發(fā)動機(jī)高壓燃油泵開裂分析

都建京 ，魏振偉 ,2,3,*，趙文俠 ,2,3，劉昌奎 ,2,3

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測與評價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095）

0 引言

航空發(fā)動機(jī)作為飛機(jī)唯一的動力來源，其服役穩(wěn)定性直接影響著飛機(jī)的飛行安全。研究統(tǒng)計(jì)表明，航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)故障總數(shù)最多且平均故障間隔時(shí)間最短，是最為薄弱的子系統(tǒng)[1]。高壓燃油泵作為燃油系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其作用是提供發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作所需的燃油。變形鋁合金因其具備自身鈍化以及低密度等優(yōu)點(diǎn)通常作為燃油泵首選材料，經(jīng)過表面陽極化處理的鋁合金制件無論是在空氣中還是燃油環(huán)境里均具有較好的抗腐蝕性以保證穩(wěn)定工作。但是鋁合金構(gòu)件即使經(jīng)過表面處理，依然受到環(huán)境的影響，產(chǎn)生點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕損傷在載荷作用下易萌生裂紋，從而縮短結(jié)構(gòu)疲勞壽命，降低結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度[2-3]，使得發(fā)動機(jī)整體工作穩(wěn)定性和安全性大打折扣。點(diǎn)蝕的產(chǎn)生對于鋁合金結(jié)構(gòu)件來講是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，環(huán)境的因素、結(jié)構(gòu)件合金微觀組織均勻性等均會導(dǎo)致局部點(diǎn)蝕電位的下降[4]，從而發(fā)生局部點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕作為航空發(fā)動機(jī)用鋁合金結(jié)構(gòu)件一個(gè)較為頻發(fā)的故障模式越來越受到重視。

發(fā)動機(jī)高壓燃油泵經(jīng)過2 次長試，服役時(shí)間超過700 h，在發(fā)動機(jī)長試中燃油泵工作情況正常，功能、性能滿足技術(shù)協(xié)議要求。第二次長試結(jié)束后，按例對泵進(jìn)行返廠檢查，發(fā)現(xiàn)泵殼體出油口出現(xiàn)裂紋。燃油泵工作環(huán)境油溫為(25±5) ℃，出油口最大設(shè)計(jì)壓力為(20.6±1) MPa，最大實(shí)測壓力為21.2 MPa。燃油泵殼體材料為2A14 鋁合金，T6 狀態(tài)，殼體表面經(jīng)鉻酸陽極化處理，陽極化層厚度不低于2 μm，出油口內(nèi)表面根部R 設(shè)計(jì)值為0.3～0.5 mm。

本研究對燃油泵殼體熒光顯示區(qū)域進(jìn)行宏觀觀察，利用掃描電子顯微鏡對裂紋及其斷口進(jìn)行宏、微觀觀察及能譜分析，利用光學(xué)顯微鏡、顯微硬度計(jì)對裂紋及其附近基體合金不同位置進(jìn)行金相檢測、硬度檢測以及表面形貌觀察，采用ANSYS分析軟件對燃油泵根部R 角尺寸與受力情況之間的關(guān)系進(jìn)行分析，確定燃油泵殼體開裂性質(zhì)，并分析開裂原因。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

燃油泵殼體上端有一個(gè)進(jìn)油口、一個(gè)出油口，出油口通過帶螺紋的導(dǎo)管引出，導(dǎo)管不接觸出油口根部，在出油口根部通孔兩側(cè)拐角位置出現(xiàn)裂紋（圖1 中箭頭位置）。熒光顯示裂紋沿出油口根部擴(kuò)展，并貫穿整個(gè)壁厚（圖2）。將左側(cè)裂紋經(jīng)人工打開后，利用Leica M205C 體式顯微鏡觀察斷口宏觀形貌，裂紋向內(nèi)擴(kuò)展深度約為5.7 mm，內(nèi)側(cè)根部倒角為R1（設(shè)計(jì)要求0.3～0.5 mm），源區(qū)位于出油口內(nèi)表面根部，斷面為銀灰色，可見反光刻面，人工打開的斷裂區(qū)呈灰色（圖3）。

圖1 高壓燃油泵宏觀形貌Fig.1 Macro appearance of high pressure fuel pump

圖2 表面熒光顯示Fig.2 Result of surface fluorescence detection

圖3 斷口宏觀形貌（左側(cè)）Fig.3 Macro appearance of facture (left side)

1.2 微觀觀察

裂紋斷口微觀形貌見圖4。源區(qū)表面粗糙，為鏈狀點(diǎn)蝕坑（圖4a）；裂紋擴(kuò)展區(qū)放射棱線清晰，向外表面及基體內(nèi)部擴(kuò)展，放大后可見疲勞條帶特征（圖4b）。左側(cè)裂紋在外表面從孔邊緣延伸到根部，裂紋路徑上可見點(diǎn)蝕坑（圖5a）；內(nèi)表面裂紋距離根部約0.7 mm，表面可見加工刀痕及點(diǎn)蝕坑，裂紋沿著部分點(diǎn)蝕坑以及加工刀痕擴(kuò)展（圖5b）。

1.3 化學(xué)成分分析

對左側(cè)裂紋斷口不同位置進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明：源區(qū)有大量的C、O 元素以及腐蝕性S 元素，基體元素Fe、Mn、Si 含量較高；斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)未見腐蝕性S 元素，只有少量的C、O 等污染元素。

1.4 硬度檢測

對殼體斷口邊緣進(jìn)行顯微硬度測試，對基體分別進(jìn)行顯微硬度及布氏硬度測試，斷口邊緣和基體組織硬度未見差異，基體硬度為HB 133～152，符合GJB2351 關(guān)于2A14-T6 的硬度要求（HB≥120）。

圖4 裂紋斷口微觀形貌Fig.4 Microstructure of fracture

圖5 左側(cè)R 角表面微觀形貌Fig.5 Micro appearance of surface at R corner

1.5 金相檢驗(yàn)

截取斷口截面進(jìn)行金相組織檢測，斷口邊緣和基體組織未見明顯差異，組織均為α 基體上分布著白亮色Al2Cu 及黑色鏈狀雜質(zhì)相AlMnFeSi，未見過熱或過燒特征。

2 分析與討論

燃油泵殼體出油口內(nèi)表面左、右R 角根部開裂，裂紋長度均約5.7 mm。左、右兩側(cè)可見5～6個(gè)小線源，其中左側(cè)的5個(gè)小線源中存在1 條沿加工刀痕開裂的源區(qū)，其余小線源均為鏈狀點(diǎn)蝕坑；源區(qū)開裂后向基體內(nèi)部及外表面擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)的擴(kuò)展棱線清晰，放大后可觀察到清晰的疲勞條帶特征，未發(fā)現(xiàn)有腐蝕特征。由此可知，該燃油泵殼體裂紋開裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

裂紋起源于點(diǎn)蝕坑，能譜分析結(jié)果顯示，點(diǎn)蝕坑有大量C、O 元素以及腐蝕性S 元素，且基體元素Fe、Mn、Si 含量較高，2A14 鋁合金中存在鏈狀A(yù)lMnFeSi 相。發(fā)生點(diǎn)蝕損傷與金屬構(gòu)件表面組織結(jié)構(gòu)的不均勻性，尤其與表面的夾雜物、表面保護(hù)膜的不完整性有關(guān)[5]。鋁合金屬于具備自我鈍化功能的材料，高壓燃油泵殼體經(jīng)過鉻酸陽極化處理后在殼體表面產(chǎn)生了厚度約2～4 μm 的陽極化膜，之所以能發(fā)生點(diǎn)蝕，主要是因?yàn)槿加捅霉ぷ鳝h(huán)境中帶有腐蝕性離子以及溶解O 或氧化劑存在于溶液中（該故障件實(shí)際工作時(shí)間已超過700 h），經(jīng)過排查發(fā)現(xiàn)腐蝕性S 元素主要來源于燃油，測得燃油中的含S 量為0.161%（符合標(biāo)準(zhǔn)≤0.2%）。但是，除了燃油中自帶的腐蝕性S 元素，在空氣中也含有微量的硫化物、氧化物等，這些腐蝕性離子和氧化劑離子吸附于殼體表面鈍化膜上，吸附的氧化劑使殼體材料的腐蝕電位接近其自身的點(diǎn)蝕電位，同時(shí)殼體材料中析出的金屬間化合物存在于殼體表面增加了點(diǎn)蝕的敏感性，使得局部腐蝕電位超過了點(diǎn)蝕電位，此時(shí)腐蝕元素陰離子穿過鈍化膜與合金中析出的金屬間化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成點(diǎn)蝕坑。圖6 為典型鋁合金點(diǎn)蝕機(jī)理示意圖[6]，化學(xué)式(1)、化學(xué)式(2)表明鋁合金在堿性環(huán)境下發(fā)生了局部點(diǎn)蝕[7-8]。

圖6 典型鋁合金點(diǎn)蝕機(jī)理示意圖[5]Fig.6 Schematic illustration of pitting corrosion on aluminum alloys[5]

腐蝕性元素的出現(xiàn)進(jìn)一步提高了合金表面局部點(diǎn)蝕發(fā)生的概率，無論是燃油中攜帶的S 元素還是空氣中融入的硫化物吸附于燃油泵殼體表面，O 元素和殼體表面鏈狀金屬間化合物AlMnFeSi 的出現(xiàn)降低了殼體材料點(diǎn)蝕電位，使得腐蝕性陰離子穿過鈍化膜與殼體合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)式(3)～(6)說明了S 元素和O 元素共同作用于鋁合金殼體表面形成點(diǎn)蝕的機(jī)理[9-11]。S 及其化合物的出現(xiàn)，對于具有自身鈍化行為的合金材料的局部抗腐蝕能力是致命的。過去幾十年中，研究人員對Cl-影響鋁合金結(jié)構(gòu)件的點(diǎn)蝕機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并得到了豐富的研究成果，形成了離子滲透、表面吸附以及膜破損等理論模型。對于S 及其化合物引起的點(diǎn)蝕機(jī)理尚處于研究當(dāng)中[12]，但燃油泵殼體耐腐蝕性試驗(yàn)結(jié)果表明：選取另一件使用相同合金材料的燃油泵浸泡于相同的燃油環(huán)境中，在受到很小的外加應(yīng)力條件下依然出現(xiàn)了表面腐蝕特征。能譜分析結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物含有S、Fe、Mn、Si 元素，S 作為腐蝕性陰離子吸附于結(jié)構(gòu)件鈍化膜表面，在局部發(fā)生硫離子穿透鈍化膜并與合金中金屬間化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生點(diǎn)蝕坑。因此，分析認(rèn)為，殼體表面的鏈狀點(diǎn)蝕坑是由于鏈狀相AlMnFeSi 長期接觸燃油所致。

點(diǎn)蝕坑在疲勞載荷的作用下將產(chǎn)生應(yīng)力集中，使裂紋很快從點(diǎn)蝕坑處萌生。研究結(jié)果[13]表明：鋁合金構(gòu)件表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕坑后，在疲勞載荷的作用下裂紋會迅速萌生，且點(diǎn)蝕坑的存在幾乎消除了材料的裂紋萌生階段[14]。對點(diǎn)蝕坑裂紋大量的研究都表明：只要在應(yīng)力集中處有點(diǎn)蝕坑存在，即使點(diǎn)蝕坑在疲勞載荷下的應(yīng)力強(qiáng)度因子小于裂紋擴(kuò)展門檻值，裂紋幾乎總是從點(diǎn)蝕坑處萌生[15]。點(diǎn)蝕坑的深度是表征腐蝕環(huán)境下材料及其構(gòu)件損傷的重要參量，其隨時(shí)間的增加不斷加深。在腐蝕和疲勞載荷共同作用下，點(diǎn)蝕坑擴(kuò)展與裂紋萌生是相互競爭關(guān)系[16]，點(diǎn)蝕坑萌生裂紋的條件是該處的應(yīng)力強(qiáng)度因子變化程度大于裂紋擴(kuò)展門檻值，即ΔK＞ΔKth，且裂紋擴(kuò)展速率大于腐蝕環(huán)境下點(diǎn)蝕坑的擴(kuò)展速率(da/dt)crack＞(da/dt)pit。燃油泵殼體開裂位置位于內(nèi)表面R 角根部，該位置為應(yīng)力集中處。鏈狀點(diǎn)蝕坑的形成加劇了殼體出油口內(nèi)表面R 角根部的應(yīng)力集中程度，利用強(qiáng)度仿真分析軟件對殼體進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，應(yīng)力最大位置位于出油口內(nèi)表面R 角根部，與開裂位置一致（圖7）。有限元分析過程中，按照實(shí)際測試值在殼體內(nèi)部均勻加載21 MPa 壓力。按照R 角的設(shè)計(jì)值0.3～0.5(取R0.4)計(jì)算，殼體R 角根部的最大應(yīng)力為326 MPa；當(dāng)圓角為R1.0 時(shí)，殼體根部的最大應(yīng)力為299 MPa；當(dāng)圓角為R2.0 時(shí)，殼體根部最大應(yīng)力為224 MPa；當(dāng)圓角為R3.0 時(shí)，殼體根部最大應(yīng)力為186 MPa。根據(jù)《中國航空材料手冊》2A14 鋁合金T6 狀態(tài)的疲勞極限(N=107循環(huán)周次)為305 MPa[17]，與本次殼體根部為R1.0 模擬計(jì)算的最大應(yīng)力299 MPa 相接近。

圖7 ANSYS 仿真分析Fig.7 ANSYS simulation analysis

點(diǎn)蝕坑的出現(xiàn)使得裂紋萌生壽命大幅度下降[18]，與未腐蝕狀態(tài)相比，含點(diǎn)蝕損傷某鋁合金的疲勞壽命在恒幅載荷下降低85%，譜載荷下則不到原疲勞壽命的8%。以上分析結(jié)果表明，燃油殼體工作環(huán)境中的S 元素促使殼體表面發(fā)生點(diǎn)蝕，同時(shí)點(diǎn)蝕坑出現(xiàn)的位置恰在燃油泵殼體表面R 角。仿真模擬的結(jié)果顯示：當(dāng)R1.0 時(shí)，所能承受的最大應(yīng)力與《中國航空材料手冊》中給出的疲勞極限應(yīng)力一致，由于點(diǎn)蝕坑的出現(xiàn)，即使疲勞應(yīng)力遠(yuǎn)小于殼體材料疲勞極限所對應(yīng)的最大應(yīng)力，裂紋依然迅速萌生并向殼體內(nèi)部擴(kuò)展，并在腐蝕環(huán)境和疲勞載荷的共同作用下，殼體R 角發(fā)生疲勞開裂。

3 結(jié)論

1)燃油泵殼體出油口內(nèi)表面裂紋性質(zhì)為疲勞開裂。

2)腐蝕性元素、氧化劑與合金材料中金屬間化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成點(diǎn)蝕坑。

3)殼體內(nèi)表面圓角根部應(yīng)力相對較大，鏈狀點(diǎn)蝕坑以及不規(guī)則加工刀痕的出現(xiàn)增加了應(yīng)力集中，導(dǎo)致殼體疲勞開裂。