摘 要:某型航空發(fā)動機低壓渦輪盤上的一顆固定螺栓發(fā)生斷裂,對斷裂螺栓進行了宏觀觀察、 斷口分析、金相檢驗、化學成分分析等。結果表明:螺栓斷裂的原因是裝配時產(chǎn)生了偏斜拉伸應力, 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。 

關鍵詞:GH4698高溫合金;螺栓;晶粒;斷裂 

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

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

某型航空發(fā)動機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)→機加工→滾螺紋→熒光檢查。裝配發(fā)動 機時,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 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,筆者對其進行了理 化檢驗及分析。 

1 理化檢驗 

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)部擴展;擴展區(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。 

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

將螺栓斷口沿縱向截面取樣,用光學顯微鏡觀 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 化學成分分析

對斷裂螺栓進行取樣,采用ICP-OES(電感耦 合等離子體發(fā)射光譜儀)進行化學成分分析,結果均 符合技術要求(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)生軸向拉應力,而螺栓擋圈配合段圓周兩側 有明顯的壓痕差異。墊圈兩側不同的壓痕形貌均表 明:斷裂螺栓在裝配后產(chǎn)生了偏斜拉應力。當螺栓 產(chǎn)生偏斜時,隨著偏斜角度的增大,附加彎曲應力不 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,材料的晶粒越細小,其強度、塑性 和沖擊韌性就越高[3],而在高溫條件下,粗晶材料的 蠕變強度和持久強度較細晶材料的更高[4]。一般在 750~800 ℃時,GH4698高溫合金的晶界強化作用增強,而粗大的晶粒會使晶界長度變短,晶界強化作 用變 弱,在 應 力 作 用 下 會 產(chǎn) 生 沿 晶 斷 裂[5]。 GH4698高溫合金螺栓的化學成分雖然滿足技術要 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)動機在試車過程中,螺栓受軸向應力、彎曲 應力以及發(fā)動機振動的共同作用,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 會使得裂紋在擴展區(qū)快速沿晶擴展,最后在中心位 置產(chǎn)生瞬斷[7-9]。 

3 預防及改進措施 

細化裝配工藝可在一定程度上避免螺栓因裝配 不當而產(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 度下螺栓的力學性能和晶粒度檢測結果如表2所示, 從表2可以看出,由于晶粒細化,室溫(23 ℃)下螺栓 的 力學性能有所提高,高溫(750℃)下其力學性能有所下降,與上述分析結果相符。同時,對該螺栓進行 了裝機試驗,螺栓均未出現(xiàn)裂紋或斷裂。

4 結語 

(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 晶擴展。

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

參考文獻: 

[1] 張曉東,夏佃秀,杜恒科,等.高強度螺栓裂紋的原因 分析[J].熱加工工藝,2018,47(14):258-260. 

[2] 董瑾,黃霞.汽輪機螺栓偏斜對其蠕變斷裂壽命的影 響[J].沈 陽 建 筑 大 學 學 報 (自 然 科 學 版),2015,31 (5):923-928. 

[3] 呂晶,楊其全,張倩,等.鑄鋼輪裝制動盤螺栓孔裂紋 產(chǎn)生原因 分 析 [J].金 屬 熱 處 理,2021,46(7):238- 242. 

[4] 林鵬,馬 黨 參,孫 立 國,等.熱 處 理 對 熱 鍛 模 材 料 GH4698組織和性能的影響[J].材 料 熱 處 理 學 報, 2021,42(3):94-103. 

[5] 馮永志,劉鶴,石多 奇,等.GH4698 合 金 在 500℃ 下 裂紋擴展特性研究[J].燃氣輪機技術,2020,33(2): 10-13. 

[6] 江紅.微觀 組 織 對 熱 鍛 模 具 鋼 熱 疲 勞 性 能 的 影 響 [D].長春:吉林大學,2001. 

[7] 李林駿,胡緒騰,宋迎東,等.某鎳基單晶高溫合金塑 性變形與失效分析[J].航空發(fā)動機,2019,45(5):97- 102. 

[8] 徐超.鎳基高溫合金服役溫度范圍高溫區(qū)裂紋急速 擴展的現(xiàn)象和本質研究[D].北京:北京科技大學, 2020. 

[9] 張小楓,劉擁軍,張思遠.GH4169高溫合金螺柱失效 分析[J].電焊機,2021,51(3):64-69,114.

<文章來源 > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 4期 (pp:37-40)>