渦輪鉚釘頭脫落原因分析

劉 松

(中航工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心，南京 211106)

渦輪鉚釘頭脫落原因分析

劉 松

(中航工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心，南京 211106)

渦輪冷卻器返廠檢查時發(fā)現(xiàn)，渦輪上的1個鉚釘頭已經(jīng)斷裂、脫落；經(jīng)熒光無損探傷檢查發(fā)現(xiàn)其他一些鉚釘在鉚釘頭與鉚釘桿相接的轉(zhuǎn)角R處仍存有裂紋。本研究通過對斷口、硬度、化學(xué)成分、金相組織等理化檢測手段，并結(jié)合渦輪結(jié)構(gòu)和使用工況，對渦輪鉚釘頭脫落原因進行分析。結(jié)果表明：鉚釘?shù)臄嗔研再|(zhì)屬于微動疲勞；渦輪結(jié)構(gòu)明顯存在被鉚接件較薄、且硬度遠高于鉚釘?shù)脑O(shè)計缺陷；鉚釘頭脫落的主要原因可能與渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理及選材不當有關(guān)。采用優(yōu)化渦輪結(jié)構(gòu)、選取抗疲勞強度更佳的鉚釘?shù)却胧┛梢灶A(yù)防類似故障再次發(fā)生。

鉚釘；微動疲勞；渦輪；脫落

0 引言

微動是指配合構(gòu)件接觸表面間極小幅值的(微米級，甚至納米級)、反復(fù)的相對運動，通常發(fā)生在近似緊配合的接觸面。由于相對運動幅值很小，肉眼很難觀測到該行為，所以微動宏觀上往往表現(xiàn)為靜止而難以分辨。這也成為微動現(xiàn)象常會被設(shè)計者和工程師們忽視的原因。隨著工程構(gòu)件接觸面在微動過程中受交變載荷作用而發(fā)生微動疲勞損傷[1]認識的深入，微動損傷行為也受到了研究人員的關(guān)注[2]。鉚釘作為一類最為常見的緊固件，其連接方式具有工藝簡單、抗震、耐沖擊、傳力均勻、牢固可靠等優(yōu)點，被廣泛在機械構(gòu)件上所使用。由于鉚釘主要受剪應(yīng)力，而不易受到扭轉(zhuǎn)載荷作用，因此剪切過載破斷成為了鉚釘主要的破壞形式[3-5]，而疲勞斷裂破壞形式的卻不常見[6]。微動現(xiàn)象的存在可能會使鉚釘發(fā)生疲勞斷裂[7-9]，但機械產(chǎn)品設(shè)計人員往往對該現(xiàn)象不夠重視，設(shè)計過程中也主要只是對剪切應(yīng)力進行強度校核。鉚釘微動疲勞斷裂原因的分析及改進措施，可以為緊固件的失效分析與預(yù)防研究提供一些具有工程價值的參考和依據(jù)。

渦輪冷卻器是飛機環(huán)控系統(tǒng)的核心部件，其基本功能是使從發(fā)動機引來的高溫、高壓空氣通過膨脹做功后制冷，被輸送到座倉或設(shè)備倉，供人員或設(shè)備冷卻使用[10-11]。渦輪作為整個渦輪冷卻器最為關(guān)鍵的零部件，其失效與否關(guān)系到整個環(huán)控系統(tǒng)的效果，甚至整個飛機的飛行安全。

渦輪冷卻器返廠檢查時發(fā)現(xiàn)，渦輪上的1個鉚釘頭已經(jīng)斷裂、脫落。本研究通過對鉚釘斷裂處的結(jié)構(gòu)受力情況分析，結(jié)合斷口及材料的理化檢測結(jié)果，確定渦輪鉚釘頭脫落的原因，并提出相應(yīng)的改進措施。旨在避免類似故障再次發(fā)生，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，豐富鉚釘類緊固件失效案例。

1 渦輪結(jié)構(gòu)

斷裂鉚釘?shù)臏u輪主要由渦輪葉輪、輪箍、鉚釘、測速裝置4部分組成(圖1)，渦輪葉輪與輪箍通過35個鉚釘鉚接在一起，使相鄰兩葉片間形成腔體，成為空氣流入、流出的通道(圖2)。工作時高溫、高壓空氣從渦輪外徑邊緣，沿葉片導(dǎo)向流入，推動渦輪壓縮空氣做功，使空氣溫度和壓力降低，徑向流出渦輪，通過管道等部件輸送到飛機需要冷氣的各個部位。渦輪葉輪由機械加工制成，材料為2A70鋁合金，T6狀態(tài)；輪箍由GH4169高溫合金鈑金沖壓成型，時效處理，厚度0.3 mm；鉚釘為采購的標準件，材料為2A01鋁合金，T4狀態(tài)；測速裝置由機械加工制成，材料為1Cr18Ni9不銹鋼，固溶狀態(tài)。

圖1 渦輪形貌Fig.1 Morphology of the turbine

圖2 氣體流入渦輪模型及通道Fig.2 Air inflow turbine model and passage

2 試驗過程與結(jié)果

2.1 無損檢測

拆下渦輪對未發(fā)生斷裂的鉚釘進行熒光檢測，發(fā)現(xiàn)有8根鉚釘在鉚釘頭與鉚釘桿相接的轉(zhuǎn)角R處存在裂紋(與斷裂位置相吻合)。拆下新加工、鉚接好的渦輪(未裝配到渦輪冷卻器上工作過)鉚釘進行熒光檢測，未發(fā)現(xiàn)鉚釘有裂紋存在。

2.2 斷口檢查

斷裂鉚釘斷口附近無明顯的塑性變形，斷口較平坦，裂紋由兩側(cè)起裂，向心部擴展。一側(cè)擴展區(qū)域較大，另一側(cè)擴展區(qū)域較小，基本無瞬時破斷區(qū)(圖3a)。斷裂源區(qū)有摩擦痕跡，未見初始裂紋痕跡及夾雜等缺陷形貌存在(圖3b)；斷裂源區(qū)附近側(cè)表面有明顯的機械摩擦損傷痕跡(圖3c、圖3d)。擴展區(qū)呈羽毛狀花樣形貌，有明顯的疲勞臺階和疲勞條帶形貌存在。

對熒光檢測出有裂紋的鉚釘人工打斷，觀察裂紋斷口與人工斷口形貌。裂紋斷口形貌與斷裂鉚釘斷口形貌相同，存在明顯的疲勞斷口特征(疲勞條帶)，見圖3e、圖3f；人工打斷區(qū)域斷口形貌為韌窩，見圖3g。

圖3 鉚釘斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of rivet

對拆下已經(jīng)過熒光檢測，未發(fā)現(xiàn)有裂紋缺陷的新加工、鉚接好的渦輪鉚釘(未裝配到渦輪冷卻器上工作過)，進一步在掃描電子顯微鏡下對其鉚接變形R角處進行檢查。R角處只留下了變形產(chǎn)生的滑移帶形貌(圖4、圖5)，未發(fā)現(xiàn)鉚接成型缺陷。

圖4 鉚接成型后R角形貌Fig.4 R angle morphology after riveting

圖5 滑移帶Fig.5 Slip bands

2.3 金相組織與化學(xué)成分

對斷裂鉚釘進行金相組織檢查，金相組織正常，未見過燒現(xiàn)象，見圖6。

對斷裂鉚釘進行化學(xué)成分分析，其結(jié)果符合GB/T 3190—2008規(guī)定的2A01鋁合金的化學(xué)成分要求，見表1。

圖6 金相組織形貌Fig.6 Metallurgical morphology

2.4 硬度測試

對斷裂鉚釘進行硬度測試，其維氏硬度約為HV0.2105；對輪箍進行硬度測試，其維氏硬度約為HV0.2476。

3 分析與討論

通過斷口、無損檢測及鉚接成型后R角處形貌檢查的結(jié)果，排除了鉚釘?shù)牧鸭y是在鉚接過程中形成的可能，可以確定裂紋及斷裂應(yīng)該是在工作過程中產(chǎn)生的。鉚釘?shù)牧鸭y斷口與斷裂斷口形貌特征相同，斷裂性質(zhì)均為疲勞斷裂。鉚釘?shù)牟牧铣煞帧⒔M織、硬度等均符合2A01鋁合金(T4狀態(tài))的要求，且斷裂源區(qū)未發(fā)現(xiàn)夾雜等冶金缺陷，這些均可以說明鉚釘?shù)臄嗔鸭傲鸭y的產(chǎn)生原因與材料缺陷無關(guān)。由于鉚釘主要受剪應(yīng)力，又不受到扭轉(zhuǎn)載荷作用，一般情況下是不會發(fā)生疲勞破壞的。然而，此渦輪鉚釘發(fā)生了疲勞破壞勢必受到了交變載荷的作用。分析渦輪的工作過程可知，由于輪箍較薄，當高壓空氣從渦輪外徑邊緣流入葉片間通道瞬間，氣體壓力可以使輪箍產(chǎn)生向外的一定量彈性變形，而當氣體流出葉片間通道瞬間，輪箍向外的彈性變形減小(圖7)。這種情況下，輪箍就會產(chǎn)生高頻、往復(fù)的彈性形變。輪箍高頻、往復(fù)的彈性形變會使其與鉚釘配合的部位(鉚釘頭與鉚釘桿相接的轉(zhuǎn)角R處)產(chǎn)生交變雙向彎曲載荷和往復(fù)的微動位移。再有，輪箍與渦輪葉片具有一定的斜度，鉚接過程通過工裝夾具冷鐓完成。由于輪箍斜度的存在，鉚釘頭與輪箍不能很好的貼合，局部存在較小的縫隙，為微動位移的產(chǎn)生提供了空間。鉚釘斷裂源區(qū)附近側(cè)表面留下的機械摩擦損傷痕跡已很好地證明了這一點。因此可以確定渦輪旋轉(zhuǎn)工作時，鉚釘具備了發(fā)生微動疲勞的條件，鉚釘斷口源區(qū)摩擦痕跡的存在也佐證其具有微動磨損的過程。

表1 鉚釘?shù)幕瘜W(xué)成分 (質(zhì)量分數(shù) /%)Table 1 Chemical content of the rivet (mass fraction/%)

圖7 工作原理圖Fig.7 Schematic diagram of working principle

據(jù)資料[3]介紹，若被連接件相對較薄并且硬度遠高于鉚釘，鉚釘則會在比用厚材料試驗所定出的極限強度值低的應(yīng)力作用下失效。從結(jié)構(gòu)上分析，輪箍較薄(0.3 mm)，且硬度遠高出鋁合金鉚釘?shù)挠捕龋嬖诿黠@鉚接結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理的現(xiàn)象。薄而硬的輪箍如同刀子割在鉚釘上，使其接觸部位產(chǎn)生更大的應(yīng)力集中，微動的位移就可以造成損傷，促進裂紋萌生。加之，渦輪以3萬r/min以上的轉(zhuǎn)速工作時，鉚釘斷裂處會產(chǎn)生一定的應(yīng)力作用(離心力)。根據(jù)Goodman力學(xué)理論可知，平均應(yīng)力越大，材料疲勞壽命(材料在受到隨時間而交替變化的載荷作用，所產(chǎn)生的應(yīng)力也會隨時間作用交替變化，這種交變應(yīng)力超過某一極限強度而長期反復(fù)作用即會導(dǎo)致材料的破壞，這個極限稱為材料的疲勞極限)越低[12]。因此，可以確定工作時鉚釘斷裂處所能承受的疲勞載荷強度要比靜止狀態(tài)下(不旋轉(zhuǎn))低。

綜合以上的試驗檢測和分析結(jié)果，可以確定鉚釘?shù)臄嗔研再|(zhì)屬于微動疲勞。微動疲勞產(chǎn)生的主要原因是由于工作過程中鉚釘受到輪箍傳遞的高頻氣體壓力變化載荷，在鉚釘自身抗疲勞強度有所降低的情況下，發(fā)生微動疲勞斷裂?？蛊趶姸冉档椭饕獊碜杂阢T接結(jié)構(gòu)和高速旋轉(zhuǎn)工作環(huán)境。因此提高鉚釘抗疲勞強度，優(yōu)化渦輪結(jié)構(gòu)是預(yù)防故障再次發(fā)生的最佳措施。

4 改進措施

針對本次故障原因，采取以下措施可有效改善或預(yù)防類似故障再次發(fā)生：

1)改用抗疲勞性能更高的鋁合金鉚釘，如2A11鋁合金鉚釘；

2)在滿足或允許條件下，不使用鉚接結(jié)構(gòu)，可嘗試鑄造整體葉輪；

3)在滿足或允許條件下，增加輪箍厚度，并更換硬度與鋁鉚釘硬度更為匹配的材料，如固溶態(tài)的1Cr18Ni9類的不銹鋼材料。

5 結(jié)論

1)渦輪鉚釘斷裂性質(zhì)屬于微動疲勞。

2)渦輪鉚釘微動疲勞發(fā)生可能主要與鉚接結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理(薄片鉚接)有關(guān)。

3)渦輪鉚釘與輪箍的硬度不匹配，對其斷裂起到了促進作用。

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Analysis on Head Shedding off from Rivet of Turbine

LIU Song

(AVICJinchengNanjingElectricalandHydraulicEngineeringResearchCenter,Nanjing211106,China)

A rivet head was found to have shed off from the turbine during the return check. Cracks were also found in the head R angles of some other rivets by means of fluorescence penetrant inspection. In this paper, the cause of rivet head shedding off from turbine was analyzed by means of fracture observation, hardness testing, chemical composition analysis and metallographic examination. The turbine structure and working condition were also considered. The results show that the fracture mode is fretting fatigue fracture. The turbine structure has obvious design deficiency: the riveted part is thin and its hardness is much higher than that of the rivet. The fretting fatigue fracture of rivet is related to design deficiency and material selection. Such measures as improving structure and selecting suitable rivet material can effectively prevent such failure.

rivet; fretting fatigue; turbine; shedding off

2016年12月3日

2017年1月21日

劉松(1979年-)，男，碩士，高級工程師，主要從事金屬材料檢測技術(shù)和失效分析等方面研究。

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.01.010

1673-6214(2017)01-0049-05