某型航空發(fā)動機引接管斷裂故障分析

李 青，佟文偉，韓振宇，張開闊

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

0 引言

航空發(fā)動機引接管的主要作用是引入高壓氣體供防喘調(diào)節(jié)器使用[1]，一旦失效，將直接影響發(fā)動機正常工作并造成安全隱患。某型發(fā)動機引接管材料為高溫合金GH536，其與球頭之間采用真空釬焊工藝，在使用過程中發(fā)生了斷裂故障。

本文對故障引接管進行了外觀檢查、斷口分析、解剖分析及金相檢查等，確定了故障件的斷裂性質(zhì)，分析了斷裂原因，最后提出了改進建議。

1 檢查與分析結(jié)果

1.1 外觀檢查

故障引接管斷裂位置在2根引接管之間釬焊焊接處根部。管壁表面較光滑，未見擠壓、摩擦痕跡。斷口較平坦，呈灰白色，未見明顯的塑性變形，如圖1所示。

1.2 斷口分析

故障引接管斷口的低倍形貌如圖2所示。從圖中可見，其表面有輕微磨損；將其放大觀察發(fā)現(xiàn)，斷裂起源區(qū)呈現(xiàn)明顯的放射棱線，且為線源特征[2]，其形貌如圖3所示。由放射棱線的聚集方向可判斷出斷裂起源于2根引接管之間釬焊焊接根部的外表面（圖2中箭頭所指處），該起源區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷。

圖2 斷口低倍形貌

圖3 斷口源區(qū)形貌

斷口擴展區(qū)呈現(xiàn)清晰、細密的疲勞輝紋，表明該斷口性質(zhì)為疲勞斷口，如圖4所示[3]。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，斷口疲勞擴展充分，僅在斷口邊緣發(fā)現(xiàn)小面積的瞬斷區(qū)，其形貌如圖5所示。

1.3 解剖分析

將故障引接管沿著2根引接管中線縱向解剖，其腐蝕前后的截面形貌如圖6所示。2根引接管的間距較小，中間部位的焊料明顯高于球頭與引接管之間的焊料，且焊料與引接管之間沒有明顯的轉(zhuǎn)角過渡；而球頭與引接管之間的釬焊焊料過渡圓滑。

圖6 解剖后宏觀圖像

將斷裂區(qū)截面放大觀察發(fā)現(xiàn)，斷裂發(fā)生于引接管焊接焊料的根部，方向與管壁呈一定角度，該縱截面低倍形貌如圖7所示。

將2根引接管之間的焊接部位放大觀察，發(fā)現(xiàn)斷裂引接管在球頭另一側(cè)的焊接部位也存在1條長度約為144μm的小裂紋，其開裂方向與管壁也呈一定角度，并且與引接管斷裂方向均朝向球頭方向，如圖8所示。

圖7 斷裂部位縱截面低倍形貌

對引接管與球頭之間的焊接部位進行檢查可知，過渡處轉(zhuǎn)角平滑，未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，形貌如圖9所示。

1.4 金相分析

在故障引接管斷口附近區(qū)域及遠離斷口區(qū)域取樣進行組織對比檢查，各區(qū)域金相組織均未發(fā)現(xiàn)明顯異常，如圖10所示。

1.5 能譜分析

對故障引接管斷口表面進行能譜分析，結(jié)果表明，與高溫合金GH536的化學(xué)成分[4]基本相符，見表1。

表1 斷口表面EDS分析結(jié)果 w/%

2 分析與討論

首先，從斷裂部位的結(jié)構(gòu)看，2根引接管的間距較小，釬焊時此處的毛細作用明顯，引接管之間的焊角容易高出球頭與引接管焊接部位的焊料高度，且焊料和引接管之間無法形成較圓滑的過渡轉(zhuǎn)角，極易在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中。其次，由于發(fā)動機工作時存在周期性變化的機械激振力和氣體激振力[5]，所以振動是不可避免的；同時引接管在發(fā)動機上由兩端固定連接，大部分呈支撐懸臂狀，易隨發(fā)動機振動而振動，受到較大振動載荷作用。最后，在較大應(yīng)力集中和振動載荷的共同作用下，引接管容易在焊角處萌生裂紋源，從而發(fā)生疲勞斷裂故障。在斷裂引接管球頭另一端的焊接部位發(fā)現(xiàn)有小裂紋，進一步表明了斷裂部位結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致的應(yīng)力集中和振動載荷是引接管萌生疲勞裂紋的主要原因。

此外，在引接管裝配過程中，需對其進行冷校形，使引接管根部形成裝配應(yīng)力，也容易產(chǎn)生裂紋源；同時，故障引接管選用材料為高溫合金GH536，其塑性較低，校形困難，對裂紋的產(chǎn)生也有一定的促進作用。應(yīng)根據(jù)發(fā)動機的實際工作情況，選取塑性較好的不銹鋼類材料。

3 總結(jié)及建議

綜上所述，引接管斷口性質(zhì)為疲勞斷口，疲勞起源于2根引接管之間焊接根部的外表面，為線源特征；引接管焊接根部焊料過高引起應(yīng)力集中，以及發(fā)動機一定的振動載荷，是導(dǎo)致引接管過早發(fā)生高周疲勞斷裂的主要原因；故障引接管的組織及化學(xué)成分均未見明顯異常，因此，斷裂故障的發(fā)生應(yīng)與其材質(zhì)沒有直接關(guān)系。為此，提出以下2點：

（1） 加大2根引接管的間距，使引接管與焊料之間形成圓角過渡，從而消除因毛細作用造成的焊料過高；

（2）選用不銹鋼材料 （如 1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni9等）代替高溫合金GH536。

[1]胡安輝，劉長牢，邵超.防喘壓力信號管斷裂分析[J].失效分析與預(yù)防，2009，4（3）：161-164.

[2]張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004：130-149.

[3]孟立輝.某型發(fā)動機架疲勞斷裂分析與對策 [J].航空發(fā)動機，2010，36（6）：39-42.

[4]工程材料使用手冊編輯委員會.工程材料使用手冊：第2卷[S].2 版.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002：224-237.

[5]袁新泉，錢友榮，田永江，等.航空機械失效案例選編[M].北京：科學(xué)出版社，1988：232-237.