压力容器无损检测——-有色金属压力容器的无损检测技术

    有色金属结构材料因其一系列突出的优良特性而在运载火箭、导弹、卫星和飞船等航天器上获得广泛的应用。常用的有色金属结构材料主要有铝合金、钛合金、镁合金等轻质合金以及铜合金、镍等难熔金属及其合金。铝、钛合金等具有优良的耐腐蚀性能,而且化学稳定性好,与多种推进剂介质都具有良好的相容性,被广泛用于制造推进剂贮箱和各种压力容器。铜及其合金具有优良的热传导性能,而且价格低廉,用作低温高能推进剂液体火箭发动机推力室的内壁结构材料,可以显著地提高其热传导效率,提高推力室所能承受的工作温度和压力,从而提高整个发动机的性能^[1]。

    航天飞行器上有色金属压力容器包括燃料贮箱、增压气瓶及可再生冷却的液体火箭发动机等,如钛合金增压气瓶和高压贮箱、铝合金贮箱、锆铜2电铸镍低温燃料液体火箭发动机推力室等。它们都是航天飞行器的关键部件,具有壁薄、安全系数低、使用环境恶劣和一次使用等特点,其质量状态直接关系到飞行器的安全及使用寿命。

    增压气瓶的工作介质一般为氮气或者氦气,使用压力从几兆帕到几十兆帕不等,工作温度从常温到液氢低温均有^[2]。气瓶体积一般较小,形状多为球形,其制造材料多选用钛合金,少量选用铝合金。燃料贮箱的工作介质多为具有强氧化性或还原性的液体燃料,使用压力较气瓶低很多,从几十千帕至几兆帕不等。燃料贮箱体积一般较大,有球形、筒形、椭球形和锥形等多种形状,容积从几升到几千升不等。因其使用压力较低,所以其制造多选用铝合金材料,少量高压贮箱为钛合金材料。锆铜2电铸镍低温燃料液体发动机推力室是一种特殊结构的压力容器(图1),其承压空间位于推力室内外壁之间的沟槽。推力室采用导热好并有较高强度的铜锆或铜银锆合金作内壁,数控铣床削出冷却腔道后在外侧电铸一层纯镍金属外壁。

    受材料特性的影响,钛、铝合金很易在冶炼、锻造、轧制、成形、焊接、热处理等环节出现偏析、氧化、气孔、夹渣、未焊透和裂纹等缺陷。而电铸推力室受电铸工艺的限制很容易在电铸过程中受到工艺状态不稳定及锆铜基材表面质量的影响而使电铸镍层产生针孔及与基材粘结不良、脱粘等缺陷。因此从原材料采购至产品成形的制造全过程均受到严格的质量控制,包括100%常规无损检测、液压验收和批次抽爆等,涉及声发射、超声、激光全息、射线、渗透、目视和泄漏等检测技术。复检时还采用涡流、射线层析等检测手段。

1　制造过程的无损检测

1.1　超声检测