發(fā)動機高溫合金緊固件高溫粘結(jié)研究

隋明麗 張 輝

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

飛機發(fā)動機連接，大量采用高溫合金材料的緊固件，經(jīng)過初步統(tǒng)計，國外飛機發(fā)動機選用高溫合金螺栓的材料主要是Inc.718、A286、MP159、Rene41和Wasploy ，其中對于螺栓90%以上采用的是Inc.718材料；對于螺母和自鎖螺母，以自鎖螺母居多，其材料主要是Wasploy和A286。

發(fā)動機緊固件使用環(huán)境嚴酷，其連接件要求具有耐高溫、高強、高抗疲勞性，并要求具有良好的防松性等特點。另外，由于發(fā)動機經(jīng)常需要拆卸、維修、檢查，要求發(fā)動機緊固件具有良好的可維修性和互換性。但是，在發(fā)動機日常維護分解過程中，經(jīng)常遇到螺栓、自鎖螺母螺紋粘結(jié)，分解過程中導(dǎo)致螺栓擰斷、頭部變形、或螺母搬擰面變形，使扳擰工具無法正常工作，最終只能以破壞分解的形式完成拆卸緊固件的工作。這種結(jié)果不僅容易損傷發(fā)動機結(jié)構(gòu)，而且發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝空間狹窄，一旦出現(xiàn)螺栓螺母螺紋咬死現(xiàn)象，將給發(fā)動機檢修、維護分解帶來很多困難。

1 主要性能要求

為了防止在發(fā)動機使用過程中出現(xiàn)難以分解的問題，在螺紋緊固件標準中提出了各種性能指標，控制緊固件性能在滿足結(jié)構(gòu)連接需要的同時，也能滿足使用要求。

如，抗扳擰試驗考核自鎖螺母的扳擰面抗扳擰的能力。高溫自鎖螺母，要求5次加載加溫試驗，加載精度要求達到±1μm，考核高溫自鎖螺母在高溫、高載條件下，反復(fù)裝拆能力和放松性能；如，材料為Wasploy 的MJ螺紋自鎖螺母，抗扳擰力矩與振動試驗施加的力矩比較見表1。

表1 抗扳擰力矩與振動試驗施加的力矩比較

從表1中可以看出，抗扳擰力矩遠高于一般的安裝力矩。

5次加載加溫試驗，試驗要求：

用中性潤滑油潤滑螺母和螺栓螺紋，裝上襯套后，組裝螺母和螺栓。當螺栓伸出至少2倍螺距（包括倒角）時，測量最大鎖緊力矩應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的規(guī)定。擰緊螺母以便獲得螺栓的伸長量△L，按公式（1）計算得到（該測量要精確到±1μm）：

式中：σ—螺栓的軸向強度，MPa；

L—襯套長度，L＝34mm；

E—螺栓的彈性模量，MPa；

M—螺栓桿的長度（不包括不完整螺紋），mm；

H—被試螺母的總高度，mm；

d3—螺紋部分最大的根部直徑，mm；

D—被試螺栓桿的實際直徑（在M范圍內(nèi)測量），mm。

組合件加載后，在室溫下保持1h；再測量伸長量，必要時，重新調(diào)整伸長量，以便獲得要求的預(yù)載荷（該測量要求精確到±1μm）。

加溫組合件到730℃±5℃，保溫6h±15min，然后空冷到室溫，測量最小鎖緊力矩。擰出螺母。

重復(fù)這個周期5次，每次擰出螺母后，螺栓應(yīng)清刷干凈和潤滑，每一周期在相同條件下測量最大、最小鎖緊力矩，均應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件。

2 對比試驗分析

在實際試驗過過程中，5次加載、加溫試驗經(jīng)常出現(xiàn)試驗結(jié)果不合格的現(xiàn)象如下：

加載加溫并保溫6h后，螺栓螺紋與自鎖螺母螺紋粘結(jié)咬死，無法拆卸時，試驗只能終止。

自鎖螺母拆卸力矩過大，使自鎖螺母扳擰面變形，試驗組合件無法分解，只能終止試驗；

拆卸組合件時，拆卸力矩過大，對自鎖螺母收口變形區(qū)有沖擊作用，最小鎖緊力矩減小，導(dǎo)致自鎖螺母鎖緊性能不合格；

最小鎖緊力矩不合格。

高溫自鎖螺母5次加載加溫一項試驗需要進行一周的時間，此項試驗，經(jīng)常反復(fù)給鑒定試驗單位帶來巨大壓力。另外，零件生產(chǎn)廠的產(chǎn)品不能及時通過產(chǎn)品鑒定試驗，也帶來巨大經(jīng)濟損失。

針對試驗經(jīng)常出現(xiàn)不合格的情況，國內(nèi)有單位曾經(jīng)懷疑，是否是我們的標準要求過嚴？但是通過分析國內(nèi)外所有可能搜集到的十多份高溫自鎖螺母標準，都有5次加溫5次加載試驗要求，而且技術(shù)要求和試驗方法高度統(tǒng)一，完全相同。

2010年，結(jié)合某型號發(fā)動機自鎖螺母問題分析，有機會將相同型號的國外進口的鍍銀自鎖螺母與國產(chǎn)的自鎖螺母進行鑒定試驗對比，結(jié)果顯示：

國外進口件5次加載加溫試驗試驗順利完成，鎖緊力矩滿足標準要求。試驗后剖開自鎖螺母，檢查鍍銀層情況見圖1，鍍銀層仍然完好。

國內(nèi)自鎖螺母繼續(xù)進行5次加載加溫試驗，其中生產(chǎn)廠A的產(chǎn)品，螺紋粘結(jié)無法拆卸，用線切割去掉夾層，拆下自鎖螺母，剖開檢查鍍銀層情況圖2。

其中生產(chǎn)廠B的產(chǎn)品，完成了5次加載加溫試驗后，試驗結(jié)果合格（但是每一批之間試驗結(jié)果不穩(wěn)定，有時合格，有時不合格），剖開螺母檢查鍍銀層情況見圖3。

3 結(jié)論和建議

從國內(nèi)外高溫自鎖螺母鍍銀層情況分析可以看出，影響5次加載、加溫試驗結(jié)果的關(guān)鍵因素之一是鍍銀層質(zhì)量。良好的鍍銀層能防止自鎖螺母螺紋高溫粘結(jié)，提供良好的螺紋連接的潤滑性能。

另外，發(fā)動機自鎖螺母，一般都要求螺紋鍍銀。從圖4 可以看出，國外零件僅在內(nèi)螺紋上有鍍銀層，而外部扳擰面上無鍍銀層。但是，國內(nèi)生產(chǎn)的零件，整個自鎖螺母內(nèi)外都有鍍層，見圖5。

鑒于目前國內(nèi)自鎖螺母鍍銀技術(shù)現(xiàn)狀，要提高高溫自鎖螺母產(chǎn)品鑒定試驗合格率，提高自鎖螺母產(chǎn)品質(zhì)量，保證發(fā)動機緊固件連接的順利進行，建議盡快開展自鎖螺母鍍銀技術(shù)攻關(guān)工作。

圖1 國外進口零件

圖2 生產(chǎn)廠A零件

圖3 生產(chǎn)廠B零件

圖4 國外樣件

圖5 國內(nèi)樣件

首先，針對發(fā)動機高溫自鎖螺母的鍍銀要求，在結(jié)構(gòu)尺寸標準中增加鍍銀標準、鍍銀層質(zhì)量檢查標準，在進行自鎖螺母鑒定試驗之前，先進行鍍銀層鑒定試驗，對鍍層厚度、結(jié)合力、耐高溫粘接力、抗硫性、氫脆性、耐高溫性等進行鑒定。

第二，目前國內(nèi)航標鍍銀標準有HB/Z 5074-1993《電鍍銀工藝》、HB 5051-1993《鍍銀層質(zhì)量檢驗》，但是缺少相關(guān)高溫性能的要求，只是HB7686-2001《使用溫度高于425℃的MJ螺紋自鎖螺母通用規(guī)范》中對鍍銀自鎖螺母的高溫粘接力提出了考核技術(shù)要求和試驗方法。建議標準主編單位參照AS2411《電鍍銀—用于高溫環(huán)境》，盡快修訂HB系列鍍銀標準，滿足高溫緊固件產(chǎn)品生產(chǎn)和使用的需要。

第三，提高自鎖螺母鍍銀層質(zhì)量的同時，必須對內(nèi)螺紋鍍銀的技術(shù)和工藝進行攻關(guān)，徹底解決自鎖螺母外部不能有鍍銀層的工藝技術(shù)，滿足發(fā)動機安裝使用要求。