低温环境下电作动器壳体破口失效机理研究

王科伟，杨正才，王海军，付一鸣，习渭锋，崔 琴



低温环境下电作动器壳体破口失效机理研究

王科伟，杨正才，王海军，付一鸣，习渭锋，崔 琴

（北方特种能源集团西安庆华公司，陕西 西安，710025）

针对0Cr17Ni4Cu4Nb材料作为电作动器的壳体在低温环境下作用后出现破口失效问题，通过试验研究了经过不同热处理条件的0Cr17Ni4Cu4Nb材料低温环境下承受火药爆炸能力，得到了该材料在低温环境下承力能力出现减小时的临界温度；通过扫描电镜分析了壳体低温断裂形貌，分析和验证了低温环境下作动器壳体破口失效机理，研究表明材料热处理时效温度是主要影响因素。本研究可为小型高强度收口结构的电作动器设计提供参考。

电作动器；0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢；壳体；热处理；失效

电作动器是一种以火工药剂爆炸产生气体和爆轰能量实现输出的作动类火工装置，具有体积小、重量轻、做功迅速等特点，能够实现多种预定功能，是弹药引信安全系统中的关键部件[1-2]。不锈钢材料0Cr17Ni4Cu4Nb是一种综合性能优良的沉淀硬化型马氏体不锈钢，其强度高（σ≥1 300MPa）[3]，是电作动器壳体常用材料，但以该材料作为壳体的电作动器在低温环境下易出现壳体破口失效问题。关于该材料在不同时效温度、不同固溶温度、冷却方式等工艺条件下的性能很多人进行了研究[4-7]，但对该材料作为电作动器的壳体材料，在低温环境下药剂爆炸作用后结构是否能保持完整，以及壳体出现破口的机理等方面未见相关研究。本文研究了在不同热处理条件下的0Cr17Ni4Cu4Nb材料作为壳体在低温环境下承受火药爆炸的能力，得到了该材料低温环境下承力能力出现减小时的临界温度，研究了破口失效机理。

1 电作动器结构组成与工作原理

所研究的电作动器结构简图如图1所示，该电作动器的工作过程为电作动器通电发火，内部产生的高压高温气体膨胀，剪断螺杆端部薄弱环节，推动螺杆向前运动至一定行程并止动，完成推冲功能。

图1 电作动器结构简图

2 实验

2.1 样品准备

电作动器尺寸为φ6mm×10mm，要求活塞运动行程大于4.0mm，选用综合性能优良的沉淀硬化型马氏体不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb材料作为管壳材料。该材料力学性能与热处理条件参数关系见表1。

表1 0Cr17Ni4Cu4Nb热处理条件与性能关系[3]

Tab.1 Relation between heat treatment conditions and properties of 0Cr17Ni4Cu4Nb

药剂采用火焰感度好、威力适中的点火药，其主要成分为：PbCrO4、KClO3、Pb(CNS)2，药量5.5～6.5mg。电极塞采用AL2O3烧结而成。为了考察不同热处理条件下的0Cr17Ni4Cu4Nb材料承受火药爆炸的能力，设计了在2种时效温度的热处理条件下的0Cr17Ni4Cu4Nb材料作为电作动器的壳体材料，其热处理条件及性能测试结果见表2所示。壳体采用收口方式实现销杆、电极塞的固定。

试验在P711低温恒温恒湿试验箱中进行，发火能量通过延长线在试验箱外部施加。

2.2 试验条件及试验项目

2.2.1 不同高温条件下的结构及功能试验

通过正常使用温度和1.2倍使用温度条件下的大药量试验，验证高温对结构完整性的影响。

2.2.2 不同低温条件下的结构及功能试验

在不同温度梯度条件下，进行正常药量条件下的低温试验，验证低温环境对产品结构完整性的影响。

表2 管壳热处理条件及性能测试结果

Tab.2 Heat treatment conditions and performance test results of shell

2.2.3 不同收口方式的结构及功能试验

当低温环境下出现壳体开裂时，对A类、B类材料状态在低温极限条件下采用正交试验法进行试验，验证是否存在收口导致应力集中。

具体试验方案见表3。

表3 电作动器试验条件

Tab.3 Test parameters of electric actuator

3 试验结果及分析

3.1 高温条件下试验结果及分析

A类、B类热处理条件下产品的高温试验结果如图2、表4所示。

图2 两种状态下的电作动器高温试验照片

从图2和表4可以看出，两种热处理状态的壳体在50℃、60℃的高温条件下，药量5.5～6.0 mg、7.5～8.0mg时电作动器作用后结构完整。说明温度不超过60℃时，A类、B类壳体强度均能承受药剂爆炸后产生的冲击，且有较大温度、爆炸冲击裕度。

表4 电作动器高温试验结果

Tab.4 High temperature test result of electric actuator

3.2 低温条件下试验结果分析

A类、B类热处理条件下产品的低温试验结果如图3、表5所示。从表5、图3可以看出，A类壳体在正常药量5.5～6.0mg条件下，在-35℃开始出现大量壳体开裂；B类壳体正常药量5.5～6.0mg条件下，在-50℃出现个别壳体开裂现象，较A类情况开裂数量明显降低，开裂数量随着温度的降低而增加。开裂形态如图4所示，可见销杆未向前运动，壳体从收口处意外断裂，电极塞脱落。

图3 壳体开裂数随试验温度变化曲线

表5 电作动器低温试验结果

Tab.5 Low temperature test result of electric actuator

图4 电作动器结构开裂图片

3.3 不同收口方式正交试验结果分析

低温下不同收口方式正交试验结果如表6所示。从表6可以看出，增加收口次数能够减少壳体的开裂。材料在630℃条件下时效（B类），采用5次收口的壳体能够承受药剂爆炸时产生的冲击力，壳体强度明显提高。图5为不同次数收口时壳体的剖面图。

表6 低温条件下“壳体状态-收口方式”试验结果

Tab.6 Test results of shell material type with different times of nosing at low temperature

图5 壳体不同次数收口后的剖面图

4 壳体低温断裂形貌及失效机理分析

对图4所示的开裂壳体断口进行电镜扫描，结果如图6所示。由图6可以看出，管壳断口分为内、外两层，均为明显的塑性变形，靠近内层微观断面机械韧窝较大，方向指向与轴线平行，为轴向拉伸形成；靠近外层微观断面机械拉伸韧窝较小且细密，方向指向为斜向上扩散状态，为受爆炸气体作用后拉伸形成断面，断口平整，为典型脆性断裂形貌。结合表6正交试验结果，证明开裂壳体存在两次断裂面，内层断面为收口一次裂纹源，外层断面为受火药气体作用下引发的二次裂纹。0Cr17Ni4Cu4Nb材料热处理时，随着时效温度的升高伸长率增加，材料的塑性、韧性提高，且在525~600℃以上温度时效时，材料韧性上升幅度较大，其变化规律如图7所示[8]。

图6 壳体断口扫描电镜

由图6（a）及图7可知，对于以0Cr17Ni4Cu4Nb材料作为壳体的收口类结构，在满足壳体强度的条件下，时效温度在620℃时，其抗爆炸冲击的能力优于550℃的时效温度。电作动器壳体、螺杆剪切环受火药爆炸冲击，其对壳体薄弱处、螺杆剪切环产生的破坏形式为剪切破坏，根据材料力学第三强度理论，其剪切力为：

=Kб·=Kб·π（1）

式（1）中：为常数，一般取0.5～0.6；为剪切面直径；为剪切面厚度。通过计算得壳体、螺杆的剪切力如表7所示。

图7 时效温度对0Cr17Ni4Cu4Nb材料热处理参数的影响

表7 壳体、螺杆的剪切力计算结果

Tab.7 Calculation results of shearing force of shell and screw

由表7可知，壳体收口部位存在内部微裂纹情况下，剪切强度计算值由4 288N下降为1 215N，而螺杆剪切环剪切强度最大为851N，因此壳体在内部高压气体的快速作用下强度裕度不足。在低温环境时，由于材料机械性能下降，发生管壳断裂的概率偏高。

综上所述，材料热处理时效温度是电作动器壳体低温开裂的主要影响因素，主要原因是壳体材料热处理参数选择与收口工艺不匹配，材料处理后韧性较差，在产品收口弯折部位形成应力集中损伤或应力微裂纹，在药剂爆炸压力的作用下引发收口部位裂纹加深而断裂，内部高压气体急速泄漏，无法剪断作动器螺杆剪切环并推动螺杆运动，导致产品功能失效。

5 结论

（1）0Cr17Ni4Cu4Nb材料在作为药剂爆炸承力壳体时，材料的时效处理温度对壳体在高温试验条件下的承力能力影响不大，但在低温条件下，其承力能力在-30℃后急剧下降。

（2）增加收口次数能够减小壳体在收口过程中的应力集中，提高抗冲击的强度。

（3）提高热处理时效温度能够提高材料的韧性，是收口承力类壳体设计需重点考虑的工艺参数之一。

[1] Briand D, Dubois P,Bonjour L,et al.Large deformation balloon micro-actuator based on pyrotechnics on chip[J].Micro E-lectro Mechanical System,2008:535-538.

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Study on Failure Mechanism of Electric Actuator Shell in Low Temperature Condition

WANG Ke-wei，YANG Zheng-cai, WANG Hai-jun，FU Yi-ming，XI Wei-feng，CUI Qin

(North Special Energy Group, Xi’an Qinghua Company, Xi’an,710025)

Aimed at the problem of broken shell of electric actuator in low temperature test, which used 0Cr17Ni4Cu4Nb as shell materials, the tests of 0Cr17Ni4Cu4Nb material in different heat treatment conditions were conducted to withstand the explosive ability of the gun powder under low temperature environment, and the critical temperature corresponding to the bearing capacity of the material becoming decrease was obtained. Meanwhile, the fracture morphology of the electric actuator shell in low temperature was analyzed by electron microscopy, as well as the mechanism of low temperature failure of the actuator shell was analyzed, which show the aging temperature in heat treatment of material is main influence factor. The study can provide reference for the design of the small electric actuator with high strength nozzle structure.

Electric actuator；0Cr17Ni4Cu4Nb stainless steel；Shell；Heat treatment；Failure

1003-1480（2017）05-0004-04

TJ45+9

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.05.002

2017-08-13

王科伟（1979 -），男，研究员级高级工程师，主要从事火工品技术研究。