某型火箭弹射座椅燃气导管喇叭口裂纹故障分析

李明 冀兵 吴恒壮

摘要：某型飞机更换火箭弹射座椅救生弹药时，发现后舱火箭弹射座椅连接发散火箭的燃气导管接头喇叭口有多处裂纹。为了彻底查清燃气导管接头喇叭口开裂原因，对燃气导管接头喇叭口裂纹进行了深入分析，并提出了相关措施。

关键词：导管喇叭口；裂纹；故障分析

Keywords：conduit bell；crack；fault analysis

1 故障现象

某型飞机更换火箭弹射座椅救生弹药时，发现后舱火箭弹射座椅连接发散火箭的燃气导管接头喇叭口有多处裂纹。故障件燃气导管的材料为1Cr18Ni9Ti，对故障件进行外观检查发现，导管接头喇叭口边缘沿周向分布有数条长度不等的轴向短裂纹，所有裂纹均呈现内表面开裂长、外表面开裂短的特征；有些裂纹只开裂在内表面，尚未裂穿至外表面，其中最长一处裂纹沿喇叭口内表面长约0.5mm、沿外表面长约0.2mm（见图1和图2）；观察喇叭口和平管嘴内外侧，未见明显机械损伤。

2 导管功用及工作原理

故障件的燃气导管属于火箭弹射座椅的弹射操纵系统中部件。功用是与发散火箭相连接，当火箭弹射座椅弹射时，由弹药击发产生的高压燃气通过该燃气导管推动发散火箭击发机构工作，当达到前、后舱火箭弹射座椅弹射条件时，分别向左和向右发散，使其互不干扰。工作原理是：当座椅上升1450mm时，某型远距点火器工作，击发抛放弹药产生的高压燃气，一路推动火箭包的击发机构，火箭包的抛放弹药点火，点燃火箭包的火药柱，其推力使火箭弹射座椅继续上升达到必要的弹射高度；另一路同时击发抛放弹药，椅箭发散火箭工作，使座椅侧向发散。

3 故障分析

该燃气导管喇叭口开裂原因涉及材料本身和承受载荷两方面。承受载荷如果超出设计预期的非正常使用载荷或外加了异常载荷，会发生过载开裂；材料本身如果强度不够或存在材质缺陷，即使在正常载荷条件下也会发生过载开裂。

3.1 微观检查

将裂纹打开放在扫描电镜下观察断口，原始断口的微观特征主要为韧窝形貌，如图3～图5所示。在一些韧窝底部可以观察到连续分布的夹杂颗粒，用X射线能谱仪对夹杂颗粒进行分析，主要为TiN（氮化钛），如图6和表1所示。人为打开断口的韧窝也是沿轧制方向分布，韧窝底部也有连续分布的夹杂颗粒，且成分与裂纹断口上的夾杂颗粒相同。

3.2 金相检查

对导管轴向截面取样进行金相分析，材料组织为均匀分布的奥氏体，部分含孪晶。有较多沿轴向、平行分布的链状夹杂颗粒，如图7所示；高倍下观察夹杂颗粒呈多边形的金黄色块状颗粒，如图8所示。对其进行能谱分析，成分与断口韧窝底部的小颗粒相同。图9中的金黄色颗粒为TiN颗粒。

通过上述检验分析可知，导致导管开裂的主要原因是不锈钢化成分不合格，尤其是Cr、Ni含量偏低以及Ti在钢中未起到应有的作用。钢中加Ti的目的是为了抑制Cr、Fe在晶界上析出，消除钢的晶间腐蚀倾向，含Ti量一般不应大于0.8%，过多时会使钢出现铁元素体和产生TiN夹杂物。由于TiN的析出，使C无法与Ti结合或仅有少量结合，因此，C与Cr结合形成大量Cr的碳化物，大多数沿晶界析出，致使晶界与基体严重贫Cr，而晶界更易被腐蚀。另外，从图中可以看出TiN分布不均匀，少数分散分布，多数簇拥分布，TiN为脆性夹杂物，大面积集聚分布的TiN严重割裂了基体的连续性，成为基体断裂的起源。

3.3 失效性分析

燃气导管喇叭口的裂纹断口微观形貌与人为打开断口相似，均以韧窝形貌为主，且韧窝沿轧制方向分布，韧窝底部有连续分布的夹杂颗粒，可以判断喇叭口的开裂性质属于过载开裂，裂纹在微观上沿链状夹杂颗粒扩展。通过金相分析也能观察到沿轧制方向平行分布的链状TiN夹杂。TiN是一种硬脆相，且呈多边形棱角状，通常应离散分布于奥氏体基体内。如果TiN以链状聚集形态存在于奥氏体组织中，会降低不锈钢的塑性。当含有较多链状夹杂的导管受到周向力或发生周向变形时，容易产生轴向裂纹。2015年曾经发生过一起同型燃气导管喇叭口裂纹故障，与本文中的裂纹故障同属过载开裂，且燃气导管的材质中均含有较多的链状TiN夹杂。

同时，从燃气导管材料方面分析，有存在缺陷的可能。经向该型火箭弹射座椅设计制造单位咨询，了解到该公司外场服务部每年都会收到6～7起该故障的用户信息反馈，该公司分析认为导致裂纹的主要原因是其前期采购的1Cr18Ni9Ti导管存在夹渣较多等材料缺陷。从承修该型飞机的某厂技术部门了解到，该厂曾就该型火箭弹射座椅燃气导管裂纹问题咨询过制造厂，所获答复一致。以上咨询信息与失效分析结果相吻合。

进一步了解到，该型火箭弹射座椅设计制造单位于2008年更换了管材供应厂家，2012年又对燃气导管制造加工工艺进行了改进，因此2012年后生产的该型燃气导管质量有所提高。制造厂认为前期出厂的该型燃气导管不会影响火箭弹射座椅功能，无需更换，若出现裂纹故障将提供新件更换。由此可知，2015年发生裂纹故障的燃气导管和本次的故障导管都是2008年以前的产品，燃气导管材料存在缺陷。

3.4 承载及装配情况分析

从导管承受的载荷情况来分析，理论上存在正常载荷条件下发生导管喇叭口裂纹故障的可能。在设计时，为保证发散火箭接头和导管喇叭口有效贴合，发散火箭接头的设计角度为74°± 30′，导管接头喇叭口内壁的设计角度为74°0 2°，在正常拧紧力矩（14.7～ 23.5N·m）的作用下，连接螺母通过平管嘴压紧导管喇叭口和发散火箭接头，由于导管喇叭口角度小于发散火箭接头角度，使得导管喇叭口前缘存在一个正常的周向拉应力，在导管材质存在缺陷的情况下很可能产生小裂纹等故障现象。

如果拧紧力矩超出规定范围，发散火箭接头和导管喇叭口之间的挤压力会增大，由于此时正常拧紧力矩已经使发散火箭接头和导管喇叭口之间充分接触，导管喇叭口角度变化产生的拉应力不会增加，继续发生裂纹的条件则不具备。另外，导管喇叭口管壁的塑性变形也会产生新的拉应力，可能导致导管喇叭口裂纹，对故障管进行外观检查，未发现导管喇叭口有变形和损伤现象，且工厂修理时拧紧力矩也控制在要求范围内。因此，排除导管喇叭口管壁被挤压发生塑性变形导致裂纹的可能性。

4 分析结论

针对原机导管喇叭口安装后产生裂纹的问题，根据以上分析及结合设计制造单位反馈和工厂大修等情况，综合分析认为该起火箭弹射座椅燃气导管喇叭口裂纹故障源于导管材质中有较多的链状TiN夹杂，因TiN脆性大，造成导管的塑性和强度降低，导致装机导管喇叭口在正常周向拉应力下产生开裂现象。

5 建议措施

1）修理时加强对火箭弹射座椅燃气导管喇叭口的检查并注意防护；

2）对制造厂2008年以前产品的导管喇叭口进行拧紧力矩偏上值的检查，发现问题及时更换新导管；

3）建议用户结合日常维护工作，加强对该部位的检查，及时发现故障隐患。

参考文献

[1]陈睿，刘静，庞于思. 1Cr18Ni-9Ti不锈钢晶间腐蚀试验研究[J]. 河南冶金， 2006，14（4）.

[2]那忠凯.某型飞机军械设备与维护（第二分册）[Z]. 2006-3.