燃?xì)鈾C(jī)渦輪連接螺栓斷裂原因分析

劉 磊，孫智君，苗 淼，李 鵬

(1.中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司，西安 710021;2.海軍裝備部，西安 710021）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是航空器的心臟，其性能的好壞是保障航空器利用率和飛行安全的重要因素。在因機(jī)械故障造成的飛行事故中，發(fā)動(dòng)機(jī)故障比例最高，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件在高溫下工作，服役環(huán)境極其惡劣，為了保護(hù)這些熱端部件不受高溫氧化和熱腐蝕等危害，普遍采用涂敷涂層的方法來(lái)提高熱端部件材料的高溫防護(hù)性能［1-4］。

在航空器結(jié)構(gòu)中，存在大量、各種形式的螺栓連接，其失效的基本類(lèi)型主要有過(guò)載斷裂失效、疲勞失效和氫脆斷裂失效等［5-6］。某燃機(jī)渦輪系統(tǒng)用連接螺栓，試車(chē)分解檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)多件螺栓斷裂。本研究通過(guò)斷口宏微觀(guān)觀(guān)察，金相組織分析，能譜分析，故障模擬驗(yàn)證試驗(yàn)等方法，對(duì)失效螺栓進(jìn)行分析，以確定其失效原因。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

某燃?xì)廨啓C(jī)低壓渦輪支撐環(huán)工作100 h以上，熒光檢查螺栓正常。復(fù)裝試車(chē)后，33件螺栓中，8件斷裂，11件裂紋。其中13件由螺栓根部斷裂或開(kāi)裂，6件由螺桿和螺紋轉(zhuǎn)接頸部斷裂或開(kāi)裂。所有螺栓屬于同一批次。

1.1 宏觀(guān)觀(guān)察

失效螺栓斷裂分別位于螺栓根部或螺桿與螺紋轉(zhuǎn)接頸部(圖1)。螺栓及斷口表面均呈灰黑色，局部略帶灰白。無(wú)論根部或頸部斷裂，其斷口形貌相似，明顯分為2個(gè)區(qū)域:A區(qū)斷口相對(duì)平齊，呈顆粒狀特征，起始于螺栓根部或頸部轉(zhuǎn)接R，向另一側(cè)擴(kuò)展，有清晰放射棱線(xiàn)，部分邊緣存在灰白月牙形區(qū)域，向心部變?yōu)榛液谏s占斷口面積的1/2;B區(qū)斷口光亮，有金屬光澤，斷口粗糙，未見(jiàn)明顯塑性變形，應(yīng)屬于最后瞬時(shí)斷裂區(qū)(圖2)。

1.2 微觀(guān)觀(guān)察

采用FEI－Quanta400型掃描電鏡對(duì)失效螺栓斷口進(jìn)行微觀(guān)觀(guān)察，其宏觀(guān)形貌如圖3。斷口由轉(zhuǎn)接R多處起始，起始區(qū)未見(jiàn)材料冶金缺陷，未見(jiàn)機(jī)械損傷痕跡。斷口顯微形貌主要為沿晶斷裂特征，晶面有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，并有二次裂紋，瞬斷區(qū)局部可見(jiàn)少量韌窩特征(圖4、圖5)。

1.3 能譜結(jié)果

對(duì)螺栓斷口表面和類(lèi)似晶間腐蝕的晶界加粗區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

結(jié)果表明，斷口存在較高含量的Mo、Pb、O、S元素，螺栓表面含量更高，隨著斷口由A區(qū)向B區(qū)發(fā)展，Mo、S、O、Pb元素含量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。

鑒于斷口和金相發(fā)現(xiàn)Mo、Pb、S元素含量較高，經(jīng)排查分析，認(rèn)為是由螺栓裝配時(shí)涂抹的高溫絲扣脂引起，取樣在熱處理爐內(nèi)烘干后進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

結(jié)果表明，高溫絲扣脂含有大量S、Pb、Mo元口素，螺栓表面及斷面的S、Pb、Mo元素主要來(lái)源于高溫絲扣脂，這層高溫絲扣脂是為防止螺栓在高溫長(zhǎng)期作業(yè)發(fā)生氧化而涂敷的。

表1 斷口能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Energy spectrum analysis result of fracture surface(mass fraction/%)

表2 高溫絲扣脂能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 2 Energy spectrum analysis result of grease(mass fraction/%)

1.4 金相觀(guān)察

縱向解剖斷裂螺栓和無(wú)裂紋螺栓制備金相試樣，磨拋并經(jīng)Nimonic腐蝕劑腐蝕后，采用Olympus－GX71型光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行顯微組織觀(guān)察。裂紋螺栓的表面有一層深約0.025～0.1 mm的附著物，次層類(lèi)似晶間腐蝕，晶界加粗區(qū)域，深約25 μm，局部形成深約 150 μm 的沿晶裂紋;而無(wú)裂紋螺栓表面無(wú)明顯附著物，局部有深約15 μm類(lèi)似晶間腐蝕特征區(qū)(圖6～圖8)。

圖6 斷裂螺栓沿晶裂紋Fig.6 Intercrystalline cracks

2 故障模擬驗(yàn)證試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證故障模式，進(jìn)行了故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn):將60件同件號(hào)螺栓分別涂抹6種潤(rùn)滑脂，采用與零件裝配方式和實(shí)際工況相似的條件進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)3個(gè)試驗(yàn)階段的螺栓進(jìn)行金相分析。

2.1 第一階段試驗(yàn)

第一階段試驗(yàn)，將涂抹潤(rùn)滑脂的螺栓裝配進(jìn)行160 h試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，熒光檢查未發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂或裂紋。解剖后金相檢查，涂抹高溫絲扣脂(與故障螺栓使用相同)的螺栓和涂抹純Pb的螺栓，其表面均有一定深度的沿晶腐蝕損傷(圖9a、圖9b)，涂抹其他潤(rùn)滑脂(不含元素Pb)的螺栓未見(jiàn)明顯的沿晶腐蝕損傷現(xiàn)象。

2.2 第二階段試驗(yàn)

對(duì)第一階段后熒光顯示無(wú)裂紋螺栓重新涂抹潤(rùn)滑脂，二次裝配繼續(xù)進(jìn)行15 h試驗(yàn)(總計(jì)175 h)。試驗(yàn)結(jié)束后拆卸檢查，其中11件涂抹高溫絲扣脂的螺栓有5件斷裂，1件熒光檢查發(fā)現(xiàn)裂紋。對(duì)5件斷裂螺栓進(jìn)行分析觀(guān)察，試驗(yàn)螺栓與故障螺栓斷裂位置和斷口形貌相同，斷口由轉(zhuǎn)接R處起始，起始區(qū)未見(jiàn)材料冶金缺陷和機(jī)械損傷痕跡。斷口顯微形貌主要為沿晶斷裂特征，晶面有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，并有二次裂紋(圖9c～圖9e)。試驗(yàn)斷裂螺栓與故障失效螺栓斷裂模式相同。

解剖熒光顯示裂紋螺栓，螺栓裂紋起始于螺釘根部轉(zhuǎn)接R處，裂紋起始附近基體組織沒(méi)有明顯的塑性變形，裂紋起始較粗，逐漸變細(xì)，并沿晶界向心部擴(kuò)展，為沿晶裂紋。能譜分析，斷口表面存在較高含量的Pb元素，尤其螺栓表面含量更高，與故障失效螺栓情況相同。

解剖熒光顯示無(wú)裂紋的螺栓，金相分析證明，涂抹7451高溫絲扣脂的螺栓和涂抹純Pb的螺栓，其表面均有一定深度的沿晶腐蝕損傷，涂抹其他潤(rùn)滑脂(不含Pb元素)的螺栓未見(jiàn)明顯的沿晶腐蝕損傷現(xiàn)象。

2.3 第三階段試驗(yàn)

對(duì)第二階段后熒光顯示無(wú)裂紋螺栓重新涂抹潤(rùn)滑脂，再次裝配繼續(xù)進(jìn)行10 h試驗(yàn)(總計(jì)185 h)。試驗(yàn)結(jié)束后拆卸檢查，3件涂抹高溫絲扣脂的螺栓中有2件發(fā)生斷裂，4件涂抹純Pb的螺栓中有2件發(fā)生斷裂，斷裂模式與第二階段螺栓斷裂模式相同。解剖熒光顯示無(wú)裂紋的螺栓，金相分析證明，涂抹高溫絲扣脂的螺栓和涂抹純Pb的螺栓，其表面均有一定深度的沿晶腐蝕損傷，涂抹其他潤(rùn)滑脂(不含Pb元素)的螺栓未見(jiàn)明顯的沿晶腐蝕損傷現(xiàn)象。

3 分析與討論

從斷口分析結(jié)果看出，螺栓屬于沿晶脆性斷裂，斷口存在S、Pb、Mo元素，金相分析也發(fā)現(xiàn)存在類(lèi)似晶間腐蝕區(qū)，晶界也有大量S、Pb、Mo元素存在，因此具有環(huán)境介質(zhì)腐蝕損傷致脆性斷裂的特征［7］。

金屬材料在腐蝕介質(zhì)，環(huán)境溫度或與一些低熔點(diǎn)液體金屬、固態(tài)金屬接觸時(shí)，常常發(fā)生脆性沿晶斷裂。環(huán)境介質(zhì)腐蝕損傷致脆性斷裂的發(fā)生需要3個(gè)條件:1)腐蝕介質(zhì);2)環(huán)境溫度;3)拉應(yīng)力作用。在本試驗(yàn)研究的螺栓失效中，低熔點(diǎn)元素Pb和S作為腐蝕介質(zhì)，在工作環(huán)境溫度和拉應(yīng)力的共同作用下，沿晶界浸入螺栓基體，環(huán)境溫度加速晶界腐蝕損傷，拉應(yīng)力促進(jìn)裂紋的萌生和腐蝕的擴(kuò)展［8］。

結(jié)合螺栓使用狀態(tài)和歷史情況，涂抹有高溫絲扣脂的螺栓在環(huán)境溫度工作，承受應(yīng)力為預(yù)緊拉應(yīng)力和熱應(yīng)力，表現(xiàn)為沿螺栓軸向的拉伸應(yīng)力，具備低熔點(diǎn)金屬Pb和S腐蝕損傷致脆性斷裂的條件。從金相檢查結(jié)果看，未開(kāi)裂螺栓表面也有深約15 μm類(lèi)似晶間腐蝕特征區(qū)，這就是低熔點(diǎn)金屬Pb和S長(zhǎng)時(shí)間腐蝕引起的損傷。這種損傷也有其發(fā)生發(fā)展的歷程，當(dāng)其表面形成損傷層，由于螺栓分解和二次裝配，使得表面損傷層的某些薄弱晶界開(kāi)裂，新涂抹的高溫絲扣脂直接作用于微裂紋的前沿，使得螺栓在隨后的試車(chē)過(guò)程中大量開(kāi)裂。螺栓屬于拉伸應(yīng)力作用下低熔點(diǎn)元素Pb、S腐蝕損傷引起的脆性斷裂。

故障模擬驗(yàn)證試驗(yàn)也表明，涂抹含Pb高溫絲扣脂及純Pb的螺栓，均有低熔點(diǎn)元素Pb沿晶浸入引起晶界腐蝕損傷的現(xiàn)象，斷裂模式與故障螺栓斷裂模式相同;同時(shí)，對(duì)涂抹高溫絲扣脂及純Pb的螺栓進(jìn)行拆卸復(fù)裝，加速了螺栓的沿晶腐蝕損傷;涂抹其它潤(rùn)滑脂(不含Pb元素)的螺栓都未發(fā)現(xiàn)明顯的沿晶腐蝕損傷現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過(guò)采用斷口宏微觀(guān)觀(guān)察，金相組織分析，能譜分析，故障模擬驗(yàn)證試驗(yàn)等手段，對(duì)螺栓的斷裂原因進(jìn)行了綜合分析，得出以下結(jié)論:

1)斷裂螺栓失效模式屬沿晶脆性斷裂;

2)在一定的拉應(yīng)力、溫度作用下，低熔點(diǎn)元素Pb引起晶界腐蝕損傷是螺栓脆性斷裂主要原因;

3)低熔點(diǎn)元素Pb主要來(lái)源于裝配時(shí)使用的高溫絲扣脂;

4)對(duì)螺栓進(jìn)行拆卸復(fù)裝，加速了螺栓的沿晶腐蝕損傷。

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