航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承剝落分析

班 君，鄭艷華，劉秀蓮，羅 燕，姜鐵寅

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150027)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承剝落分析

班 君，鄭艷華，劉秀蓮，羅 燕，姜鐵寅

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150027)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承在使用過(guò)程中出現(xiàn)早期剝落。采用宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、能譜等手段對(duì)軸承內(nèi)滾道表面剝落原因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：剝落軸承內(nèi)圈存在鍛造過(guò)燒，形成孔洞缺陷，破壞了金屬連續(xù)性，降低了軸承接觸疲勞強(qiáng)度，在交變應(yīng)力的作用下，以孔洞為核心，其周?chē)纬伞暗巍苯M織，產(chǎn)生顯微裂紋向滾動(dòng)接觸表面擴(kuò)展，形成剝落，引起軸承疲勞失效。由此提出，通過(guò)控制鍛造工藝及增加鍛造缺陷的檢測(cè)手段來(lái)防止鍛造過(guò)燒，進(jìn)而提高軸承使用壽命。

8Cr4Mo4V鋼；雙半內(nèi)圈；鍛造過(guò)燒；疲勞剝落；蝶形組織

0 引言

軸承是機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)零件，被稱(chēng)為機(jī)械的關(guān)節(jié)，同樣也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵零部件之一，其性能的優(yōu)劣，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能、壽命及可靠性。軸承在使用過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)速高、工作環(huán)境苛刻，易造成軸承失效或損壞，對(duì)滾動(dòng)軸承來(lái)說(shuō)，主要指接觸疲勞，其特征一般具有一定深度和面積，使其滾動(dòng)表面呈凹凸不平的鱗狀，有尖銳的溝角，通常呈現(xiàn)疲勞擴(kuò)展特征的海灘狀紋路[1]，產(chǎn)生部位主要出現(xiàn)在套圈滾道和滾動(dòng)體表面，引起疲勞剝落的因素有很多，目前對(duì)疲勞失效機(jī)理比較統(tǒng)一的觀點(diǎn)有：1)次表面起源型：認(rèn)為軸承在滾動(dòng)接觸部位形成油膜的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)表面是以?xún)?nèi)部“次表面”為起源產(chǎn)生的疲勞剝落：2)表面起源型：認(rèn)為軸承在滾動(dòng)接觸部位未形成油膜或在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)表面是以表面為起源產(chǎn)生的疲勞剝落。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)外廠地面試驗(yàn)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)有1個(gè)軸承右半內(nèi)圈滾道剝落。該型軸承套圈材料為8Cr4Mo4V鋼，采用熱鍛成型的方法加工，盡管通過(guò)鍛造加工可以改善金屬組織，使金屬流線分布合理，金屬緊密度好，可有效地提高軸承強(qiáng)度和使用壽命[2]，但套圈在鍛造過(guò)程容易出現(xiàn)缺陷，其中過(guò)燒是鍛造缺陷一種，如何解決鍛造加工中缺陷是一個(gè)很重要的問(wèn)題。本研究就是針對(duì)上述軸承失效問(wèn)題，著重分析鍛造過(guò)燒引起的軸承失效特點(diǎn)，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。為今后軸承分析同類(lèi)剝落損傷提供了經(jīng)驗(yàn)與工程借鑒價(jià)值，也為軸承加工過(guò)程中如何避免鍛造過(guò)燒提出預(yù)防措施，有利于確保和提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，提升軸承質(zhì)量。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

采用ZEISS體視顯微鏡對(duì)軸承外觀進(jìn)行檢查，外圈整體完整，滾道工作軌跡未見(jiàn)“偏異”，但軌跡內(nèi)存在輾壓麻坑(圖1)；雙半內(nèi)圈左半內(nèi)圈滾道未見(jiàn)剝落，但滾道表面存在輾壓損傷(圖2)；右半內(nèi)圈滾道出現(xiàn)沿圓周方向分布的斷續(xù)剝落帶，長(zhǎng)度約占整個(gè)滾道周長(zhǎng)的1/3，剝落區(qū)最寬的位置接近滾道寬，并呈現(xiàn)中間寬兩側(cè)逐漸變窄趨勢(shì)，剝落表面呈凹凸不平的鱗狀，有尖銳的溝角，呈疲勞擴(kuò)展特征的海灘狀紋路，未剝落區(qū)域滾道存在輾壓麻坑(圖3)。18粒球整體表面有輕微變色現(xiàn)象，同時(shí)球表面存在貓眼圈形磨損痕跡(圖4)。保持架內(nèi)徑存在磨損，靠非打字面一側(cè)的磨損嚴(yán)重，所有兜孔橫梁鍍層局部被磨掉，露出基體顏色(圖5)。

1.2 化學(xué)成分分析

采用CS-3000碳硫分析儀、UV-8000雙元素紫外分光光度計(jì)對(duì)軸承內(nèi)、外圈及鋼球材質(zhì)進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，由表1中檢測(cè)結(jié)果可知軸承內(nèi)、外圈及鋼球化學(xué)成分均符合YB/T4105—2000《航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫軸承鋼》[3]技術(shù)要求。

圖1 外滾道形貌Fig.1 Morphology of outer raceway

圖2 左半內(nèi)圈滾道形貌Fig.2 Morphology of left inner ring raceway

ItemCCrMoVMnSiSPNiCuSteelball0.824.244.450.960.300.320.0020.0030.0050.048Innerring0.803.924.280.920.320.290.0040.0040.0830.069Outerring0.834.144.140.970.260.220.0020.0020.0850.056YB/T41050.75～0.853.75～4.254.00～4.500.90～1.10≤0.35≤0.008 ≤0.015 ≤0.20

圖4 鋼球磨損形貌Fig.4 Surface weared morphology of steel balls

圖5 保持架磨損形貌Fig.5 Weared morphology of the keeper

1.3 硬度測(cè)試

采用洛氏硬度計(jì)HR-150檢測(cè)軸承內(nèi)、外圈端面硬度，滾動(dòng)體檢測(cè)球表面硬度，結(jié)果見(jiàn)表2。各零件硬度符合JB/T 2850—2007[4]標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 故障軸承硬度檢測(cè)結(jié)果

1.4 金相觀察

采用金相顯微鏡Axiovert200MAT觀察軸承內(nèi)、外圈及鋼球的顯微組織，為針狀馬氏體+二次碳化物+一次碳化物，均符合JB/T 2850—2007標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定。

對(duì)剝落內(nèi)圈軸向截取2塊試樣，剝落區(qū)截取一塊試樣，未剝落區(qū)截取一塊試樣，取樣位置如圖6所示。

顯微鏡觀察剝落區(qū)滾道面組織，發(fā)現(xiàn)剝落區(qū)域次表面存在多處類(lèi)似蝴蝶形白色組織[5]，而且蝶形翅膀上有細(xì)小微裂紋，距滾道面最深約0.21 mm，蝴蝶形長(zhǎng)約0.11 mm(圖7a)，同時(shí)剝落區(qū)域次表面及內(nèi)部存在尺寸不等、形狀不規(guī)則的尖角孔洞缺陷，最大孔洞長(zhǎng)約68 μm，最小長(zhǎng)約7.7 μm，孔洞邊緣存在碳化物和微裂紋形貌(圖7b)。

圖6 剝落內(nèi)圈取樣示意圖Fig.6 Sampling position of spalling inner ring

圖7 剝落區(qū)溝道次表面形貌Fig.7 Topography near the surface of the spalling aera

顯微鏡觀察非剝落區(qū)滾道面組織，滾道次表面存在2處蝶形組織，距滾道面0.12 mm(圖8a)，同時(shí)內(nèi)部存在較多形狀不規(guī)則尖角孔洞缺陷，多分布在晶粒界面上(圖8b)；尖角孔洞缺陷數(shù)量比剝落區(qū)少，分布區(qū)跟剝落區(qū)相近。

1.5 人為斷口觀察及能譜分析

將剝落半內(nèi)圈人為打斷斷口進(jìn)行觀察，斷口呈暗灰色較粗，有粗糙的放射棱，體視顯微鏡放大觀察局部斷口表面存在許多閃閃發(fā)光的晶粒棱面，似石狀斷口(圖9)。

圖8 非剝落區(qū)半內(nèi)圈形貌Fig.8 Microstructure of the half inner ring without spalling

圖9 剝落半內(nèi)圈人工斷口形貌Fig.9 Fracture morphology of the half inner ring without spalling

掃描電鏡下觀察人為打斷斷口，可清晰地看到，有部分晶粒界面存在燒損孔洞，進(jìn)一步觀察孔洞內(nèi)部形貌，發(fā)現(xiàn)孔洞內(nèi)形成金屬熔融形貌[6](圖10)。對(duì)孔洞進(jìn)行能譜檢測(cè)，結(jié)果顯示除基體元素外，含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.02%的O元素，O在此處偏聚； Mn、V含量升高，說(shuō)明合金元素或夾雜等向晶界偏聚改變了晶界成分，在奧氏體晶界處產(chǎn)生氧化或形成化合物，使其熔點(diǎn)降低，首先在三角晶界處熔化，然后擴(kuò)展晶粒界面熔化形成孔洞(表3)。

圖10 能譜取樣位置和鍛造過(guò)燒過(guò)程的缺陷形貌Fig.10 Metal melting morphology in forging burning holes and energy spectrum detection of hole表3 能譜檢測(cè)結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 3 Spectrum scanning spot test results (mass fraction /%)

ItemCOMoVCrMnFeFig.10a4.620.972.711.041.300.7785.59Fig.10b2.241.024.281.904.721.3484.51

觀察剝落區(qū)金相試樣組織形貌，可見(jiàn)試樣截面存在較多的孔洞，溝道次表面蝶形組織翅膀上伴有細(xì)小裂紋，組織周?chē)嬖谠S多孔洞(圖11)，對(duì)蝶形組織進(jìn)行能譜測(cè)試，其成分與基體相近(表4)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)晶粒局部熔化，高溫形成的魚(yú)骨狀共晶碳化物[7](圖12)，對(duì)其能譜檢測(cè)，可見(jiàn)合金碳化物元素C、Mo、V含量明顯升高，引起成分偏析(表5)。

圖11 基體和蝶狀的能譜檢測(cè)Fig.11 Energy spectrum detection of butterfly tissue and matrix表4 蝶形和基體的能譜檢測(cè)結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 4 Spectrum scanning test results of butterfly tissue and matrix (mass fraction /%)

ItemCOMoVCrMnFeButterfly2.311.203.881.914.190.6786.84Matrix3.972.024.021.004.150.9983.91

圖12 魚(yú)骨狀的共晶碳化物Fig.12 Herringbone eutectic carbides

2 分析與討論

2.1 軸承失效性質(zhì)分析

通過(guò)宏觀形貌分析，軸承右半內(nèi)圈滾道剝落具有一定深度和面積，滾道表面呈凹凸不平的鱗狀，有尖銳的溝角，呈現(xiàn)疲勞擴(kuò)展特征的海灘狀紋路，可判斷右半內(nèi)圈工作面剝落為接觸疲勞。

2.2 剝落原因分析

通過(guò)顯微組織觀察，宏觀斷口分析可見(jiàn)過(guò)燒孔洞，具有鍛造過(guò)燒石狀斷口特征。對(duì)其微觀觀察及能譜分析，孔洞缺陷均在晶界交叉處，部分晶界熔化形成尖角狀洞穴，使得晶面變寬，晶界被氧化開(kāi)裂呈尖角，同時(shí)高溫使晶粒失去棱邊變成表面圓滑的重熔面，改變了晶界成分，其熔點(diǎn)降低，材料內(nèi)部將出現(xiàn)成分偏析，合金碳化物含量升高，產(chǎn)生魚(yú)骨狀共晶碳化物，形成過(guò)燒形貌。同時(shí)，在剝落處次表面的過(guò)燒組織周?chē)l(fā)現(xiàn)白色蝴蝶形的組織相，在金相顯微鏡下分析可知該蝶形組織與碳化物相似，但掃描電鏡能譜分析成分與基體相近，并非鋼中的碳化物相，為“蝴蝶狀微裂紋”。國(guó)內(nèi)外都有資料對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行描述，認(rèn)為在一定交變載荷下最大應(yīng)力區(qū)中的最薄弱處(如孔隙，非金屬夾雜物、碳化物等)，會(huì)出現(xiàn)所謂的白色“蝶形缺陷”，材料內(nèi)部存在孔隙、裂紋夾雜或破損將容易形成“蝶形缺陷”[9]。對(duì)其產(chǎn)生的基理機(jī)理解釋?zhuān)ǔＵJ(rèn)為是由于受到交變載荷作用時(shí)，缺陷兩側(cè)相互擠壓擴(kuò)展，繼而形成冷作硬化和塑性變形，并產(chǎn)生相變，如：產(chǎn)生了重新淬火、碳化物析出和再結(jié)晶等不盡相同。以往的軸承失效分析表明，正常的軸承組織在額定載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，既使產(chǎn)生疲勞剝落也從未出現(xiàn)過(guò)此類(lèi)白色“蝶形缺陷”。此缺陷的產(chǎn)生進(jìn)一步證實(shí)了故障軸承套圈滾道次表面存在微觀過(guò)燒孔洞，使軸承出現(xiàn)早期疲勞剝落現(xiàn)象。

表5 圖12能譜測(cè)結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

過(guò)燒組織是由加熱溫度超過(guò)工藝溫度上限，并在此溫度下保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致材料過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)形成過(guò)燒，致使金屬晶界被氧化開(kāi)裂，主要表現(xiàn)為晶界氧化、重熔、共晶球以及在晶界交叉處形成三角形孔洞缺陷，過(guò)燒組織破壞了晶界，使材料的強(qiáng)度和塑性降低、脆性增加，有過(guò)燒組織的材料是無(wú)法挽救[8]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，嚴(yán)重的套圈鍛造過(guò)燒表面形態(tài)如桔子皮，上面分布有細(xì)小的裂縫和很厚的氧化皮，鍛件檢查外觀時(shí)就能發(fā)現(xiàn)。如果套圈內(nèi)部存在鍛造過(guò)燒，由于鍛造后的套圈表面有氧化皮覆蓋，一般不易被發(fā)現(xiàn)，只有車(chē)磨加工后才能充分暴露出過(guò)燒特征[9-10]，所以套圈內(nèi)部的鍛造過(guò)燒很難被檢測(cè)出，一旦混入鍛造合格品中，將會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重的危害[11]。

2.3 改進(jìn)措施

鍛造過(guò)燒對(duì)軸承產(chǎn)品使用壽命和可靠性有很大的影響，過(guò)燒產(chǎn)生的孔洞、微裂紋會(huì)成為軸承接觸疲勞失效的疲勞源，如果應(yīng)用在惡劣的工況條件下將成為重大安全隱患。減少鍛造缺陷的關(guān)鍵是嚴(yán)格控制套圈鍛造工藝過(guò)程，首先要嚴(yán)格執(zhí)行正確的加熱規(guī)范，注意裝爐方式，防止局部加熱，其次要校準(zhǔn)測(cè)溫儀表，控制爐溫、爐氣流動(dòng)，防止不均勻加熱，確保套圈鍛造質(zhì)量，使軸承的質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，以此保障航空發(fā)動(dòng)使用壽命。同時(shí)在鍛件出廠前可利用無(wú)損檢測(cè)的方法來(lái)排除鍛造缺陷。國(guó)內(nèi)常用的一種高速有效無(wú)損檢測(cè)方法為水浸超聲，主要用于零件內(nèi)部缺陷檢測(cè)，它是把探頭發(fā)射的超生波經(jīng)過(guò)液體耦合層后，再入射到工件中去，發(fā)射的超生波在液體與工件界面產(chǎn)生界面波，同時(shí)大部分聲能傳入工件 ，若工件中存在缺陷，則在缺陷處產(chǎn)生反射，由反射波的顯示，確定缺陷的位置、寬度、分布[12]，利用水浸超聲設(shè)備可對(duì)軸承套圈鍛件進(jìn)行檢測(cè)甄別，有效檢測(cè)出套圈內(nèi)部缺陷。

3 結(jié)論

1)軸承右半內(nèi)圈滾道為接觸疲勞剝落。

2)軸承右半內(nèi)圈滾道剝落，是套圈在鍛造過(guò)程中，產(chǎn)生過(guò)燒，在晶界處形成尖角孔洞，滾道在交變載荷作用下，以孔洞為核心，在滾道次表面形成“蝶形”組織，并形成微裂紋，擴(kuò)展致滾道表面形成剝落，導(dǎo)致軸承早期失效。

3)通過(guò)嚴(yán)格控制套圈鍛造工藝過(guò)程，從源頭減少和避免零件鍛造過(guò)燒。同時(shí)采水浸超聲的方法可對(duì)軸承套圈鍛件進(jìn)行檢測(cè)甄別，可有效地檢測(cè)鍛造過(guò)燒缺陷。

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Spalling Failure Analysis of Bearing in Aero Engine

BAN Jun，ZHENG Yan-hua，LIU Xiu-lian，LUO Yan，JIANG Tie-Yin

(AVICHarbinBearingCo.,Ltd.,Harbin150027,China)

Fatigue spalling occurred to a bearing of an aero engine during service. Macroscopic examination, chemical analysis, mechanical property testing, metallographic examination, energy spectrum analysis were carried out to analyze the spalling cause of bearing inner raceway. The results show that forging burning had occurred to the bearing inner ring and formed hole defects, destroying the continuity of metal and reducing the contact fatigue strength of bearing. Under the effect of alternating stress, the hole acted as the core, resulting in the butterfly structure around it. Then micro cracks initiated and expanded to the rolling contact surface, resulting in spalling and causing the fatigue failure. By controlling the forging process and increasing the forging defects detection means to prevent forging burning, the service life of the bearing can be prolonged.

8Cr4Mo4V steel；two half inner rings；forging burning；fatigue spalling；butterfly structure

2016年9月18日

2016年11月3日

班君(1963年-)，女，高級(jí)工程師，主要從事金相檢測(cè)與失效分析等方面研究。

V232

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.06.010

1673-6214(2016)06-0377-06