發(fā)動機防喘引接管斷裂分析

鄭 真，陳 星，張 爽

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095； 3.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；4.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095；5.中國航發(fā)西安航空發(fā)動機有限公司，西安 710021)

0 引言

發(fā)動機防喘引接管的作用是將高壓氣體引入外函道以供防喘調節(jié)器工作，其受力狀態(tài)較為復雜，除受到振動載荷的作用外，還會受到氣動載荷等附加載荷。該防喘引接管曾經使用的材料為GH536高溫合金，由于其釬焊結構疲勞抗力不足，多次在彎管段球座根部發(fā)生疲勞斷裂[1]，后將零件材料改為0Cr18Ni9鋼，管件接嘴部分的焊接工藝為氬弧焊。

飛機發(fā)動機在空中飛行時發(fā)生喘振現象，地面檢查發(fā)現發(fā)動機防喘引接管斷裂，該現象發(fā)生數次，工作時間分別在幾個小時到100多個小時不等，多個引接管的斷裂位置和斷裂特征有明顯的共同點，斷裂性質為應力腐蝕斷裂，但也存在疲勞擴展特征。本研究對其中2個典型斷裂件進行綜合分析。

引接管材質為0Cr18Ni9鋼，工藝流程為：氬弧焊→校正→真空釬焊→真空固溶、時效→校正→液壓試驗→檢驗。本研究分析引接管的斷裂情況，從引接管材質、應力狀態(tài)和使用環(huán)境等方面尋找原因，并提出了改進建議，以期為引接管的安全使用提供參考，對應力腐蝕與腐蝕疲勞擴展的分析鑒別也具有重要意義。

1 試驗過程和結果

1.1 宏微觀觀察

斷裂防喘引接管A、B的宏觀形貌如圖1所示，管件均斷裂于引接管短管接嘴側距焊縫約3 mm處，引接管A在長管同一位置發(fā)現裂紋。將長管裂紋人工打開，2個短管和1個長管的斷口宏觀形貌如圖2所示，可見2個短管原始裂紋斷口均較為平坦，高差較小，無明顯變形，斷口可見磨損痕跡，部分區(qū)域呈金黃色。

采用JXA-8100型電子探針進行微觀觀察，2個短管斷口的沿晶特征約占整個斷面的2/3，A-長管斷口形貌如圖3所示，沿晶特征一側為疲勞區(qū)，人工打開斷口可見明顯塑性變形(放大可見韌窩特征)。金黃色區(qū)域放大觀察可見疲勞特征，疲勞為多源起源，大部分起源于沿晶裂紋尖端(也有一處起源于引接管外表面)，起源附近晶面上可見“泥紋花樣”，疲勞區(qū)可見疲勞弧線特征(圖4)。疲勞擴展區(qū)可見疲勞條帶形貌，后期可見“河流花樣”的準解理形貌(圖5)。斷面上可見沿晶二次裂紋，且斷口附近外表面也發(fā)現有分叉裂紋和“泥紋花樣”(圖6)。疲勞區(qū)未見腐蝕產物。采用Oxford E-350型能譜儀(EDS)對A-短管斷面、外表面的腐蝕產物和疲勞區(qū)進行微區(qū)成分分析，腐蝕產物含有S、Cl等腐蝕性元素(表1)。

圖1 防喘引接管斷裂位置及宏觀形貌Fig.1 Fracture position and macro appearance of antisurge lead pipe

圖2 防喘引接管斷口宏觀形貌Fig.2 Fracture appearance of antisurge lead pipe

ManualfractureFatigueregionIntergranularregion100μm圖3 A-長管斷口沿晶形貌Fig.3 AppearanceofintergranularofA-longpipeMuddypatternIntergranularFatigueline10μm圖4 B-短管疲勞起源于沿晶界面及疲勞弧線形貌Fig.4 FatiguestartedfromintergranularandappearanceoffatiguelineofB-shortpipe

圖5 A-長管擴展區(qū)疲勞條帶形貌及準解理形貌Fig.5 Fatigue striation and quasi-cleavage appearance of extension region of A-long pipe

圖6 斷口附近外表面龜裂腐蝕形貌Fig.6 Corrosion appearance of internal surface near the fracture 表1 A-短管能譜分析結果 (質量分數 /%)Table 1 EDS results of A-short pipe (mass fraction /%)

ElementsCONaSiSClKCaCrMnFeNiCorrosionproductsoffracture13.013.00.73.410.954.94.1Corrosionproductsofoutersurface21.22.81.70.84.80.91.133.27.412.613.5Fatiguearea3.618.11.468.88.1

1.2 金相組織檢驗

從斷口沿晶區(qū)截取垂直于斷口的截面試樣，磨拋腐蝕后采用奧林巴斯SZ 61型金相顯微鏡進行組織檢查，腐蝕劑選用CuSO4·5H2O 4 g+HCl 20 mL+水20 mL溶液。接嘴側管件由棒料加工而成，焊接另一側管件由鍛件加工而成，其組織均為奧氏體晶粒，二者材料的晶粒度差別較大(圖7)，晶界上未見明顯碳化物。參照GB/T 6394—2017，采用對比法對斷裂接嘴處組織的晶粒度進行評級，其晶粒度約為1.5級，與接嘴基體晶粒大小無明顯差別。拋光態(tài)的試樣可見二次裂紋和粗化晶界(圖8)，此外，引接管內外表面也可見粗化晶界形貌，其元素分布見圖9。能譜分析結果表明粗化晶界內含有少量腐蝕性元素(表2)。參考文獻[2]、文獻[3]，這2件引接管為典型的應力腐蝕開裂，其中應力腐蝕裂紋的分叉裂紋為區(qū)分實際斷裂構件是應力腐蝕、腐蝕疲勞或者晶間腐蝕的重要特征。

圖7 防喘引接管A-短管金相組織Fig.7 Microstructure of A-short pipe

圖8 防喘引接管粗化晶界Fig.8 Coarsened grain boundary of the antisurge lead pipe

圖9 B-短管粗化晶界能譜線分析結果Fig.9 EDS line analysis results of B-short pipe coarsened grain boundary 表2 粗化晶界能譜分析結果 (質量分數 /%)Table 2 EDS results of coarsened grain boundary (mass fraction /%)

ElementsCONaSiSClKCaCrMnFeNiCoarsenedgrainboundarynearfracture7.49.20.30.614.20.960.17.3Coarsenedgrainboundarynearoutersurface1.510.72.70.42.72.21.10.632.61.339.25.1

1.3 顯微硬度測量

在圖7中a、b、c處對引接管材料進行顯微硬度測量，結果見表3，可見，斷口附近硬度>焊縫硬度>焊縫另一側硬度。

表3 顯微硬度分析結果Table 3 Microhardness results HV0.2

2 分析與討論

引接管裂紋首先沿晶擴展(面積約占整個斷口的2/3)，斷面上有S、Cl等腐蝕元素，斷面和管內外壁可見分叉裂紋和“泥紋花樣”腐蝕產物，然后發(fā)生疲勞擴展，人工打開斷口為韌窩形貌，說明引接管的失效模式為應力腐蝕引起的沿晶開裂，隨后裂紋在交變應力下發(fā)生了疲勞擴展，最終導致引接管斷裂。不銹鋼的晶間腐蝕在理論與實踐上已得到較好解決，應力腐蝕開裂逐漸成為不銹鋼腐蝕破壞中最突出的問題[4-5]。

在使用條件下產生應力腐蝕開裂的影響因素很多，主要有材料因素(成分、組織、狀態(tài)等)、力學因素(振動載荷、氣動載荷、殘余應力等)、環(huán)境因素(溫度、介質的種類、濃度等)。本研究中，引起應力腐蝕的條件主要有：

1)材料因素。材料本身的應力腐蝕敏感性高；引接管斷口組織的晶粒度為1.5級，明顯過于粗大，粗大奧氏體組織對應力腐蝕及裂紋傳播比較敏感[6]。

2)力學因素。應力腐蝕的應力源可以由外加載荷引起，也可在鍛造、機加工、焊接、熱處理等加工成型工藝中產生，引接管在熱處理后還經過校正和裝配，存在裝配應力，還有焊接、冷加工產生的殘余應力，很容易成為應力腐蝕的力學原因；此外，斷口的磨損特征與多源疲勞特征說明引接管承受了較大的振動應力。

3)環(huán)境因素。引接管的工作溫度大約在300～500 ℃，存在高溫環(huán)境；引接管斷面和內外表面均發(fā)現有S、Cl元素，存在腐蝕性介質，金屬材料只有在特定的活性介質中才發(fā)生應力腐蝕開裂，如鋼在Cl-的作用下比較敏感[7-10]，除氯化物外，硫化氫水溶液、硫酸和亞硫酸也是奧氏體不銹鋼的常見腐蝕介質[11]。

綜上所述，引接管存在高溫環(huán)境和腐蝕性環(huán)境，引接管接嘴晶粒粗大，材料應力腐蝕敏感性較強，在殘余應力、裝配應力以及振動應力的作用下，發(fā)生了應力腐蝕。

材料的應力腐蝕斷裂是多個因素共同作用產生的，其發(fā)生原因、過程和機理仍需要開展大量的工作來進行深入研究[4]。

3 改進措施

通過對防喘引接管開裂情況的分析，可以從以下方面進行改進：

1)改善材料的顯微組織，嚴格控制引接管接頭側棒料的晶粒度，降低其應力腐蝕敏感性，此外，0Crl8Ni9材料由于耐Cl-應力腐蝕性差，不適宜在Cl-環(huán)境中使用；

2)嚴格控制裝配過程中裝配應力和振動應力的大?。?/p>

3)若腐蝕性環(huán)境不可避免，應在相應環(huán)境下采取表面鈍化處理和表面涂層處理等手段改善不銹鋼材料耐應力腐蝕性能[12]。

4 結論

1)引接管的失效模式主要為應力腐蝕引起的沿晶開裂，隨后裂紋在交變應力下發(fā)生疲勞擴展，最終導致引接管斷裂。

2)引接管存在腐蝕性環(huán)境，引接管接嘴晶粒粗大，材料應力腐蝕敏感性較強，在焊接殘余應力和裝配應力的作用下，發(fā)生了應力腐蝕。

3)建議嚴格控制引接管接頭側棒料的晶粒度，降低其應力腐蝕敏感性；并建議嚴格控制裝配過程，控制裝配應力和振動應力的大??；可采取表面鈍化處理和表面涂層處理等手段改善不銹鋼材料耐應力腐蝕性能。

參考文獻

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