造提供了一种新型加工方法。

D406A超高强钢；调质态旋压；调质态焊接；调质态铆接；产品性能

1 引言

图1 壳体结构示意图

燃烧室壳体是火箭发动机的重要组成部件，一般采用超高强钢零部件经焊接、调质、机加而成[1]。本文研究的发动机壳体为典型的发动机壳体，如图1所示。某型号薄壁发动机壳体，采用D406A超高强钢加工而成，要求直线度、圆度等形位公差控制在1mm以内，最终热处理后基体抗拉强度要求≥1620MPa（48～52HRC），延伸率≥8%，焊接接头抗拉强度≥1490MPa，通过10MPa水压验收。

2 产品结构及工艺性分析

在传统的超高强度钢发动机壳体制造工艺中，工艺流程多为：分段筒体旋压→退火（热校形）→零部件焊接（氩弧焊或真空电子束焊接）→退火、X射线→整体热处理（淬火+回火）→机加。

该发动机壳体从结构上可分为两大部分：补燃室壳体和舱段。其中补燃室壳体部分由后机口、旋压圆筒、进气道窗口、封头组成，舱段由前机口、短圆筒以及内表面的加强筋组成。

a. 补燃室壳体的封头位于舱段内孔中，距离舱段端面较远，刀杆长度过长，加工困难，此外，在距离封头端面前端存在加强筋的干涉，刀具无法进入，因此最终壳体状态下封头的端面、内孔将无法加工，须在补燃室壳体状态将封头的最终状态直接加工到位。

b. 补燃室壳体进气道窗口的内外结构型面复杂，后端距离后机口的距离较远，前端封头内孔的直径较小，补燃室壳体焊接后进气道窗口的内型面将无法加工，壳体状态进气道内型面无法进行加工。

c. 舱段内孔部位存在7件加强筋，若采用焊接的方式联接，焊接、调质变形大，且有多处分布在封头与舱段的夹缝中，施焊困难。

由于该壳体复杂的结构特点，再加上薄壁发动机壳体焊后需经过多道高温热处理，薄壁筒段部位存在较大的变形且校形困难，传统的加工方案难以保证产品合格。因此，如何解决焊接调质变形以及封头端面、进气道窗口加工的结构限制，成为该壳体工艺方案设计的重点。

3 调质态成型技术

鉴于该壳体的结构特性和尺寸、性能要求，补燃室壳体和舱段分别在最终热处理状态将部分结构加工到最终尺寸再进行焊接，可良好解决产品进气道窗口内型面、封头无法加工的难题，即调质态成型技术：先对零件进行调质处理，然后在调质态进行焊接、铆接以及低温回火去应力，控制变形，提高精度。

3.1 调质态旋压

调质态旋压是一种利用冷作硬化原理的旋压加工技术，先对旋压圆筒轧环进行热处理预强化调质处理，然后通过旋压的冷作硬化效果将圆筒旋压成型，以达到圆筒强化的目的。

对调质态旋压而言，预调质硬度的控制是决定后续圆筒轧环旋压合格与否的关键，旋压前硬度过低，则冷作硬化后抗拉强度无法满足最终设计指标，若硬度过高，旋压时压下量控制困难，且容易开裂[2]。

根据目前D406A的热处理制度，调质后高温回火的温度是控制材料硬度的重要因素，为摸索旋压前预调质的合理硬度值及旋压参数，开展了调质态旋压工艺试验。

a. 考虑到调质材料变形的存在，预热处理调质前轧环毛坯内外留3mm余量；

b. 调质时保证淬火参数不变，改变回火温度，以控制旋压前轧环坯料的硬度值不同；

c. 旋压时采用三旋轮同步反向旋压，旋轮前角为25°、圆角半径8mm，轧环厚度12mm。分二道次旋压成形，第一道次采用大的进给比，使工件收径贴模，同时将壁厚旋至5mm左右，第二道次按工件型面旋至尺寸要求，旋压参数见表1。

试验后对旋压圆筒的硬度值和表观质量进行检测，具体试验结果如表2所示。

表1 二道次圆筒旋压参数表

表2 不同预处理后圆筒旋压情况对比

根据试验结果，预调质硬度为38～40HRC时旋压效果较好，圆筒最终硬度值能够满足设计指标。预调质强化的热处理制度为930℃保温50min后入油淬火，550℃保温50～60min后空冷。

3.2 调质态电子束焊接

电子束焊接是利用加速和聚焦的电子束流轰击焊件所产生的热能，使焊件熔化实现焊接的一种技术手段[3]，具有显著的深穿透效应，焊接线能小，尤其适用于本型号壳体的调质态焊接，焊后强度损失小。

为探究调质态焊接对壳体性能的影响，开展了D406A调质态焊接工艺试验。选择厚度3mm的406A调质态试片进行调质态焊接，焊后4h内低温回火，通过X射线检测焊缝内部质量以及焊缝拉伸、弯曲理化性能的检测，摸索合理的焊接工艺参数。

焊接时按照焊接制度，做好焊前清理，满足装配要求，真空度要求不大于5×10－2Pa，根据以往退火态电子束焊接参数定制的经验，调质态焊接工艺试验参数设置A、B、C三组，具体如表3所示。

表3 调质态电子束焊接工艺参数

焊后4h内进行低温回火消除焊接内应力，低温回火温度(290±10)℃，时间50～60min后空冷，每组理化性能进行3组，焊接后的无损检测及力学性能结果见表4。

表4 无损检测及力学性能表

由表4可以看出，采用调质态电子束焊接后，除A组试验的1组抗拉强度数据外，其余焊缝的抗拉强度都能满足1490MPa的设计要求，弯曲角也合格，这说明采用调质态电子束焊接的方法对强度的损耗较低，具有可行性。通过三组数据对比可以发现，B组抗拉强度稳定较好，且焊缝的表观质量和内部质量更佳，而其余两组参数的匹配程度或多或少都存在缺陷。因此，B组参数比较合理。

3.3 调质态铆接

铆接技术是一种利用轴向力将零件铆钉孔内钉杆镦粗并形成钉头，使多个零件相连接的方法，具有变形小、连接强度高的特点[4]，针对舱段加强筋焊接调质变形大问题，采用铆接的方法在舱段调质态进行联接。

铆接采用直径120°实芯沉头铆钉，标准号为GB/T 954—1986，材质为不锈钢1Cr18Ni9Ti，直径3mm。为保证铆接质量，采用双面埋的铆接方法，铆接窝开口角度90°，钉孔尺寸3.1mm，为间隙配合。铆钉长度凸出产品外表面3～5mm，以保证铆接杆能在铆钉窝内形成良好的铆成头。

为保证加强筋的铆接质量，设计专用的铆接工装，如图2所示。一方面对加强筋进行限位，另一方控制稳定铆头冲击位置，避免击伤产品表面。

图2 加强筋铆接结构示意图

4 产品性能

按照该工艺方法加工的壳体，直线度、圆度良好，能够满足≤1mm的要求，焊后经100%X射线无损检测满足GJB1718A—2005的I级要求，焊缝抗拉强度均在1490MPa以上，弯曲角25°无裂纹，图3为产品焊缝X射线检测底片。

后续生产的8台产品均合格，图3为选取的一件产品焊缝Ｘ射线检测底片。壳体进行水压试验，顺利通过10MPa水压验证。

图3 产品焊缝X射线检测底片

5 结束语

调质态成型技术作为一种新型的加工工艺方法，能够有效解决该型号产品加工中因为结构限制而无法加工某些部位的难题，直线度、圆度等形位公差上表现良好，产品性能满足设计要求，为发动机壳体的制造提供了一种新型加工方法。

1 魏江峰. 固体火箭发动机燃烧室壳体旋压坯料制造技术工艺技术研究[J]. 机械科学与技术，2009(8)：56～59

2 杨睿智. D406A细长筒形件旋压成形工艺研究[C]. 第十一届全国旋压技术交流会. 成都，2008

3 闫晓锋. 真空电子束焊接在我国航空机载设备上的应用及发展趋势[J]. 航空制造技术，2007(6)：90～10

4 罗子健，尚宝忠. 金属塑性加工理论与工艺[M]. 西安：西北工艺出版社，1994：97～98

Application of Quenched and Tempered Manufacturinh Technology in Combustion Chamber of Ultra-high Strength Steel Solid Rocket Motor

He Yuxiao Yang Jiangbo Zhong Zhenrong Wu Qin Lu Qihui

(Hubei Sanjiang Aerospace Jiangbei Mechanical Engineering Co. Ltd., Xiaogan 432000)

Taking a certain type of product as an example, through the analysis of its structure and process property, a reasonable process route was established, The reasonable process parameters were found out, and the spinning, welding and riveting techniques of the quenched and tempered state were applied to the manufacturing and processing of the solid rocket motor. The size and performance of the product meet the design requirements and provide a new processing method for the manufacturing of the solid rocket motor.

D406A；quenched spin；quenched welding；quenched riveting；product performance

2018-10-19

和玉晓（1988），硕士，材料加工工程专业；研究方向：固体火箭发动机壳体加工。