某型發(fā)動機(jī)滑油供油導(dǎo)管裂紋分析

呂鳳軍，傅國如

（北京航空工程技術(shù)研究中心，北京 100076）

某型發(fā)動機(jī)中、后軸承滑油供油導(dǎo)管曾多次發(fā)生裂紋故障，故障現(xiàn)象均表現(xiàn)為燃燒室卸荷腔排氣彎管結(jié)合處有滑油油跡，為發(fā)動機(jī)在外場使用帶來了重大安全隱患。為查找故障產(chǎn)生原因，對一起裂紋故障系統(tǒng)地進(jìn)行了失效分析，準(zhǔn)確定位了裂紋性質(zhì)及其產(chǎn)生原因，并提出了針對性的解決措施。

滑油供油導(dǎo)管的波紋管在大修時為必?fù)Q件，使用時間為60 h；波紋管材料為1Cr18Ni9Ti。

1 外觀檢查

滑油供油導(dǎo)管由直管、波紋管和彎管三部分組成，之間采用銀釬焊焊接，導(dǎo)管外觀如圖1所示。裂紋位置在波紋管右側(cè)的第1波谷底部，方向與波紋管軸向基本垂直，長度約為8.7mm，且已貫穿管壁，如圖2所示。

圖1 滑油供油導(dǎo)管外觀Fig.1 Theappearanceof theoil-providing pipe

圖2 裂紋部位外觀Fig.2 Theappearance of the crack

波紋管的一端有兩個凸座，在正常工作時，凸座能夠在套筒槽口內(nèi)左右自由移動，保證波紋管沿軸向自由伸縮，用來補(bǔ)償溫度引起的軸向變形，凸座與套筒槽口之間有配合間隙，不允許相互接觸摩擦。對波紋管進(jìn)行了分解檢查，在波紋管裂紋的背面、凸座與套筒槽口配合面上，有明顯的沿波紋管軸向的擦傷，如圖3所示；套筒內(nèi)壁表面也有兩段沿波紋管軸向的擦傷，如圖4所示，這些特征表明凸座與套筒槽口配合面在工作時存在不正常接觸摩擦。在靠近波紋管凸座內(nèi)側(cè)一端切取波紋管剖面，套在波紋管內(nèi)的彎管周圍間隙不均勻，與波紋管軸向明顯不重合，如圖5所示。對波紋管其他部位進(jìn)行檢查，其他部位表面基本完好，未見明顯的異常損傷等痕跡。

圖3 凸座與套筒配合面擦傷痕跡Fig.3 The abrade trace on thematching surface

圖4 套筒內(nèi)表面擦傷痕跡Fig.4 The abrade trace on the inner surface of the pipe sleeve

圖5 波紋管剖面Fig.5 Thesection of the ripplepipe

在掃描電鏡下觀察，裂紋正好位于波紋管第1波谷的中間部位，裂紋已張開，張口較寬，約為0.1mm。在裂紋表面附近，未見有加工缺陷、腐蝕和異常損傷等痕跡，如圖6所示。觀察切取的波紋管剖面上，套在波紋管內(nèi)的彎管周圍間隙最大約為0.2mm。

圖6 裂紋形貌Fig.6 The fractographyof the crack

2 斷口檢查

將裂紋斷口打開，如圖7所示，斷口平齊，斷面與波紋管的軸向基本垂直，斷口及其周邊未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形。在掃描電鏡下觀察，裂紋斷口分為疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)兩個部分，具有典型的疲勞斷裂特征。疲勞區(qū)斷口較光滑，疲勞起始于波紋管第1波谷的外表面，為線性疲勞源，源區(qū)未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷、腐蝕和異常損傷等痕跡，如圖8所示；疲勞起始區(qū)可見清晰的放射棱線、疲勞弧線和細(xì)密的疲勞條帶特征。靠近波紋管壁內(nèi)側(cè)的斷口較粗糙，為瞬斷區(qū)，表面蹭傷、擦傷較嚴(yán)重，與疲勞區(qū)之間存在明顯的分界線，形貌特征與疲勞擴(kuò)展區(qū)也明顯不同，如圖9所示。人為撕裂斷口微觀形貌為韌窩特征，如圖10所示。

圖7 裂紋斷口Fig.7 The fractureof the crack

3 成分分析

利用X射線能譜儀分析斷口表面成分，整個斷口表面除含有正常的元素成分外，未發(fā)現(xiàn)其它異常元素，見表1。各元素含量均符合技術(shù)條件要求[1]，說明波紋管成分正常。

圖8 斷口源區(qū)形貌Fig.8 The fractography of theorigination zone

圖9 瞬斷區(qū)形貌Fig.9 The fractography of the quick rupture

圖10 韌窩形貌Fig.10 The fractography of the dimple rupture

表1 斷口表面能譜分析結(jié)果Table 1 Theenergy spectrum analysis results %

4 分析討論

斷口分析表明，波紋管裂紋為疲勞裂紋。疲勞起始于波紋管第1波谷的外表面，疲勞區(qū)的疲勞條帶細(xì)密，具有高周疲勞裂紋性質(zhì)。疲勞源為線性疲勞源，從整條裂紋的外表面起始，說明疲勞裂紋產(chǎn)生部位承受了張應(yīng)力，起始應(yīng)力較大[2—4]。

滑油供油導(dǎo)管安裝在渦輪殼體內(nèi)部，為發(fā)動機(jī)后支點提供滑油，當(dāng)供油管工作溫度存在梯度時，波紋管用來補(bǔ)償供油管軸向尺寸的變化；焊接和裝配滑油供油導(dǎo)管時，明確要求波紋管外表面不允許有劃傷、碰傷、凹陷、鼓包等缺陷，不得隨意拉伸、壓縮，輕輕拉動波紋管時，波紋管的凸座能夠在套筒槽內(nèi)自由移動。波紋管外觀檢查表明，凸座與套筒槽口配合面上有明顯的軸向擦傷，這些特征表明凸座配合面與套筒軸向不平行，波形管存在彎曲現(xiàn)象，即在波紋管中引入了裝配張應(yīng)力；波紋管的管壁較薄，容易拉伸或壓縮，為彈性組件，當(dāng)波紋管彎曲時，其承受的裝配張應(yīng)力或壓應(yīng)力往往由波形管的第1波谷部位承擔(dān)。從裂紋產(chǎn)生位置來看，該部位正好處于波紋管彎曲方向的背面，為承受最大裝配張應(yīng)力部位。

焊接段套在波紋管內(nèi)的彎管周圍間隙不均勻，與波紋管軸向明顯不重合，其傾斜方向與波紋管輕微彎曲方向一致，說明波紋管輕微彎曲是由于彎管焊接段與波紋管在焊接時不同軸造成的。

以上分析認(rèn)為，波紋管存在裝配張應(yīng)力是導(dǎo)致波紋管在第1波紋處產(chǎn)生疲勞裂紋的原因，裝配張應(yīng)力是由于彎管焊接段與波紋管在焊接時不同軸造成的。

5 結(jié)論和建議

1）滑油供油導(dǎo)管的裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋，疲勞起始于波紋管第1波谷的外表面。

2）波紋管存在裝配張應(yīng)力是導(dǎo)致滑油供油導(dǎo)管產(chǎn)生疲勞裂紋的原因。

3）裝配張應(yīng)力是由于彎管焊接段與波紋管在焊接時不同軸造成的。

4）建議承修廠加強(qiáng)波紋管焊接質(zhì)量的控制，確保焊接時彎管焊接段與波紋管同軸，以避免此類故障再次發(fā)生。

[1]中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊（第1卷結(jié)構(gòu)鋼不銹鋼）[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002. China Aeronautical Material Handbook Editorial Board. China Aeronautical Material Handbook（Volume 1 Constructional Steeland Stainless Steel）[M].Beijing：China Standard Press，2002.

[2]張棟.機(jī)械失效的痕跡分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，1996. ZHANG Dong.Trace Analysis on Machinal Failure[M]. Beijing：NationalDefence Industry Press，1996.

[3]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. ZHANG Dong，ZHONG Pei-dao，TAO Zhun-hu，et al. Failure Analysis[M].Beijing：National Defence Industry Press，2004.

[4] 傅國如，陳榮，呂鳳軍，等.發(fā)動機(jī)燃油導(dǎo)管斷裂失效分析[J].失效分析與預(yù)防，2007（2）：29—33. FU Guo-ru，CHEN Rong，LV Feng-jun，et al.Engine Fuel Pipe Fracture Failure Analysis[J].Failure Analysis and Prevention，2007（2）：29—33.