某型航空發(fā)動機(jī)散熱器支架斷裂失效分析

佟文偉，王 理，張開闊，韓振宇

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

0 引言

由于具有高比強(qiáng)度、較寬的工作溫度范圍、優(yōu)異的腐蝕抗力和較好的與復(fù)合材料的相容性等特點(diǎn)，鈦合金在航空發(fā)動機(jī)上已逐步取代了鋁合金、鎂合金及一些鋼構(gòu)件。目前，先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)盤、葉片、機(jī)匣、隔板，許多小零件如支架、搖臂、轉(zhuǎn)接段等都是用鈦合金材料制造。

某型航空發(fā)動機(jī)散熱器支架所用材料為TC4鈦合金，采用鍛造+線切割方法加工，并要求對棱邊進(jìn)行倒圓處理。在工作過程中，該發(fā)動機(jī)的散熱器支架過早發(fā)生斷裂故障。本研究對散熱器支架故障件進(jìn)行外觀檢查，斷口分析，表面微觀檢查，截面金相檢查和材質(zhì)分析，確定了該支架的斷裂屬性，分析了發(fā)生故障的原因，并提出了改進(jìn)建議。

1 外觀檢查

故障散熱器支架斷裂部位的宏觀圖像如圖1所示。支架表面較粗糙，平面部位呈黃、紫色相間，柱面部位呈藍(lán)紫色，為明顯的電加工痕跡；支架的邊緣棱角非常尖銳，沒有進(jìn)行倒圓處理；斷裂發(fā)生于平面與柱面部位的轉(zhuǎn)接區(qū)域。

2 斷口分析

故障散熱器支架斷口宏觀形貌如圖2所示。其斷口呈灰白色，較平緩，局部有明顯的摩擦擠壓痕跡，呈現(xiàn)清晰的疲勞弧線特征，表明散熱器支架斷口為疲勞斷口。由疲勞弧線的方向可以判定，斷裂起源于支架R1、R2轉(zhuǎn)接相交的棱角處（如圖2中箭頭所指）[1]，斷口疲勞擴(kuò)展充分，瞬斷區(qū)面積僅占整個斷口的1.5%左右。

斷口疲勞源區(qū)附近非常平坦，呈清晰、細(xì)密的疲勞弧線特征，斷裂起源處擠壓磨損較重，未見有明顯的冶金缺陷，如圖3所示。

斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)可見大量清晰、細(xì)密的疲勞條帶，如圖4所示。這進(jìn)一步表明，故障散熱器支架斷口為高周疲勞斷口，疲勞斷裂起源于散熱器支架R1、R2轉(zhuǎn)接相交的棱角處。源區(qū)至擴(kuò)展區(qū)中部很少見到2次裂紋形貌，而擴(kuò)展區(qū)后部可見到大量垂直于裂紋擴(kuò)展方向的2次裂紋形貌，且沿裂紋擴(kuò)展方向2次裂紋越來越明顯，如圖5所示。斷口疲勞源區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷，且支架基體材料成分符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，組織也未見異常。上述跡象均表明，該散熱器支架過早發(fā)生疲勞斷裂應(yīng)與冶金缺陷及材質(zhì)無關(guān)。

3 表面微觀檢查

利用掃描電子顯微鏡觀察，可見故障散熱器支架表面呈現(xiàn)熔融形貌，這是典型的電加工重熔層形貌特征，如圖6所示。將其進(jìn)一步放大觀察發(fā)現(xiàn)，支架表面的電加工重熔層中存在較多微裂紋，如圖7所示。

4 截面金相檢查

故障散熱器支架橫截面試樣金相邊緣呈清晰的重熔層，其厚度約為20～30 μm，如圖8所示。檢查結(jié)果表明，重熔層中存在較多的微裂紋，有些微裂紋已深入散熱器支架的基體。由于鈦合金具有較高的缺口敏感性，并且疲勞裂紋通常萌生于零件的表面，因此，鈦合金對缺口的敏感性在大多數(shù)情況下表現(xiàn)為對表面缺陷的敏感性[2]。故障散熱器支架表面重熔層中存在的微裂紋嚴(yán)重破壞了鈦合金支架的表面完整性，大大降低了其基體的抗疲勞能力，導(dǎo)致發(fā)生疲勞斷裂故障。

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5 材質(zhì)分析

5.1 成分分析

故障散熱器支架基體能譜分析結(jié)果見表1，其主要合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的TC4鈦合金成分的[3]大致相符。

5.2 組織檢查

故障散熱器支架組織形貌為典型的（α+β）雙態(tài)組織，未見明顯異常，如圖9所示。

6 總結(jié)

故障散熱器支架斷口為高周疲勞斷口，疲勞起始于R1、R2轉(zhuǎn)接相交的棱角處。支架棱邊尖銳，沒有進(jìn)行倒圓處理；其平面與圓柱部位經(jīng)R1、R2轉(zhuǎn)角直接相交，易形成較大的應(yīng)力集中[4]，也會促使散熱器支架過早萌生疲勞裂紋；在發(fā)動機(jī)工作過程中，散熱器支架將不可避免地受到振動載荷的作用，盡管動應(yīng)力測量結(jié)果證明該支架承受的振動載荷不大，但也會促使疲勞裂紋的萌生。

綜上所述，在故障散熱器支架表面線切割重熔層中存在微裂紋致使支架基體抗疲勞性能下降、支架棱角沒有按要求倒圓、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)存在不足造成應(yīng)力集中、受到振動載荷等因素的共同作用下，散熱器支架過早萌生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致了斷裂故障的發(fā)生。

7 改進(jìn)建議

（1）由于鈦合金對表面缺陷非常敏感，在采用線切割方法加工后，應(yīng)增加拋光工序，去除散熱器支架表面的線切割重熔層，從而改善其表面完整性，提高基體的抗疲勞性能；

（2）加強(qiáng)對散熱器支架棱邊倒圓處理的質(zhì)量控制，改進(jìn)支架R1、R2圓角相接結(jié)構(gòu)，以避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

[1]張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004：131-134.

[2]陶春虎，劉慶瑔，曹春曉，等.航空用鈦合金的失效及其預(yù)防[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002：231-234.

[3]工程材料實(shí)用手冊編輯委員會編.工程材料實(shí)用手冊[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001：104-105.

[4]張棟.機(jī)械失效的實(shí)用分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，1997：143-144.