摘 要:某型航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪盤上的一顆固定螺栓發(fā)生斷裂,對斷裂螺栓進(jìn)行了宏觀觀察、 斷口分析、金相檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析等。結(jié)果表明:螺栓斷裂的原因是裝配時產(chǎn)生了偏斜拉伸應(yīng)力, 且其晶粒組織粗大,使材料的塑性和沖擊韌性降低,螺栓的整體承載能力下降。

關(guān)鍵詞:GH4698高溫合金;螺栓;晶粒;斷裂

中圖分類號:V267;TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)04-0037-04

螺栓是航空發(fā)動機(jī)中的重要連接件,對發(fā)動機(jī) 的穩(wěn)定運(yùn)行起著重要作用,航空發(fā)動機(jī)渦輪盤的固 定螺栓不僅要承受較高的工作溫度,還要承受高轉(zhuǎn) 速帶來的高載荷[1]。

某型航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪盤上的一顆螺栓發(fā)生 斷裂,該螺栓材料為 GH4698高溫合金,其生產(chǎn)工 藝流程為:切割下料→熱處理(一次固溶+二次固溶 +時效)→機(jī)加工→滾螺紋→熒光檢查。裝配發(fā)動 機(jī)時,該螺栓用于插入渦輪盤和擋圈通孔,并在渦輪 盤另一面 對 應(yīng) 位 置 使 用 墊 圈 (材 料 為 1Cr18Ni9Ti 鋼)和鎖緊螺母(材料為 GH4033高溫合金)進(jìn)行固 定,工 作 溫 度 為 560~580 ℃,螺 母 擰 緊 力 矩 為 7.84~9.8N·m,渦輪盤及其螺栓裝配宏 觀 形 貌 如 圖1所示。

為查明該螺栓斷裂的原因,筆者對其進(jìn)行了理 化檢驗(yàn)及分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

該 GH4698高溫合金螺栓斷裂位置為螺栓夾 層,基本位于墊圈與螺母的配合處,螺栓斷裂前后宏 觀形貌如圖2所示。將斷裂的螺栓組件拆卸,在體 視顯微鏡下觀察,可見整個斷面較為平坦,基本呈現(xiàn) 出沿晶斷裂形貌,螺栓斷口的宏觀形貌如圖3所示。 由圖3可知,裂紋源區(qū)(A 區(qū))在螺牙底部圓周范圍 內(nèi)分布,裂紋向螺栓內(nèi)部擴(kuò)展;擴(kuò)展區(qū)(B區(qū))面積約 占整個斷 面 面 積 的 60%,斷 面 粗 糙;中 心 區(qū) 域 (C 區(qū))為瞬斷區(qū),呈纖維狀。

從螺栓側(cè)面進(jìn)行觀察,螺栓斷口附近未見明顯 的頸縮變形或微裂紋,斷裂兩側(cè)斷口能夠完全吻合, 裂紋一側(cè)與無裂紋一側(cè)的螺栓與擋圈配合段的圓周 表面形貌有明顯差異,裂紋側(cè)圓周表面呈光亮金屬 色,而無裂紋一側(cè)圓周表面的金屬色已基本磨損(見 圖4)。對墊圈進(jìn)行宏觀觀察,可見左右兩側(cè)壓痕深 度和壓痕形貌有明顯差異(見圖5)。

1.2 斷口分析

在掃描電鏡(SEM)下觀察螺栓斷口形貌。裂 紋源區(qū)附近未見明顯的夾雜缺陷[見圖6a)],裂紋 源區(qū)斷口為類解理形貌,局部可見疲勞條帶[見圖 6b)],擴(kuò)展區(qū)可見明顯的沿晶二次裂紋[見圖6c)], 瞬斷區(qū)為類解理斷裂形貌[見圖6d)]。

1.3 金相檢驗(yàn)

將螺栓斷口沿縱向截面取樣,用光學(xué)顯微鏡觀 察拋光態(tài)和腐蝕態(tài)的顯微組織。在斷面附近均未見 夾雜缺陷,可見明顯的沿晶二次裂紋,晶粒度為 0~ 1級(見圖7)。

在斷裂螺栓上取樣觀察螺紋的微觀形貌,可見 未斷裂部分螺紋完整性較好,未見明顯加工缺陷[見 圖8a)]。 分 析 正 常 未 斷 裂 螺 栓 的 顯 微 組 織 [圖 8b)],可見未斷裂螺栓的晶粒尺寸要明顯小于斷裂 圖4 螺栓擋圈配合段圓周表面宏觀形貌 圖5 墊圈宏觀形貌 螺栓,其晶粒度為3~4級。

1.4 化學(xué)成分分析

對斷裂螺栓進(jìn)行取樣,采用ICP-OES(電感耦 合等離子體發(fā)射光譜儀)進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果均 符合技術(shù)要求(見表1)。

2 分析與討論

正常情況下裝配螺栓時,螺母擰緊并鎖定會對 螺栓產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力,而螺栓擋圈配合段圓周兩側(cè) 有明顯的壓痕差異。墊圈兩側(cè)不同的壓痕形貌均表 明:斷裂螺栓在裝配后產(chǎn)生了偏斜拉應(yīng)力。當(dāng)螺栓 產(chǎn)生偏斜時,隨著偏斜角度的增大,附加彎曲應(yīng)力不 斷增大,螺栓的整體承載能力、疲勞壽命等均會出現(xiàn) 顯著下降[2]。

通常情況下,材料的晶粒越細(xì)小,其強(qiáng)度、塑性 和沖擊韌性就越高[3],而在高溫條件下,粗晶材料的 蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度較細(xì)晶材料的更高[4]。一般在 750~800 ℃時,GH4698高溫合金的晶界強(qiáng)化作用增強(qiáng),而粗大的晶粒會使晶界長度變短,晶界強(qiáng)化作 用變 弱,在 應(yīng) 力 作 用 下 會 產(chǎn) 生 沿 晶 斷 裂[5]。 GH4698高溫合金螺栓的化學(xué)成分雖然滿足技術(shù)要 求,但與正常螺栓相比,其晶粒較為粗大。常溫下, 晶界能夠阻止裂紋擴(kuò)展,粗大的晶粒會降低材料的 抗疲勞能力[6],因此晶粒粗大也會使螺栓發(fā)生斷裂。

該發(fā)動機(jī)在試車過程中,螺栓受軸向應(yīng)力、彎曲 應(yīng)力以及發(fā)動機(jī)振動的共同作用,在螺紋夾層處的 缺口敏感性會增大,并產(chǎn)生裂紋源,材料晶粒粗大也 會使得裂紋在擴(kuò)展區(qū)快速沿晶擴(kuò)展,最后在中心位 置產(chǎn)生瞬斷[7-9]。

3 預(yù)防及改進(jìn)措施

細(xì)化裝配工藝可在一定程度上避免螺栓因裝配 不當(dāng)而產(chǎn)生偏斜。由于現(xiàn)行工藝中沒有對螺栓晶粒 度的要求,因此螺栓各批次的晶粒度差異較大。將原 熱處理工藝(1120℃×8h,空冷+1000℃×4h,空 冷+775℃×16h,空冷)調(diào)整為(1110℃×2h,空冷 +1000℃×4h,空冷+775℃×16h,空冷),不同溫 度下螺栓的力學(xué)性能和晶粒度檢測結(jié)果如表2所示, 從表2可以看出,由于晶粒細(xì)化,室溫(23 ℃)下螺栓 的 力學(xué)性能有所提高,高溫(750℃)下其力學(xué)性能有所下降,與上述分析結(jié)果相符。同時,對該螺栓進(jìn)行 了裝機(jī)試驗(yàn),螺栓均未出現(xiàn)裂紋或斷裂。

4 結(jié)語

(1)螺栓發(fā)生疲勞斷裂,斷裂特征主要為沿晶 斷裂,裝配時產(chǎn)生的偏斜應(yīng)力是斷裂的主要原因。

(2)斷裂螺栓的晶粒粗大,降低了材料的塑性 和沖擊韌性,增大了缺口的敏感性,促使裂紋快速沿 晶擴(kuò)展。

(3)細(xì)化裝配要求可避免螺栓發(fā)生偏斜;通過調(diào) 整熱處理工藝和細(xì)化晶粒,提高了材料的力學(xué)性能。

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