[01658106]大尺寸固体火箭发动机喷管固定体轻量化模锻件短流程新工艺与应用

固体火箭发动机以其可靠性高、结构简单、机动性好、可长期贮存等优点而被广泛应用于航天运载器动力系统，配套需求数量与日俱增。固定体等大尺寸深腔复杂结构回转体构件是航天固体火箭发动机的关键承力构件，固定体工作过程中不仅要承受发动机喷管摆动的交变疲劳载荷、剧烈冲击力，还要承受发动机的内部高压燃气的压力，质量要求极高，其内在组织和力学性能的均匀性、稳定性对固体火箭发动机性能和可靠性有重大影响。制造效率对确保航天运载器高强密度发射和快速进入空间的响应能力提升至关重要。长期以来，受成形技术和装备能力等因素制约，大尺寸深腔复杂结构固定体一直采用自由锻成形加工，导致固定体内部组织级差超过4级、断裂韧性和冲击韧性等关键指标差异20％以上、强韧性匹配性差等严重影响可靠性的现象；加之加工过程金属流线被大量切断，严重弱化了固定体的服役性能。另一方面，自由锻成形重量大，材料去除量大、加工周期长，无法满足航天运载器高强密度交付、发射和快速进入空间能力的需求。因此，大尺寸固定体的制造技术一直是航天运载器固体火箭发动机制造高技术领域亟待解决的关键瓶颈技术之一。 该项目在两个科研课题支持下，以世界最大的8万吨模锻液压机及3.55万吨螺旋压力机为基础，经过近十年的系统研究，突破了大尺寸复杂结构固定体锻件“高精化结构设计、组织性能调控、无损检测”等系列关键技术，成功研制出组织性能均匀、流线完整、强韧性优化匹配的超高强度钢和高强度钛合金材料大尺寸系列化固定体模锻件。相对于国外固体火箭发动机多采用的材料，该项目模锻件材料性能指标、组织均匀性、材料利用率等均优于国外水平，且模锻件最大规格尺寸也大于国外产品，处于国际领先水平。形成以下科技创新点： (1)突破了大尺寸系列化固定体深腔复杂锻件高精化结构设计与成形技术。研究出了金属流线高度随形的大尺寸固定体深腔复杂锻件设计技术，实现了大尺寸固定体锻件流线与产品服役状态的最佳匹配。建立了复杂锻件的成形坯料、成形模具和成形工步等关联技术体系，解决了大尺寸系列化固定体深腔复杂锻件高精化设计与成形制造难题。使材料利用率由6％～9％提高至60％以上，加工周期缩短50％。 (2)突破了大尺寸系列化固定体深腔复杂锻件组织性能均匀性与强韧性匹配控制技术，分别针对世界最大的8万吨模锻液压机和3.55万吨螺旋压力机的设备特性，研究出了超高强度钢和高强度钛合金材料大尺寸系列化固定体复杂锻件的最佳成形工艺窗口和组织性能均匀性调控方法，建立了坯料加热温度、火次变形量分配锻后热处理等关键工艺参数的最佳匹配关系。成功研制出组织性能均匀的大尺寸系列化深腔固定体深腔复杂锻件，使不同批次、不同部位锻件晶粒度的级差由≥4级改善至≤1.5级，韧性指标提高30％以上。 (3)突破了大尺寸固定体深腔复杂锻件无损检测技术。针对传统接触法超声波探伤检测无法实现固定体复杂锻件内在质量全覆盖检测的技术瓶颈，研究出了非接触式水浸超声波检测变壁厚、多圆弧过渡部位的内在缺陷检测技术和扫査方案，确定了声束入射面、水距及扫査次数等关键检测工艺参数，解决了大尺寸系列化固定体深腔复杂锻件无损检测可靠性问题，并奠定了推广应用基础。 (4)建立了大尺寸固定体深腔复杂锻件工程化应用的技术体系。分别针对世界最大的8万吨模锻液压机和3.55万吨螺旋压力机，形成了涵盖D406A超高强度钢和TC11高强度钛合金两种常用材料、10余种规格尺寸固定体复杂锻件的结构设计、模具设计、坯料设计、变形量控制、高精度模锻成形、热处理、无损检测、工艺工装、加工制造等系列核心技术和成套工艺技术规范，全面应用于航天重点型号的配套生产。批量化工程应用和装机飞行试验表明，采用该项目技术研制生产的固定体，组织性能均匀性、结构可靠性、快速研制响应能力等得到显著改善。 该项目制定了标准规范76项，授权发明专利3项。 项目成果解决了大尺寸系列化固定体深腔复杂结构件组织性能均匀性与强韧性匹配协调性的国际性难题，突破了固定体性能和制造效率的行业技术瓶颈。成果鉴定委员会认为，该项目成果拥有自主知识产权，关键技术完全自主可控，其总体技术达到国际先进水平。所研制的大尺寸固定体已全面应用于中国在研在役的20余型固体火箭发动机，为提升固体火箭发动机和航天运载器性能和结构可靠性提供了关键技术支挣，有力保障了航天运载器的效能发挥，同时为航天运载器高强密度发射与应用需求提供了效率保证，确保了国家重大工程的顺利开展。军事、经济和社会效益显著。近三年，该项目成果已累计生产交付固定体600余件，加工时间累计减少1200小时以上，累计产生综合经济效益近6000余万元。