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     螺栓是航空發(fā)動機(jī)中的重要連接件，對發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運行起著重要作用，航空發(fā)動機(jī)渦輪盤的固定螺栓不僅要承受較高的工作溫度，還要承受高轉(zhuǎn)速帶來的高載荷。

 

      某型航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪盤上的一顆螺栓發(fā)生斷裂，該螺栓材料為GH4698高溫合金，其生產(chǎn)工藝流程為:切割下料→熱處理(一次固溶+二次固溶+時效)→機(jī)加工→滾螺紋→熒光檢查。裝配發(fā)動機(jī)時，該螺栓用于插入渦輪盤和擋圈通孔，并在渦輪盤另一面對應(yīng)位置使用墊圈(材料為1Cr18Ni9Ti鋼)和鎖緊螺母(材料為GH4033高溫合金)進(jìn)行固定，工作溫度為560~580℃，螺母擰緊力矩為7.84~9.8N·m，渦輪盤及其螺栓裝配宏觀形貌如圖1所示。

 

 

     為查明該螺栓斷裂的原因，來自中國航發(fā)航空科技股份有限公司的李欣、詹平、全瓊?cè)锶藢ζ溥M(jìn)行了理化檢驗及分析。

 

1理化檢驗

 

1.1 宏觀觀察

 

 

     該GH4698高溫合金螺栓斷裂位置為螺栓夾層，基本位于墊圈與螺母的配合處，螺栓斷裂前后宏觀形貌如圖2所示。將斷裂的螺栓組件拆卸，在體視顯微鏡下觀察，可見整個斷面較為平坦，基本呈現(xiàn)出沿晶斷裂形貌，螺栓斷口的宏觀形貌如圖3所示。

 

 

      由圖3可知，裂紋源區(qū)(A區(qū))在螺牙底部圓周范圍內(nèi)分布，裂紋向螺栓內(nèi)部擴(kuò)展；擴(kuò)展區(qū)(B區(qū))面積約占整個斷面面積的60%，斷面粗糙；中心區(qū)域(C區(qū))為瞬斷區(qū)，呈纖維狀。

 

 

      從螺栓側(cè)面進(jìn)行觀察，螺栓斷口附近未見明顯的頸縮變形或微裂紋，斷裂兩側(cè)斷口能夠完全吻合，裂紋一側(cè)與無裂紋一側(cè)的螺栓與擋圈配合段的圓周表面形貌有明顯差異，裂紋側(cè)圓周表面呈光亮金屬色，而無裂紋一側(cè)圓周表面的金屬色已基本磨損(見圖4)。對墊圈進(jìn)行宏觀觀察，可見左右兩側(cè)壓痕深度和壓痕形貌有明顯差異(見圖5)。

 

 

1.2 斷口分析

 

 

      在掃描電鏡(SEM)下觀察螺栓斷口形貌。裂紋源區(qū)附近未見明顯的夾雜缺陷[見圖6a)]，裂紋源區(qū)斷口為類解理形貌,局部可見疲勞條帶[見圖6b)]，擴(kuò)展區(qū)可見明顯的沿晶二次裂紋[見圖6c)]，瞬斷區(qū)為類解理斷裂形貌[見圖6d)]。

 

1.3 金相檢驗

 

 

      將螺栓斷口沿縱向截面取樣，用光學(xué)顯微鏡觀察拋光態(tài)和腐蝕態(tài)的顯微組織。在斷面附近均未見夾雜缺陷，可見明顯的沿晶二次裂紋，晶粒度為 0~1級(見圖7)。

 

 

      在斷裂螺栓上取樣觀察螺紋的微觀形貌，可見未斷裂部分螺紋完整性較好，未見明顯加工缺陷[見圖8a)]。分析正常未斷裂螺栓的顯微組織[圖8b)]，可見未斷裂螺栓的晶粒尺寸要明顯小于斷裂螺栓，其晶粒度為3~4級。

 

1.4 化學(xué)成分分析

 

      對斷裂螺栓進(jìn)行取樣，采用ICP-OES(電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀)進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果均符合技術(shù)要求。

 

2分析與討論

 

      正常情況下裝配螺栓時，螺母擰緊并鎖定會對螺栓產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力，而螺栓擋圈配合段圓周兩側(cè)有明顯的壓痕差異。墊圈兩側(cè)不同的壓痕形貌均表明：斷裂螺栓在裝配后產(chǎn)生了偏斜拉應(yīng)力。當(dāng)螺栓產(chǎn)生偏斜時，隨著偏斜角度的增大，附加彎曲應(yīng)力不斷增大，螺栓的整體承載能力、疲勞壽命等均會出現(xiàn)顯著下降。

 

      通常情況下，材料的晶粒越細(xì)小，其強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性就越高，而在高溫條件下，粗晶材料的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度較細(xì)晶材料的更高。一般在750~800 ℃時,GH4698高溫合金的晶界強(qiáng)化作用增強(qiáng)，而粗大的晶粒會使晶界長度變短，晶界強(qiáng)化作用變?nèi)?，在?yīng)力作用下會產(chǎn)生沿晶斷裂。GH4698高溫合金螺栓的化學(xué)成分雖然滿足技術(shù)要求，但與正常螺栓相比，其晶粒較為粗大。常溫下，晶界能夠阻止裂紋擴(kuò)展，粗大的晶粒會降低材料的抗疲勞能力，因此晶粒粗大也會使螺栓發(fā)生斷裂。

 

      該發(fā)動機(jī)在試車過程中，螺栓受軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力以及發(fā)動機(jī)振動的共同作用，在螺紋夾層處的缺口敏感性會增大，并產(chǎn)生裂紋源，材料晶粒粗大也會使得裂紋在擴(kuò)展區(qū)快速沿晶擴(kuò)展，最后在中心位置產(chǎn)生瞬斷。

 

3預(yù)防及改進(jìn)措施

 

     細(xì)化裝配工藝可在一定程度上避免螺栓因裝配不當(dāng)而產(chǎn)生偏斜。由于現(xiàn)行工藝中沒有對螺栓晶粒度的要求，因此螺栓各批次的晶粒度差異較大。將原熱處理工藝(1120℃×8h，空冷+1000℃×4h，空冷+775℃×16h，空冷)調(diào)整為(1110℃×2h，空冷+1000℃×4h，空冷+775℃×16h，空冷)，不同溫度下螺栓的力學(xué)性能和晶粒度檢測結(jié)果如表1所示，從表1可以看出，由于晶粒細(xì)化，室溫(23℃)下螺栓的力學(xué)性能有所提高，高溫(750℃)下其力學(xué)性能有所下降，與上述分析結(jié)果相符。同時，對該螺栓進(jìn)行了裝機(jī)試驗，螺栓均未出現(xiàn)裂紋或斷裂。

 

表1 不同溫度下螺栓的力學(xué)性能和晶粒度檢測結(jié)果

 

 

4結(jié)語

 

     (1) 螺栓發(fā)生疲勞斷裂，斷裂特征主要為沿晶斷裂，裝配時產(chǎn)生的偏斜應(yīng)力是斷裂的主要原因。

 

     (2) 斷裂螺栓的晶粒粗大，降低了材料的塑性和沖擊韌性，增大了缺口的敏感性，促使裂紋快速沿晶擴(kuò)展。

 

      (3) 細(xì)化裝配要求可避免螺栓發(fā)生偏斜；通過調(diào)整熱處理工藝和細(xì)化晶粒，提高了材料的力學(xué)性能。