發(fā)動(dòng)機(jī)38CrMoAlA 離合器齒輪缺陷分析

任志強(qiáng)，陳 忠，張宗林

(駐黎陽(yáng)機(jī)械公司軍事代表室，貴州 安順 561102)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪是關(guān)鍵零部件，其加工精度是航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性、高性能的重要保證，直接影響著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體質(zhì)量［1-2］。發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的起動(dòng)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等主要附件都是由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)齒輪傳動(dòng)裝置帶動(dòng)的。在整個(gè)飛行過(guò)程中，齒輪傳動(dòng)都必須可靠地工作，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)所有附件的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和所需功率符合設(shè)計(jì)要求［3］。

發(fā)動(dòng)機(jī)離合器齒輪是發(fā)動(dòng)機(jī)上重要的傳動(dòng)部件，在工作過(guò)程中主要承受離心力和彎曲應(yīng)力的作用，且始終處于磨損擠壓狀態(tài)。該離合器齒輪材料為38CrMoAlA，在國(guó)內(nèi)外的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。由于齒輪表面硬度要求高，滲氮是提高該材料表面性能的有效辦法［4］。該材料具有較好的滲氮性能和力學(xué)性能，經(jīng)滲氮處理后的零件，表面具有較高的硬度和較好的耐磨性，因此特別適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)上各類軸類零件及齒輪零件加工［5-6］。

2012年10月，發(fā)動(dòng)機(jī)材質(zhì)為38CrMoAlA 的離合器齒輪在工廠試車后，磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)靠近齒輪端面的桿部有3 條磁痕顯示，該齒輪的制造工藝為:毛料→車外圓及端面槽→磨外圓→插花鍵→滲氮→高溫回火→磨外圓及端面→磨內(nèi)孔→拉內(nèi)孔花鍵→磁力探傷→發(fā)藍(lán)→終檢→油封入庫(kù)。本研究主要對(duì)齒輪端面上線型磁痕缺陷的性質(zhì)及產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，對(duì)以后齒輪故障問(wèn)題的處理和解決具有借鑒和指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

故障離合器齒輪的外觀形貌見(jiàn)圖1。齒輪在裝配時(shí)，通過(guò)內(nèi)表面花鍵與啟動(dòng)電機(jī)相配合，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)帶動(dòng)整個(gè)齒輪組件的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后又通過(guò)該齒輪為啟動(dòng)電機(jī)充電。

圖1 零件外觀及磁痕缺陷分布位置Fig.1 Defective parts appearance and the magnetic mark position

經(jīng)磁粉檢測(cè)后，在熒光燈下觀察，磁痕顯示位置位于靠近齒輪端面的桿部(圖1 箭頭所示)。3條磁痕顯示明顯，形貌均呈細(xì)線狀，其長(zhǎng)度方向與桿部的磨削方向垂直;除了在桿部外表面有顯示外，這3 條磁痕在桿部端面的深度方向也有線狀顯示。磁痕的長(zhǎng)度分別為:磁痕A 約為1.3 mm，磁痕B 約為1.1 mm，磁痕C 約為0.8 mm;磁痕A形貌如圖2 所示。

在體視顯微鏡下觀察，磁痕A 顯示位置可見(jiàn)開(kāi)口明顯的線性缺陷，磁痕B 和C 位置開(kāi)口特征不明顯。在該齒輪桿部可見(jiàn)明顯的磨損痕跡，局部位置已經(jīng)露出金屬色，在齒輪內(nèi)部的花鍵齒端面也可以觀察到明顯的掉塊現(xiàn)象，齒面也有損傷痕跡(圖3)。

1.2 電鏡觀察

擦掉磁痕后，在掃描電鏡下觀察，原磁痕A位置存在一條開(kāi)口明顯的裂紋顯示(裂紋A')，裂紋頭部開(kāi)口較大，尾端尖細(xì)，其整體形貌見(jiàn)圖4。原磁痕B 位置被標(biāo)記痕跡所掩蓋，只有在頭部還保留有開(kāi)口特征;原磁痕C 位置開(kāi)口特征不明顯。

圖2 磁痕A 形貌及桿部磨損痕跡Fig.2 Magnetic marks a morphology and rod wear

圖3 齒輪內(nèi)花鍵端面的損傷痕跡Fig.3 End of the internal spline gear damage

圖4 裂紋A'整體形貌Fig.4 Appearance of crack A'

1.3 斷口觀察

沿裂紋A'打開(kāi)斷口，并結(jié)合人為斷口部分進(jìn)行對(duì)比觀察。原始斷口處于滲層部位，源區(qū)為線源;人為斷口由滲層表面起裂，其源區(qū)也具有線源特征;斷口整體形貌及原始、人為斷口的分布位置如圖5 所示。

圖5 斷口整體形貌及分布情況Fig.5 Fracture morphology and distribution

對(duì)原始斷口進(jìn)行放大觀察，源區(qū)附近形貌以準(zhǔn)解理+沿晶特征為主，擴(kuò)展區(qū)形貌為準(zhǔn)解理特征，并伴有沿晶形貌(圖6)。人為斷口的源區(qū)及滲層擴(kuò)展區(qū)形貌均為準(zhǔn)解理特征，局部區(qū)域可見(jiàn)少量的沿晶特征，其典型形貌見(jiàn)圖7;人為斷口的非滲層擴(kuò)展區(qū)為最后斷裂位置，該區(qū)的微觀形貌為韌窩。另外，在整個(gè)斷口上未發(fā)現(xiàn)材質(zhì)類缺陷。

圖6 原始斷口微觀組織形貌Fig.6 Micro appearane of original fracture

圖7 原始斷口微觀組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of artificial fracture

1.4 金相檢查

在磁痕B 和磁痕C 位置取樣后沿深度方向進(jìn)行金相檢查。腐蝕前觀察，未見(jiàn)夾雜物超標(biāo)現(xiàn)象。腐蝕后觀察，2 條磁痕位置存在裂紋(分別為裂紋B'和裂紋C')，2 條裂紋的擴(kuò)展深度均在滲層范圍內(nèi)，其中裂紋B'深度約為0.37 mm，裂紋C'深度約為0.31 mm(圖8)。2 條缺陷開(kāi)始呈穿晶擴(kuò)展特征，當(dāng)擴(kuò)展到一定深度后，其尾端呈現(xiàn)出沿晶擴(kuò)展的特征。零件的中心組織為回火索氏體(圖9)。

1.5 化學(xué)成分分析

在齒輪輻板位置去除滲層后取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1 可以看出，該齒輪的化學(xué)成分符合GJB 1951—1994《航空用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼棒規(guī)范》中對(duì)38CrMoAlA 鋼的技術(shù)要求。

1.6 故障再現(xiàn)

此次故障出現(xiàn)后，對(duì)庫(kù)存同批次同型號(hào)齒輪進(jìn)行磁粉檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)有磁痕缺陷顯示。裝機(jī)試車后，再進(jìn)行磁力探傷檢查，發(fā)現(xiàn)有同類型的缺陷顯示，缺陷的位置及形貌均同此次故障相同(圖10)。

圖8 裂紋B'和C'深度方向整體形貌Fig.8 Appearance of crack B' and C' along the depth direction

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Result of chemical composition analysis (mass fraction/%)

圖9 中心位置回火索氏體組織Fig.9 Microstructure of tempering sorbite

圖10 故障模擬齒輪裂紋形貌Fig.10 Crack morphology of fault simulation gear

2 分析與討論

2.1 缺陷的性質(zhì)及產(chǎn)生原因

電鏡觀察的結(jié)果表明，斷口上未見(jiàn)材質(zhì)類缺陷，金相檢查也未發(fā)現(xiàn)夾雜物超標(biāo)現(xiàn)象;化學(xué)成分分析表明，該零件的成分符38CrMoAlA 的技術(shù)要求。以上說(shuō)明零件的材質(zhì)正常。從3 處缺陷的宏、微觀形貌可以確定，該零件磁痕顯示的缺陷性質(zhì)為裂紋。故障再現(xiàn)表明:齒輪在試車前未發(fā)現(xiàn)異常，在試車后有磁痕缺陷顯示，這說(shuō)明裂紋是在工作過(guò)程中產(chǎn)生的。裂紋原始斷口未見(jiàn)疲勞斷裂特征，其形貌與人為斷口的滲層區(qū)形貌相近，由此可以確定裂紋的產(chǎn)生是一次性的。

齒輪在工作過(guò)程中受力最大的部位是齒根，而在裂紋萌生的位置受力較小，通過(guò)計(jì)算可知該處的受力遠(yuǎn)低于38CrMoAlA 的抗拉強(qiáng)度，工作應(yīng)力不是造成該齒輪開(kāi)裂的主要原因，工作應(yīng)力只是起到了誘發(fā)的作用。裂紋萌生的主要應(yīng)力來(lái)自于齒輪的加工制造過(guò)程。該齒輪的制造工藝包括一次拋光、一次磨外圓和端面及2 次磨內(nèi)孔，拋磨過(guò)程均會(huì)給齒輪內(nèi)部帶來(lái)較大的殘余應(yīng)力，如果后續(xù)沒(méi)有相應(yīng)的去應(yīng)力處理工藝，這些殘余應(yīng)力會(huì)帶到工廠試車過(guò)程中。通過(guò)復(fù)查該齒輪的制造工藝，發(fā)現(xiàn)所有這些磨拋工藝之后均沒(méi)有進(jìn)行過(guò)低溫退火去應(yīng)力處理。綜合以上分析，導(dǎo)致齒輪開(kāi)裂的主要原因與加工過(guò)程中存在較大的殘余應(yīng)力有關(guān)。

2.2 危害性分析

離合器齒輪是發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中重要的傳動(dòng)部件，此次故障齒輪的裂紋產(chǎn)生位置均位于靠近端面的桿部，盡管深度較淺，但是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間的延長(zhǎng)，裂紋在工作應(yīng)力下如果發(fā)生擴(kuò)展直至斷裂，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)外部附件系統(tǒng)的失效，如滑油系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等的失效，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，造成等級(jí)事故的發(fā)生。

3 改進(jìn)措施

齒輪裂紋萌生的主要原因與制造過(guò)程中存在較大的殘余應(yīng)力有關(guān)，因此可以從兩方面進(jìn)行改進(jìn):

1)改進(jìn)加工工藝以減小在制造過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。如減小每次磨拋的進(jìn)刀量，優(yōu)化冷卻液的冷卻效果。

2)增加低溫去應(yīng)力退火工藝降低殘余應(yīng)力。

采取以上改進(jìn)措施后，后續(xù)加工的零件未出現(xiàn)此類故障。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中的震動(dòng)對(duì)于消除殘余應(yīng)力較小的齒輪也有一定的作用［7-9］。

4 結(jié)論

1)齒輪上3 條磁痕缺陷的性質(zhì)均為發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生的一次性裂紋。

2)零件在制造過(guò)程中存在較大的殘余應(yīng)力，在工作應(yīng)力的誘發(fā)下導(dǎo)致了裂紋在滲氮層表面的開(kāi)裂。

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