航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承內(nèi)圈斷裂失效機(jī)理分析*

王 全 李 青 馬 健 韓振宇

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所）

0 引言

軸承用來支承轉(zhuǎn)動(dòng)軸或其它旋轉(zhuǎn)零件，引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并承受傳遞給支架的載荷[1-2]。軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能、壽命、各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及可靠性都有很大影響[3-6]。

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作后發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈出現(xiàn)斷裂故障，嚴(yán)重影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的安全使用。故障軸承為滾子軸承，位于高低壓轉(zhuǎn)子之間，其外圈位于軸承座上隨低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)圈位于高壓渦輪后軸上隨高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)圈采用過盈方式裝配在高壓渦輪軸上，并裝有防轉(zhuǎn)銷。內(nèi)外圈及滾動(dòng)體材料均為Cr4Mo4V，防轉(zhuǎn)銷材料為1Cr11Ni2W2MoV。內(nèi)圈內(nèi)表面鍍鉻，以保證內(nèi)圈與高壓渦輪軸的配合緊度[7]。

國內(nèi)外針對(duì)滾動(dòng)軸承部件故障分析及改進(jìn)有較多研究。吳鵬飛[8]等利用模糊熵和分形維數(shù)結(jié)合的方法對(duì)滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障特征的提取，實(shí)現(xiàn)了滾軸軸承的早期故障檢測(cè)；Paul[9]等通過對(duì)轉(zhuǎn)子特性分析和軸承的全新設(shè)計(jì)過程，解決了汽輪機(jī)齒輪箱中軸承的同步振動(dòng)問題；李青[10]等利用掃描電鏡設(shè)備，分析得出球軸承剝落性質(zhì)為滾動(dòng)接觸疲勞，碳化物偏聚及殘留的氧化鋁顆粒是引起剝落的主要原因。John[11]等介紹了在正常條件下，滾動(dòng)軸承表面材料受高接觸應(yīng)力的反復(fù)作用，導(dǎo)致軸承在表面或亞表面處萌生裂紋的疲勞失效破壞模式。

國內(nèi)目前對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)滾動(dòng)軸承的多因素綜合作用故障失效分析較少。本文對(duì)軸承失效件進(jìn)行了宏觀和微觀精細(xì)化失效分析，判定出了其主要失效模式，研究了多重因素導(dǎo)致的失效機(jī)理，并為消除該類故障提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。

1 檢查與分析結(jié)果

1.1 宏觀檢查

故障軸承內(nèi)圈局部宏觀圖像如圖1所示，前后兩側(cè)端面外觀較為完好。內(nèi)圈前端面存在兩個(gè)呈180 度位向關(guān)系的防轉(zhuǎn)銷槽，斷裂故障發(fā)生于其中一處防轉(zhuǎn)銷槽區(qū)域，如圖1中虛線圓圈區(qū)域。

圖1 故障軸承內(nèi)圈局部宏觀圖像Fig.1 Macroscopic appearance of the fault bearing inner race

故障軸承內(nèi)圈表面局部宏觀圖像見圖2。滾道表面較為完好，未見超溫變色現(xiàn)象；內(nèi)表面嚴(yán)重磨損。放大觀察內(nèi)表面，可見部分區(qū)域鍍鉻層脫落，見圖3。對(duì)磨損區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表1 所示，主要為GH4169 材料，表明內(nèi)圈內(nèi)表面與高壓渦輪軸（材料為高溫合金GH4169）存在磨損。

圖2 故障軸承內(nèi)圈表面局部宏觀圖像Fig.2 Local macro morphology of the face of fault bearing inner race

圖3 故障軸承內(nèi)圈內(nèi)表面放大圖像Fig.3 Macroscopic appearance of the inner surface of fault bearing inner race

表1 軸承內(nèi)圈內(nèi)表面磨損區(qū)域能譜分析結(jié)果（W%）Tab.1 Spectrum analysis results of the wear area of bearing inner race(w%)

放大觀察斷裂區(qū)域，可見裂紋穿過防轉(zhuǎn)銷槽底面轉(zhuǎn)角區(qū)域，形貌如圖4所示。剖取防轉(zhuǎn)銷槽周向截面并進(jìn)行放大觀察，轉(zhuǎn)角處未見明顯倒角，幾乎呈90o直角，見圖5。

圖4 故障軸承斷裂區(qū)域放大圖像Fig.4 Macroscopic appearance of fracture area of fault bearing

圖5 防轉(zhuǎn)銷槽周向截面放大形貌Fig.5 Macroscopic appearance of circular cross section of anti-rotating pin slot

故障軸承防轉(zhuǎn)銷宏觀圖像如圖6所示，與斷裂側(cè)槽內(nèi)壁面接觸一側(cè)發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形和磨損（如圖6中箭頭所指處），且表面存在軸向和徑向兩垂直方向磨痕，另一側(cè)存在較輕的變形和磨損，說明防轉(zhuǎn)銷與軸承內(nèi)圈防轉(zhuǎn)銷槽側(cè)壁之間存在多次的碰磨。

圖6 防轉(zhuǎn)銷宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of the anti-rotating pin

發(fā)生斷裂故障一側(cè)防轉(zhuǎn)銷槽底面宏觀形貌見圖7，靠近內(nèi)圈內(nèi)表面一側(cè)存在弧形白亮鍍鉻層，最寬處約為1.25mm，轉(zhuǎn)角處寬度約為0.61mm，且局部鍍層表皮存在脫落現(xiàn)象。未發(fā)生斷裂防轉(zhuǎn)銷的槽底面同樣存在弧形白亮鍍鉻層及鍍層表皮脫落現(xiàn)象。

圖7 斷裂故障一側(cè)防轉(zhuǎn)銷槽底面宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of fracture side of the antirotating pin undersurface

1.2 斷口分析

故障軸承內(nèi)圈斷口宏觀圖像如圖8 所示。斷口呈灰色，較平緩，起伏不大；可見到明顯的放射棱線和疲勞弧線形貌，表明斷口性質(zhì)為疲勞斷口。根據(jù)疲勞弧線及放射棱線的方向判斷，疲勞起始于防轉(zhuǎn)銷槽底面根部轉(zhuǎn)角區(qū)域。疲勞區(qū)面積約占整個(gè)斷面的40%[12]。

圖8 故障軸承內(nèi)圈斷口宏觀圖像Fig.8 Macro morphology of bearing inner race fracture

在掃描電鏡中觀察，斷口疲勞源區(qū)低倍形貌如圖9所示，可見放射棱線及疲勞弧線特征。從放射棱線匯聚的方向判斷，疲勞起源于防轉(zhuǎn)銷槽底面根部轉(zhuǎn)角處，呈多源特征，分布在距內(nèi)表面約1.4mm范圍內(nèi)。疲勞源區(qū)微觀形貌見圖10，部分區(qū)域存在磨損，未見明顯的冶金缺陷。

圖9 斷口疲勞源區(qū)低倍形貌Fig.9 Macro morphology of fracture origin area

圖10 斷口疲勞源區(qū)微觀形貌Fig.10 Microscopic morphology of fracture origin area

放大觀察斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)，可見明顯的疲勞弧線及放射棱線特征，見圖11。瞬斷區(qū)微觀形貌均為韌窩特征，如圖12所示。

圖11 斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)微觀形貌Fig.11 Microscopic morphology of expansion zones

圖12 瞬斷區(qū)微觀形貌Fig.12 Microscopic morphology of final rupture zones

1.3 源區(qū)附近表面分析

對(duì)源區(qū)附近表面進(jìn)行觀察，形貌如圖13所示，未見明顯加工痕跡，部分區(qū)域存在微裂紋（圖13中箭頭所指處）。放大觀察，防轉(zhuǎn)銷槽底面靠近源區(qū)附近區(qū)域可見鍍層存在晶界腐蝕現(xiàn)象，見圖14。

圖13 源區(qū)附近表面微觀形貌Fig.13 Microscopic morphology of surface near the origin area

圖14 鍍層晶界腐蝕微觀形貌Fig.14 Microscopic morphology of grain boundary corrosion in coating

1.4 材質(zhì)分析

1.4.1 成分分析

對(duì)故障軸承內(nèi)圈基體進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表2所示，主要合金元素含量與軸承鋼Cr4Mo4V基本相符。

表2 故障軸承內(nèi)圈基體能譜分析結(jié)果（W%）Tab.2 Spectrum analysis results of the fault bearing inner race matrix(w%)

1.4.2 組織分析

對(duì)故障軸承內(nèi)圈取樣進(jìn)行組織檢查，基體組織形貌如圖15所示，為淬回火馬氏體和碳化物，未見明顯異常。內(nèi)表面鍍鉻層形貌如圖16 所示，經(jīng)測(cè)量大部分區(qū)域鍍鉻層厚度約為70 μm，局部區(qū)域鍍鉻層存在開裂脫落現(xiàn)象。

圖15 故障軸承內(nèi)圈基體組織形貌Fig.15 Metallographic structure of the fault bearing inner race matrix

圖16 內(nèi)圈內(nèi)表面鍍鉻層形貌Fig.16 Morphology of chromium coating of the inner surface

在掃描電鏡下進(jìn)一步放大觀察，可見鍍鉻層內(nèi)存在大量微裂紋，但未觀察到擴(kuò)展進(jìn)入軸承內(nèi)圈基體現(xiàn)象，如圖17所示。

圖17 鍍鉻層微裂紋微觀形貌Fig.17 Microscopic morphology of chromium coating micro-cracks

1.4.3 硬度分析

對(duì)故障軸承內(nèi)圈及滾動(dòng)體進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，結(jié)果見表3，均滿足標(biāo)準(zhǔn)JB/T 2850-93要求。

表3 軸承內(nèi)圈及滾動(dòng)體洛氏硬度測(cè)量結(jié)果（HRC）Tab.3 Measurement results of rockwell hardness for inner race and roller(HRC)

2 分析與討論

通過斷口宏觀分析可知，故障軸承內(nèi)圈斷口可見到明顯的放射棱線和疲勞弧線形貌，表明斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，呈多源特征，疲勞起源于防轉(zhuǎn)銷槽底面根部轉(zhuǎn)角處。通過掃描電鏡微觀觀察可知，源區(qū)及斷口未發(fā)現(xiàn)夾雜、孔洞等明顯的冶金缺陷，表明故障產(chǎn)生與冶金缺陷無關(guān)。對(duì)故障軸承內(nèi)圈的材質(zhì)分析結(jié)果表明，軸承內(nèi)圈材料成分和硬度符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，組織也未見異常，可以排除軸承內(nèi)圈材質(zhì)問題對(duì)故障的影響。

內(nèi)圈斷口疲勞源于防轉(zhuǎn)銷槽底面根部轉(zhuǎn)角處，該轉(zhuǎn)角區(qū)域未見明顯倒角，觀察測(cè)量幾乎為直角，容易產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，大大降低了內(nèi)圈的抗疲勞性能，從而促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生[13]。

軸承內(nèi)圈表面鍍鉻是為了修復(fù)工作后內(nèi)圈的磨損缺失量，保持其使用尺寸精度，以保證內(nèi)圈與高壓渦輪軸的配合緊度。但是軸承內(nèi)圈鍍鉻要提高內(nèi)圈耐磨性和硬度，采用了大電流、低溫鍍工藝，致使鉻層中存在許多孔隙、微裂紋和原子點(diǎn)陣晶格畸變，使鉻層內(nèi)部和鉻層與基體間存在較高內(nèi)應(yīng)力。在低溫回火去應(yīng)力去氫熱處理過程中，鉻層內(nèi)部及鉻層與基體間的點(diǎn)陣錯(cuò)配得到恢復(fù)，其結(jié)果使原本結(jié)合緊密的晶團(tuán)變得更加致密，原本結(jié)合松散的晶團(tuán)開裂，原本的缺陷處變成微裂紋，使鉻層中微裂紋增多[14]。大量的微裂紋成為潛在開裂源，導(dǎo)致軸承內(nèi)圈疲勞強(qiáng)度降低。鍍鉻層表面存在晶界腐蝕，同樣會(huì)增大故障軸承內(nèi)圈開裂敏感性[15]。

防轉(zhuǎn)銷與軸承內(nèi)圈防轉(zhuǎn)銷槽側(cè)壁之間的多次碰磨增加了裂紋源區(qū)域的交變載荷，從而促進(jìn)裂紋擴(kuò)展開裂。

綜上所述，防轉(zhuǎn)銷槽根部無明顯倒角，存在較大的應(yīng)力集中，降低了內(nèi)圈的抗疲勞性能，從而促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生；同時(shí)鍍鉻層內(nèi)存在的大量微裂紋、表面的晶界腐蝕以及防轉(zhuǎn)銷的反復(fù)碰磨作用力也均加速了疲勞斷裂的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

1）航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承內(nèi)圈斷裂性質(zhì)為多源疲勞斷裂，疲勞起源于防轉(zhuǎn)銷槽底面根部轉(zhuǎn)角處；

2）轉(zhuǎn)角區(qū)域無明顯倒角，存在較大應(yīng)力集中，促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生；鍍鉻層內(nèi)存在的大量微裂紋和表面的晶界腐蝕以及防轉(zhuǎn)銷的多次碰磨，均會(huì)增大故障軸承內(nèi)圈開裂敏感性；

3）內(nèi)圈疲勞斷裂與冶金缺陷及內(nèi)圈材質(zhì)無直接關(guān)系。

4 改進(jìn)建議

1）改進(jìn)軸承內(nèi)圈設(shè)計(jì)制造工藝，在防轉(zhuǎn)銷槽根部轉(zhuǎn)角處增加倒角要求，降低應(yīng)力集中，改善防轉(zhuǎn)銷槽根部的應(yīng)力水平。

2）熱噴涂工藝是將噴涂材料加熱熔化并霧化，然后高速噴射到基材表面，形成所需性質(zhì)連續(xù)的致密涂層[16]。與鍍鉻工藝相比，具有涂層顯微組織致密、厚度容易控制和產(chǎn)生污染較小等優(yōu)點(diǎn)，近年來越來越多的應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)磨損零部件修復(fù)的耐磨涂層[17]。在保證軸承內(nèi)圈耐磨性和硬度性能指標(biāo)前提下，可考慮改用熱噴涂工藝代替鍍鉻工藝，進(jìn)行軸承內(nèi)圈尺寸的修復(fù)[18]，避免鍍鉻層內(nèi)的微裂紋等潛在風(fēng)險(xiǎn)因素。