Ch−ơn g
3.3.1. Yêu cầu chung về vật liệu tên lửa
Vỏ động cơ tên lửa làm việc ở chế độ khắc nghiệt về áp lực, nhiệt độ, trong trạng thái khí động phức tạp. Tính năng và điều kiện làm việc này của động cơ sẽ đặt ra yêu cầu một quá trình công nghệ chế tạo t−ơng ứng, trong đó có những yêu cầu về vật liệu, công nghệ gia công biến dạng.
Tuỳ theo tính năng làm việc của động cơ sẽ có các kết cấu t−ơng ứng phù hợp, công nghệ vật liệu và quá trình chế tạo thích hợp.
Tên lửa phòng không tầm thấp, đạn phản lực… có phần động cơ đẩy. Động cơ đ−ợc chế tạo từ thép có độ bền cao với công nghệ đặc biệt.
Để làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, các vỏ động cơ cần có kết cấu đặc biệt, vật liệu đ−ợc lựa chọn để qua quá trình gia công (biến dạng, cơ nhiệt, hoá nhiệt luyện) đạt đ−ợc yêu cầu kỹ thuật. Có thể nêu một số yêu cầu cơ bản đối với vật liệu làm vỏ động cơ nh− sau:
- Có tính công nghệ miết, thoả mãn quá trình gia công nhằm đạt độ bền, đảm bảo tính năng làm việc theo thiết kế.
- Với nhóm đạn phản lực thời gian làm việc d−ới 3 giây có thể sử dụng các vật liệu qua gia công biến dạng miết, nhiệt luyện đạt σB = 55~100kG/mm2.
- Với động cơ tên lửa hành trình, thời gian làm việc lớn đến 10phút, vật liệu động cơ cần có cơ chế hoá bền đạt σB = 100~200kG/mm2, bên trong có lớp cách nhiệt.
- Với động cơ tên lửa tầm thấp, thời gian làm việc đến 17 giây, vật liệu cần có khả năng biến dạng tốt, đạt hiệu quả hoá bền biến dạng cao, chịu nhiệt tốt, bên trong cần có lớp cách nhiệt
a) Vật liệu kim loại đen: Đ−ợc chia thành 2 loại:
- Thép cácbon và thép kết cấu hợp kim thấp. - Thép hợp kim cao (thép đặc biệt).
* Thép cácbon và thép kết cấu hợp kim thấp:
Th−ờng vỏ động cơ tên lửa chế tạo bằng các loại thép này là các tên lửa tầm ngắn, gia công bằng ph−ơng pháp biến dạng và nhiệt luyện tạo ra tổ chức có cơ tính tổng hợp, cụ thể nh−:
-Buồng đốt đạn CT9 chế tạo bằng thép 40X, qua gia công cơ và nhiệt luyện đạt tổ chức Trustit ram có thành phần 1% Cr là nguyên tố tạo Carbit làm tăng độ cứng tôi, tăng độ bền, tăng tính chống mài mòn và chịu nhiệt.
-Vỏ động cơ tên lửa R122 chế tạo bằng thép 10, qua gia công biến dạng để đạt tổ chức dải thớ nhỏ đều và chỉ qua nhiệt luyện khử ứng suất (nhiệt độ rất thấp). Đây là thép cácbon thấp chất l−ợng cao, tăng độ bền chủ yếu bằng biến dạng để tạo tổ chức đặc biệt, chịu đ−ợc áp suất, nhiệt độ cao.
* Thép hợp kim cao (thép đặc biệt):
Đây là loại thép có thành phần hợp kim phức tạp, có tính chất vật lý, hoá học đặc biệt, th−ờng sử dụng các loại sau:
+ Thép 03X11H10M2T (1) + Thép 03X11H10M2T2 (2) + Thép 28X3CHMBΦA-Ш (3) + Thép 33X3CHMBΦA-Ш (4) + Thép 38X3CHMBΦA-Ш (5) + Thép 43X3CHMBΦA-Ш (6) + Thép 30X3ГCHMΦA-Ш (7)
Các loại thép trên là thép đặc biệt, có thể phân ra 2 nhóm sau:
Loại thép mác các số (1), (2): thép không gỉ có độ bền rất cao, chống ăn mòn, chịu nhiệt. Nguyên tố Crôm có thành phần đến 11% ngoài tác dụng tăng độ cứng, độ bền, chịu nhiệt còn làm tăng đột ngột thế điện cực của pherit làm cho thép có tính chịu ăn mòn cao (không gỉ). Niken là nguyên tố mở rộng khu vực Ostenit, đ−a thêm Niken vào thép không gỉ, Crôm cao làm tổ chức thay đổi rõ rệt, nếu hàm l−ợng từ (8ữ18)% thì ngoài tính chống ăn mòn cao còn có những tính năng quý giá nh−: tính biến dạng nguội, tính hàn, độ dai va đập cao và không có từ tính. Nguyên tố Molipđen có tính chống ăn mòn điểm rất tốt, ngoài ra còn có tác dụng tăng bền, chịu nhiệt, làm nhỏ hạt, tăng độ bền, tăng độ dẻo và ngăn ngừa ăn mòn tinh giới.
Các mác thép trên nếu sử dụng để chế tao vỏ động cơ tên lửa công nghệ gia công nhiệt sẽ phải theo trình tự khác. Nhiệt độ Ostenit hoá trong khoảng (1050ữ1150)oC, áp dụng ph−ơng pháp nhiệt luyện hoà tan để đồng đều hoá các nguyên tố hợp kim trong các pha, qua gia công biến dạng (miết, ép…) tạo tổ chức thớ nhỏ phân bố đều và ram thấp khử ứng suất gia công, độ bền lên tới 1000MPa.
Các mác thép (3), (4), (5), (6), (7)… là thép hợp kim cao có thành phần phức tạp chứa thêm các nguyên tố Vonfram, Vanadi tác dụng chủ yếu là cải thiện cơ tính nh−: tăng độ cứng, chống ăn mòn, chống giòn ram loại II, tăng độ thấm tôi.
Đối với các loại thép này, khi sử dụng th−ờng là qua biến dạng nhiệt luyện sơ bộ để có tổ chức hạt nhỏ mịn, nhiệt luyện kết thúc để có tổ chức Mactenxit hình kim mịn và sau đó ram cao để đạt đ−ợc tổ chức cuối cùng là Xoocbit hợp kim hoá già cao, làm cho thép có tính chất đặc biệt: độ bền cao, nh−ng độ dẻo cũng cao mà các mác thép thông th−ờng không đạt đ−ợc. [Độ bền ≥1000MPa, độ dẻo ≥(8ữ10)%]
b) Vật liệu kim loại màu
Để chế tạo vỏ động cơ tên lửa thì phổ biến sử dụng 2 loại hợp kim titan và nhôm. Hợp kim titan th−ờng dùng cho các loại tên lửa tầm xa (tên lửa chiến l−ợc). Các loại tên lửa tầm gần chủ yếu là dùng hợp kim nhôm, cụ thể là:
+ Vỏ động cơ tên lửa R70: chế tạo bằng hợp kim nhôm 2024 của Mỹ, đ−ợc biến dạng rất lớn (>50%), sau đó tôi + hoá già với nguyên công đặc biệt có độ bền cao (R >500MPa), độ dẻo cao (a>8%).
+ Cánh đuôi CT9: chế tạo bằng hợp kim nhôm Д20 của Liên Xô. + Bệ cánh đuôi CT9: chế tạo bằng hợp kim nhôm Д16 của Liên Xô.
Hợp kim nhôm chế tạo tên lửa th−ờng dùng hệ Al-Cu-Mn; Al-Cu-Mg; Al-Zn- Mg; Al-Zn-Mg-Cu;… Đây là các hợp kim nhôm biến dạng hoá bền bằng nhiệt luyện.
+ Hợp kim Al-Cu-Mg (Đura): Hệ này có hợp kim nhôm điển hình hay đ−ợc sử dụng nhất là Д16, khi tăng hàm l−ợng Mg và tỷ lệ Mg/Cu thì thành phần pha biến đổi theo xu h−ớng từ α+θ (B65) đến α+θ+S (Д16, BД17). ở nhiệt độ cao khoảng 500oC, các pha θ, S (Al2CuMg) hoà tan toàn phần vào pha α, khi hoá già các pha này tiết ra gây biến cứng phân tán, đó là pha hoá bền khi nhiệt luyện. Cu, Mg là các nguyên tố hợp kim cơ bản tạo nên các pha θ (CuAl2) và S (Al2CuMg) đóng vai trò chủ yếu quyết định bản chất của hợp kim.
+ Hệ hợp kim Al-Cu-Mn: Hợp kim chủ yếu đ−ợc dùng là Д20, có các pha α,θ (CuAl2), T (Al12Mn2Cu) là các pha hoá bền trong đó pha θ là chủ yếu, ngoài ra còn các pha phụ Al2Zr, Al11V phân tán ổn định, làm cho hợp kim Д20 có độ bền nóng cao, ổn định nhiệt trên 250oC.
+ Hợp kim hệ Al-Zn-Mg-Cu: Hợp kim đ−ợc sử dụng điển hình là B95, tổ chức ngoài pha α còn chứa các pha η (MgZn2), T (Al2Mg3Zn3), S (Al2CuMg) đây là các pha hoá bền, trong đó pha η là chủ yếu.