Jerzy Andrzej Stępień
Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica
TECHNOLOGICZNE I UŻYTKOWE CHARAKTERYSTYKI STALI PRZEZNACZONYCH NA KORPUSY SILNIKÓW RAKIETOWYCH
Monografia nr 5, 2013
Rozwój materiałów stosowanych na urządzenia rakietowe jest motywowany ciągłym wzrostem wymagań ich użytkowników i jakością produktów oferowanych przez konkurencję. Nowe lub ulepszone materiały są opracowywane głównie na podstawie prób eksploatacyjnych rakiet. Korpusy rakiet, których zasadniczą część stanowi silnik, determinują właściwości eksploatacyjne całego układu rakiety. Korpusy rakiet muszą charakteryzować się wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi i odpornością na działanie agresywnego środowiska chemicznego paliwa i wysokich temperatur. Na korpusy rakiet stosowane są różne materiały, ale przeważają materiały stalowe, szczególnie na rakiety większych rozmiarów. Bardzo ważne jest by korpus rakiety miał małą masę, a zatem cienką ściankę i jednorodne właściwości na obwodzie i długości. Balistyka rakiety (umiejscowienie środka ciężkości rakiety) wymusza stosowanie korpusów o zmiennych średnicach. Do precyzyjnego nadania kształtów korpusom o cienkich ściankach stosuje się na ogół technologię zgniatania obrotowego (ang. flow forming), która umożliwia realizowanie wymaganych zmian grubości ścianki i zmiennej średnicy korpusu na długości rakiety. Ze względu na duże obciążenie eksploatacyjne rakiety konieczne jest prowadzenie szczegółowych badań właściwości stali stosowanych na korpusy, zarówno pod względem właściwości mechanicznych określanych w standardowej statycznej próbie rozciągania jak i dynamicznych właściwości mechanicznych, które charakteryzują zachowanie się materiału w warunkach dużych i dynamicznych naprężeń.
W monografii przedstawiono wyniki badań nad materiałami opracowanymi i zoptymalizowanymi w Instytucie Metalurgii Żelaza: stalą 15CrMoV6-10-3 do ulepszania cieplnego oraz dwoma gatunkami stali maraging w odmianach superczystych N18K9M5Ts (X2NiCoMoTi18-9-5) i N18K12M4Ts (X2NiCoMoTi18-12-4). Ze względu iż stara symbolika występuje we wszystkich dokumentach technicznych, technologicznych i atestacyjnych w monografii przyjęto pierwotne oznaczenia.
Wymagane właściwości użytkowe korpusów ze stali niskowęglowej, średniostopowej 15CrMoV6-10-3 uzyskano poprzez wytworzenie bardzo drobnej mikrostruktury na drodze zgniatania obrotowego na zimno wypraski o strukturze składającej się z mieszaniny odpuszczonego bainitu i martenzytu. W ten sposób stal, która po ulepszaniu cieplnym posiada wytrzymałość ok. 980 MPa i wydłużenie ok. 20%, po zgniataniu obrotowym osiąga wytrzymałość rzędu 1500 MPa przy wydłużeniu powyżej 8%. W celu uzyskania jeszcze wyższej wytrzymałości korpusów stosuje się stale maraging o strukturze starzonego martenzytu osiągającego wytrzymałość powyżej 2000MPa przy wydłużeniu powyżej 6%. W monografii przedstawiono wpływ parametrów technologicznych wytwarzania stali maraging na uzyskiwane właściwości użytkowe wyrobów po zgniataniu obrotowym poddanych końcowej obróbce cieplnej poprzez starzenie.
W celu opracowania technologii produkcji badanych stali i wskazania możliwości ich stosowania do wytwarzania korpusów rakiet, wykonano badania czterech procesów technologicznych wytwarzania oraz wybranych procesów przetwarzania półwyrobów umożliwiających zgniatanie obrotowe na zimno. Opracowane schematy technologiczne umożliwiają uzyskanie wyrobów o drobnoziarnistej mikrostrukturze w przypadku stali 15CrMoV6-10-3 oraz o mikrostrukturze zawierającej nanowydzielenia faz międzymetalicznych w starzonym martenzycie stali maraging charakteryzujących się właściwościami znacznie wyższymi niż uzyskiwane przy zastosowaniu innych technologii nie wykorzystujących możliwości zgniatania obrotowego. Finalny wyrób uzyskiwano w drodze wstępnego walcowania i wyciskania na gorąco lub na zimno z następującym zgniataniem obrotowym na zimno i końcową obróbką cieplną.
Pełny cykl badawczy obejmował dobór składów chemicznych stali, przygotowanie materiału do badań w postaci wlewków z wytopów próbnych, badania dylatometryczne, ocenę stopnia zanieczyszczenia stali wtrąceniami niemetalicznymi, badania odkształcalności na gorąco z zastosowaniem testów jednoosiowego ściskania w symulatorze Gleeble 3800, wyznaczenie charakterystyk odpuszczania (dla stali 15CrMoV6-10-3), wyznaczenie charakterystyk starzenia przy zastosowaniu różnych czasów starzenia (dla stali maraging), badania wybranych właściwości mechanicznych, w tym dynamicznej granicy plastyczności i odporności na działanie ciśnienia hydraulicznego, badania umocnienia zachodzącego w wyniku odkształcania na zimno, badania makrostruktury po odlaniu i po obróbce cieplnej ujednorodniania, badania mikrostruktury wyprasek, wytłoczek, tulei po obróbce cieplnej, korpusów po zgniataniu obrotowym na zimno i po odkształceniu dynamicznym.
W kolejnych rozdziałach monografii omówiono metody badań stosowanych dla przeprowadzenia oceny jakości korpusów silników rakietowych wytwarzanych ze stali 15CrMoV6-10-3, X2NiCoMoTi18-9-5 i X2NiCoMoTi18-12-4. Przed prezentacją wyników badań przedstawiono wybrane zagadnienia z teorii i technologii zgniatania obrotowego na zimno korpusów silników rakietowych oraz technologii wytwarzania rakiet. Następnie przedstawiono uzyskane wyniki badań stali stosowanych na korpusy silników rakietowych. W rozdziale podsumowującym omówiono syntetycznie wyniki badań prezentowanych w monografii. Na koniec omówiono optymalne warianty technologii wytwarzania korpusów zapewniające uzyskanie najlepszych właściwości i przy optymalnych kosztach produkcji.