GH4169合金螺旋擋圈裂紋問(wèn)題分析

徐 鳴，田 偉，李 青，鐘 燕，吳 晨，李祚軍

(1.中國(guó)人民解放軍海軍裝備部，北京 100841；2.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500；3.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015)

1 引言

GH4169(Iconel718)合金在650℃以下具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和良好的工藝性能，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域被廣泛用于制造輪盤(pán)、葉片、機(jī)匣、緊固件和彈性擋圈等零件[1-3]。彈性擋圈是安裝在孔內(nèi)或軸上卡槽里的限位彈性元件，可以防止裝在孔內(nèi)或軸上的其他零件產(chǎn)生軸向竄動(dòng)[4]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的彈性擋圈主要有開(kāi)口擋圈和螺旋擋圈等結(jié)構(gòu)形式。裝配和工作過(guò)程中，螺旋擋圈的周向各點(diǎn)所承受的彎曲應(yīng)力相同，受力均勻，不易產(chǎn)生塑性變形，且其限位可靠，抗軸向力能力強(qiáng)，疲勞強(qiáng)度和使用壽命較高[5]。雖然彈性擋圈的服役載荷較簡(jiǎn)單、工作應(yīng)力較低，但制造過(guò)程中工藝控制不當(dāng)容易產(chǎn)生裂紋等缺陷[5-8]。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)四號(hào)支點(diǎn)軸承的軸端采用了GH4169 合金螺旋擋圈，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后分解檢查發(fā)現(xiàn)螺旋擋圈產(chǎn)生了裂紋。本文對(duì)裂紋的形成原因進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)措施并進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)方法

該型發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)后分解進(jìn)行熒光檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，四號(hào)支點(diǎn)軸承的軸端螺旋擋圈2 處折彎處凸起部位存在線(xiàn)性顯示，在白光下觀(guān)察可見(jiàn)2條裂紋(圖1)。對(duì)庫(kù)房中未使用且與裝機(jī)試驗(yàn)螺旋擋圈同批次生產(chǎn)的7 件螺旋擋圈進(jìn)行檢查，在折彎處凸起部位也發(fā)現(xiàn)了同種模式的裂紋。

圖1 GH4169合金螺旋擋圈結(jié)構(gòu)示意圖及裂紋形貌照片(虛線(xiàn)方框表示另一側(cè))Fig.1 Schematic drawing and cracks photographs of GH4169 alloy spiral baffle ring(dotted box shows other side)

該螺旋擋圈采用GH4169 合金制造，其主要制備工藝為：冷拉絲材(退火態(tài))—軋扁—纏繞—去應(yīng)力熱處理—磨削和剪切—折彎—剪切—線(xiàn)切割—鉆孔—去毛刺—時(shí)效處理—最終檢驗(yàn)。

對(duì)裝機(jī)試驗(yàn)后的螺旋擋圈和未使用的螺旋擋圈進(jìn)行裂紋分析。采用體視顯微鏡和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)裂紋形貌進(jìn)行觀(guān)察分析。將裂紋人為打開(kāi)后，利用超聲波清洗機(jī)對(duì)裂紋斷口進(jìn)行清洗，再利用體視顯微鏡和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)斷口的宏觀(guān)和微觀(guān)形貌進(jìn)行觀(guān)察分析，采用能譜分析儀對(duì)斷口表面微區(qū)成分進(jìn)行檢測(cè)。在裂紋附近切取材料制備成金相試樣，采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行微觀(guān)組織分析。采用洛氏硬度計(jì)測(cè)試螺旋擋圈材料硬度。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 裂紋形貌

裝機(jī)試驗(yàn)后的和未使用的螺旋擋圈整體外觀(guān)相似，表面可見(jiàn)輕微的氧化變色現(xiàn)象。每件螺旋擋圈上均有2 條裂紋，位于折彎凸起部位。裂紋均沿螺旋擋圈的徑向開(kāi)裂且張開(kāi)寬度較大，部分裂紋開(kāi)裂至外弧端面倒角處。放大觀(guān)察，主裂紋附近均可見(jiàn)與其開(kāi)裂方向一致的微小裂紋。裝機(jī)試驗(yàn)后的螺旋擋圈裂紋形貌的掃描電鏡照片如圖2所示。

圖2 裝機(jī)試驗(yàn)后的螺旋擋圈裂紋形貌的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM photograph of cracks morphology of the GH4169 alloy spiral baffle ring after testing

3.2 斷口分析

圖3 螺旋擋圈裂紋斷口的體視顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Stereomicroscope photograph of spiral baffle ring fracture surface

將裝機(jī)試驗(yàn)后的和未使用的螺旋擋圈裂紋人為打開(kāi)，裂紋斷口的宏觀(guān)形貌相似，體式顯微鏡照片如圖3所示。原始裂紋斷口表面氧化嚴(yán)重，呈灰黑色，氧化色均勻，無(wú)明顯漸變過(guò)程。人為打開(kāi)區(qū)域斷口表面為灰白色，與原始裂紋斷口有明顯差別。裝機(jī)試驗(yàn)后的和未使用的螺旋擋圈原始裂紋的深度相當(dāng)，約占厚度的2/3。

裝機(jī)試驗(yàn)后的和未使用的螺旋擋圈裂紋斷口在掃描電鏡下的形貌特征也相似，如圖4 所示。裂紋起始于折彎凸起表面，原始裂紋斷口表面分為斜面區(qū)和平坦區(qū)兩個(gè)區(qū)域(圖4(a))。其中，靠近開(kāi)裂起始處與整體斷面呈一定傾斜角度的區(qū)域?yàn)樾泵鎱^(qū)，開(kāi)裂后期斷口表面較為平坦的區(qū)域?yàn)槠教箙^(qū)。斜面區(qū)(圖4(b))進(jìn)一步放大后呈現(xiàn)滑移平面特征，表面可見(jiàn)韌窩形貌，隱約可見(jiàn)微小顆粒。平坦區(qū)(圖4(c))進(jìn)一步放大后呈韌窩形貌特征，并可見(jiàn)明顯的微小顆粒，顆粒尺寸約為2～5 μm。人為打開(kāi)區(qū)的斷口(圖4(d))同樣呈韌窩形貌特征并隱約可見(jiàn)微小顆粒。采用能譜對(duì)斷口表面及微小顆粒進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。原始裂紋斷口表面氧含量較高、氧化較嚴(yán)重，微小顆粒為富含Nb元素的碳化物[9]。裝機(jī)試驗(yàn)后的和未使用的螺旋擋圈裂紋斷口均未發(fā)現(xiàn)疲勞開(kāi)裂特征。

表1 裝機(jī)試驗(yàn)螺旋擋圈裂紋斷口表面及小顆粒能譜分析結(jié)果 wt/%Table 1 Energy spectrum analysis of fracture surface and micro granule wt/%

3.3 顯微組織

選取未使用的螺旋擋圈垂直于開(kāi)裂方向制取金相試樣進(jìn)行顯微組織分析。顯微組織照片如圖5所示，裂紋兩側(cè)的顯微組織連續(xù)、一致，未見(jiàn)脫碳、氧化等異?，F(xiàn)象。裂紋同樣存在斜面區(qū)和平坦區(qū)，表明開(kāi)裂形式及裂紋走向與上述人為打開(kāi)的兩條裂紋的一致。采用掃描電鏡在更高倍數(shù)下觀(guān)察，晶粒變形嚴(yán)重，沿螺旋擋圈的周向和徑向被壓扁、拉長(zhǎng)，壓扁的晶粒之間存在嚴(yán)重變形而形成滑移帶，并可見(jiàn)較多的碳化物顆粒。

4 分析討論

4.1 裂紋產(chǎn)生原因

裝機(jī)試驗(yàn)后的螺旋擋圈和未使用的同批次7件螺旋擋圈在相同部位均產(chǎn)生了特征模式相同的裂紋。從裂紋斷口分析結(jié)果看，開(kāi)裂的性質(zhì)為過(guò)載斷裂，無(wú)疲勞特征，這說(shuō)明螺旋擋圈裂紋是在制造或運(yùn)輸、儲(chǔ)存過(guò)程中產(chǎn)生的。對(duì)比裝機(jī)試驗(yàn)后的和未使用的螺旋擋圈裂紋斷口可知，兩者表面的顏色、氧化程度及裂紋深度等均相當(dāng)且均無(wú)疲勞特征，這說(shuō)明制造或運(yùn)輸、儲(chǔ)存過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋在裝機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生明顯擴(kuò)展。

圖5 螺旋擋圈的顯微組織照片F(xiàn)ig.5 Microstructure of GH4169 alloy spiral baffle ring

為確定裂紋產(chǎn)生的具體原因，對(duì)螺旋擋圈的制造工藝進(jìn)行了復(fù)查和分析。螺旋擋圈制造所用原料為退火(955℃，15 min，空冷)狀態(tài)的φ3 mm 冷拉絲材，在室溫下經(jīng)10余次輥軋后軋制成截面為梯形的帶材，然后將軋制帶材纏繞成螺旋擋圈半成品，而后經(jīng)去應(yīng)力熱處理(650℃，3 h，空冷)和磨削、剪切等機(jī)械加工后在室溫下折彎，再進(jìn)行鉆孔、精加工，最后進(jìn)行時(shí)效處理(730℃，8 h，爐冷+620℃，8 h，空冷)。

分析發(fā)現(xiàn)，螺旋擋圈的工藝路線(xiàn)和工藝參數(shù)存在不合理之處。由于GH4169合金的冷作硬化效應(yīng)較明顯[10-11]，冷拉絲材經(jīng)過(guò)多道次的室溫輥軋后必將產(chǎn)生硬化效應(yīng)，使其塑性降低。650℃下去應(yīng)力熱處理雖然可以在一定程度上降低冷作硬化，但是在此溫度下材料中的強(qiáng)化相會(huì)大量析出，從而導(dǎo)致材料的硬度進(jìn)一步提高、塑性降低。這是因?yàn)镚H4169 合金中γ′和γ″強(qiáng)化相的開(kāi)始析出溫度均在600℃左右，完全固溶溫度分別為840℃和950℃[12-14]，955℃退火并經(jīng)室溫輥軋后的帶材中γ′和γ″強(qiáng)化相已完全固溶，經(jīng)650℃下3 h 去應(yīng)力熱處理后必將大量析出γ′和γ″強(qiáng)化相，產(chǎn)生沉淀硬化效應(yīng)。折彎時(shí)，凸起一側(cè)材料處于拉應(yīng)力狀態(tài)，且在靠近凸起表面與帶材厚度方向呈45h處的剪切應(yīng)力最大。當(dāng)最大剪切應(yīng)力τmax超過(guò)材料的抗剪強(qiáng)度[τ]時(shí)材料中會(huì)產(chǎn)生裂紋，且初始裂紋方向與板材厚度方向約呈45h，如圖4(a)、圖5(a)和圖6所示。

圖6 螺旋擋圈在折彎時(shí)產(chǎn)生裂紋的受力示意圖(紅色線(xiàn)表示裂紋)Fig.6 Stress state analysis of spiral baffle ring in bending process(the red line represents crack)

為進(jìn)一步明確裂紋的產(chǎn)生原因和機(jī)理，開(kāi)展了驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，退火狀態(tài)冷拉絲材的硬度為HRC22～23，經(jīng)室溫輥軋和650℃下3 h 去應(yīng)力熱處理后材料硬度高達(dá)HRC42～43，在此狀態(tài)下進(jìn)行折彎，在顯微鏡下可觀(guān)察到折彎凸起處存在裂紋。據(jù)此可確認(rèn)，裝機(jī)試驗(yàn)后的和未使用的螺旋擋圈的裂紋產(chǎn)生于制造過(guò)程的折彎工序。正常制造過(guò)程折彎時(shí)產(chǎn)生的裂紋經(jīng)后續(xù)時(shí)效處理后斷面發(fā)生氧化，斷口呈灰黑色，而驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)制造過(guò)程產(chǎn)生的裂紋未經(jīng)后續(xù)時(shí)效處理，斷口無(wú)氧化變色現(xiàn)象。

此外，按原工藝規(guī)程，螺旋擋圈在制造及驗(yàn)收過(guò)程中只進(jìn)行了目視檢查，未安排熒光檢查和顯微鏡放大檢查。由于裂紋較細(xì)小且折彎凸起處表面顏色不均勻，最終導(dǎo)致加工裂紋未能目視檢出。因此，原工藝規(guī)程存在不合理之處，需要進(jìn)行改進(jìn)。

4.2 改進(jìn)措施

故障批螺旋擋圈產(chǎn)生裂紋的主要原因是制造工藝不當(dāng)，材料在低塑性的硬化狀態(tài)下進(jìn)行折彎從而產(chǎn)生裂紋。為此，承制單位對(duì)制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，將原來(lái)的650℃去應(yīng)力熱處理改為固溶處理(955℃，1 h，空冷)。相比于原去應(yīng)力熱處理，固溶處理的溫度更高，既可以更充分地去除室溫輥軋時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、消除冷作硬化，又可以使強(qiáng)化相充分回溶，使GH4169 合金處于軟態(tài)(固溶處理后的硬度為HRC19)，提高其塑性，避免后續(xù)折彎時(shí)產(chǎn)生裂紋。同時(shí)，為加強(qiáng)質(zhì)量控制，對(duì)折彎工序的加載速度、保載時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和明確。此外，在制造和驗(yàn)收的工藝規(guī)程中均增加了對(duì)零件的熒光檢查和顯微鏡放大檢查，以防止裂紋漏檢。

工藝改進(jìn)后所生產(chǎn)的螺旋擋圈未出現(xiàn)裂紋問(wèn)題，零件尺寸、表面質(zhì)量等均滿(mǎn)足技術(shù)要求，改進(jìn)措施有效。

5 結(jié)論

(1)裝機(jī)試驗(yàn)后的螺旋擋圈裂紋與同批次未使用的螺旋擋圈的裂紋模式相同，均為制造過(guò)程中折彎工序產(chǎn)生的過(guò)載開(kāi)裂，裝機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中裂紋未發(fā)生明顯擴(kuò)展；

(2)去應(yīng)力熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致材料硬化，是螺旋擋圈在折彎工序中產(chǎn)生裂紋的主要原因；

(3)采用固溶處理替代去應(yīng)力熱處理可以避免螺旋擋圈在制造過(guò)程中出現(xiàn)裂紋，增加熒光檢查和顯微鏡放大檢查等可以有效避免裂紋漏檢。