GH2696彈簧失效原因分析

袁鵬

（中航工業(yè)南方航空工業(yè)集團有限公司，湖南株洲 412000）

GH2696彈簧失效原因分析

袁鵬

（中航工業(yè)南方航空工業(yè)集團有限公司，湖南株洲 412000）

通過對某型燃?xì)廨啓C上使用的高溫合金GH2696彈簧的失效分析，了解到原材料的組織對彈簧性能的影響。

GH2696 彈簧 失效 金相 屈服強度

1 前言

某型燃?xì)廨啓C上使用的放氣活門彈簧在使用甚至裝配過程中發(fā)現(xiàn)零件壓縮后無法恢復(fù)原始高度，彈力嚴(yán)重衰減。這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響了該型燃?xì)廨啓C的交付。

放氣活門彈簧材料為GH2696。GH2696是一種以Fe-25Ni-12Cr為基體的高溫合金，在650℃以下具有高的屈服強度和持久、蠕變強度，以及良好的高溫彈性性能、抗燃?xì)飧g性能和加工塑性。適合于制造在650℃以下長期工作的渦輪和壓氣機緊固件、盤件和工作葉片、渦輪殼體、環(huán)形零件，以及在400～650℃工作的圓柱形螺旋彈簧等。高溫合金彈簧在航空發(fā)動機及燃?xì)廨啓C等發(fā)動機上使用較多，對該類零件的失效原因分析有重要的現(xiàn)實意義。

2 失效零件的檢測及對比結(jié)果

2.1 問題描述

放氣活門彈簧使用材料為直徑為φ2mm的GH2696圓鋼絲，供應(yīng)狀態(tài)為冷拉、固溶。 材料標(biāo)準(zhǔn)為HB5467-90。工藝路線為：繞簧——時效（730℃±10℃，3-3.5h）—鉗工校正—回火。零件設(shè)計參數(shù)見表1。

存在問題：當(dāng)彈簧壓縮至H1時，彈力檢測符合設(shè)計要求，自由高度不發(fā)生變化，彈簧壓縮至Hlim時，彈力符合設(shè)計要求。當(dāng)負(fù)荷卸除后，彈簧自由高度縮短1-3mm。重復(fù)檢測彈力，彈力1衰減3-7N，極限彈力衰減5-10N。對彈簧進行5-10次立定試驗后，自由長度穩(wěn)定在44-46mm，不隨立定試驗次數(shù)的增加而發(fā)生變化。

表1 放氣活門彈簧參數(shù)表

2.2 不同批次零件分析

放氣活門彈簧的彈力衰減現(xiàn)象是彈簧在彈性范圍內(nèi)的一種微塑性變形，是彈簧失效的最常見的表現(xiàn)形式。所以一切影響材料塑性變形的因素，如熱處理制度，顯微組織結(jié)構(gòu)，晶粒度，析出相的形態(tài)和分布等都將影響彈減性。

零件彈力衰減現(xiàn)象出現(xiàn)在部分批次，考慮工藝方法沒有發(fā)生過變化，熱處理原始記錄檢查也沒有發(fā)現(xiàn)問題。因此主要從材料方面尋找原因。選取了四個批次零件進行對比分析。這四個批次零件使用的原材料批次均不同。購買一批新件外，其余批次零件均沒有庫存件，所檢查的零件為發(fā)動機上分解下來的。對比結(jié)果可看出，進口彈簧使用750小時后彈力及自由高度均未發(fā)生變化。國產(chǎn)件中零件彈力及自由高度發(fā)生了微小變化，另一部分國產(chǎn)批零件彈力嚴(yán)重衰減，自由高度下降了.不同批次的零件性能差異很大，但是國產(chǎn)件中也有零件與進口件性能較接近。

2.3 金相分析及硬度檢查

通過對各批次原材料性能及成分復(fù)查及分析均未發(fā)現(xiàn)異常。決定對零件進行金相分析。

將進口件、13-1批新件、12-1批、11-1批、10-1批零件及13-1批原材料剖切進行金相檢查：拋光態(tài)狀態(tài)下觀察，碳化物分布彌散，均相當(dāng)于GB/T14999.5中A類的1級圖片；腐蝕后觀察（相同腐蝕溶液及腐蝕時間），零件顯微組織及晶粒度結(jié)果見表2。

對進口件、13-1批（新件）、12-1、11-1、10-1批使用件及13-1批原材料進行硬度分析，結(jié)果見表3。

從表2和表3可看出：（1） 進口件、11-1批、10-1批發(fā)動機使用的放氣門彈簧顯微組織及晶粒較為均勻，顯微組織比較接近。但進口件晶粒度等級較國產(chǎn)件高。（2）13-1批（新件）及13-1批原材料存在混晶現(xiàn)象。（3）12-1批放氣活門彈簧雖然晶粒均勻細(xì)小，晶粒度等級較高，但為等軸晶，且其晶內(nèi)無滑移變形特征，硬度相對其他彈簧較為偏低。

表2 顯微組織

表3 硬度結(jié)果

3 失效原因分析及討論

由于13-1批彈簧與13-1批原材料顯微組織相同，因此分析認(rèn)為彈簧加工過程中的繞簧及時效不是造成顯微組織差異的原因，顯微組織差異的原因是由于批次間原材料本身存在差異。

彈簧彈力的大小一般使用彈性極限來衡量。但由于在拉伸試驗中很難精確地測出其彈性極限，因此在工程上通常以屈服極限來衡量彈性極限。鋼絲或鋼帶在退火或固溶條件下，彈性極限和屈服極限很接近。理化分析結(jié)果表明原材料與進口樣件相比，成分及機械性能均符合HB5467技術(shù)條件要求。但在晶粒等級、晶粒均勻性及顯微組織存在差異，導(dǎo)致屈服強度存在差異，這是國產(chǎn)件在使用或裝配過程中，自由高度及彈力均有所衰減的主要原因。

4 結(jié)語

本文通過對GH2696高溫合金彈簧失效原因分析，可以得出以下結(jié)論：（1）原材料的晶粒度等級影響材料的屈服強度?；炀Ъ暗容S晶等顯微組織對材料屈服強度影響很大。（2）HB5467對原材料要求過低，沒有對晶粒度等級提出要求，不適應(yīng)生產(chǎn)要求。（3）國內(nèi)的高溫合金鋼絲制備工藝與國外存在較大差距。