襯套作為航空發動機某部位的重要組成部件,用于殼體內部齒輪和軸承的安裝,襯套的材料分為碳鋼和鈦合金類,為了減輕發動機的重量,以鈦合金襯套居多。本文所涉及油管襯套材料為TC4鈦合金,由棒材加工而成,內外表面經陽極化處理。TC4合金是一種中等強度的α+β型兩相鈦合金,該合金具有優異的綜合性能,現已廣泛用于制造航空發動機風扇和壓氣機的盤與葉片以及緊固件等。襯套內燃油管材質為不銹鋼,燃油管與襯套間套有橡膠管。拆解時發現斷裂油管襯套橡膠管已磨損,不銹鋼油管與襯套直接接觸。
本文對斷裂油管襯套進行了宏微觀觀察、金相檢查、硬度檢查、能譜分析及殘余應力測試,確定了油管襯套的斷裂性質,并分析了斷裂原因。
1.外觀檢查
送檢襯套導管組件外觀形貌如圖1所示。斷裂油管襯套外觀如圖2所示,襯套上端為類似花鍵形狀,表層為滾花工藝;下端為螺紋,中間連接處表面光滑,花鍵端內圓有一小臺階。斷裂位置位于近花鍵端臺階處,斷裂方向沿襯套周向分為三段,其中左右兩段斷口長度接近半圓弧,分別標為1#、2#斷口;中間一段斷口位于花鍵兩R角中間,收集斷口時已丟失。
觀察襯套內表面有不同程度的擠壓磨損痕跡,周向磨損痕跡明顯,在花鍵端靠近丟失斷口一側磨損痕跡較對側更深,螺紋端與丟失斷口相反的一側磨損痕跡較深。
圖1 導管組件外觀形貌
(a)斷裂油管襯套整體外觀
(b)1#、2#斷口外觀
圖2 斷裂油管襯套外觀
2.宏觀、微觀觀察及能譜分析
(1)宏觀觀察
將斷口置于體視顯微鏡下觀察,圖3為1#斷口放大觀察。螺母掉塊斷口呈黑灰色,兩斷口R角處斷面均可見由R角處發散的擴展棱線,并伴有疲勞弧線特征,如圖3a所示;R角半徑較小(見圖3b),過渡區加工痕跡較為明顯;兩斷口內表面朝向螺紋一端的臺階面可見清晰磨損痕跡(見圖3c),在靠近丟失斷口一側磨痕更為明顯。2#斷口與1#斷口宏觀形貌基本一致。
(a)R角處斷面
(b)R角側面
(c)內表面臺階磨損痕跡
圖3 1#斷口體視放大觀察
(2)微觀觀察及能譜分析
將1#斷口用丙酮超聲波清洗后放入掃描電鏡下進行微觀觀察。圖4為1#斷口顯微形貌,裂紋從R角處起源,呈線源,可見擴展棱線從源區約45°方向向襯套內表面擴展;次源區為外表面滾花尖角處,棱線由外表面向內表面擴展(見圖4a)。主源區放大形貌如圖4b所示,斷口表面存在附著物,經能譜測試主要含C、O元素,斷面可見大量清晰小刻面,呈準解理特征。對斷口進行整體觀察,可見所有外表面滾花尖角處均存在清晰棱線,由外表面向內表面擴展,如圖4c、4d所示,擴展區也為準解理斷裂特征。2#斷口微觀形貌與1#斷口特征一致。
取斷口附近滾花表面試樣沿周向進行人工打斷,人工打斷斷口顯微形貌如圖5所示,為典型韌窩特征。
(a)源區低倍形貌
(b)主源區高倍形貌
(c)疲勞擴展區低倍形貌
(d)疲勞擴展區疲勞條帶形貌
圖4 1#斷口顯微形貌
圖5 人工打斷斷口顯微形貌
3.殘余應力測試
對襯套滾花表面及滾花與螺紋連接的光滑表面進行殘余應力測試,結果如表1所示,可見周向殘余應力較小。
表1 殘余應力測試數據 (N·mm-2)
位置 | 滾花表面位置1 | 滾花表面位置2 | 光滑表面 |
周向 | 3.4±16.4 | 6.1±6.3 | -10.3±13.2 |
軸向 | 112.1±7.6 | 96.0±11.4 | 81.5±8.1 |
4.金相檢查
在斷口附近垂直于襯套軸向和周向分別取橫截面和縱截面制金相試樣,顯微組織分別如圖6a、6b所示。油管襯套金相檢查為雙態組織,滾花表面可見明顯塑性變形,金相組織為等軸α+β兩相組織,參照GJB1538《飛機結構件用TC4鈦合金棒材規范》標準評級,其組織狀態符合圖A1-A2。螺母金相組織未見異常。
(a)橫截面(500×)
(b)縱截面(500×)
圖6 金相組織檢查
4.硬度檢查
對油管襯套金相檢查所取的橫截面與縱截面試樣進行維氏硬度測試,測試結果如表2所示,符合正常TC4鈦合金硬度范圍。
表2 油管襯套硬度測試結果(HV0.5)
位置 | 1 | 2 | 3 | 平均值 | |
橫截面 | 靠近滾花處 | 309.2 | 320.9 | 317.1 | 315.7 |
基體 | 314.2 | 292.6 | 294.5 | 300.4 | |
縱截面 | 基體 | 304.6 | 303.2 | 337.7 | 315.2 |
5.分析與討論
(1)油管襯套的斷裂性質分析
斷口的宏微觀觀察結果表明,油管襯套裂紋首先從花鍵端一凹槽兩R角處線性起源,宏觀可見疲勞弧線特征,源區附近宏觀可見明顯擴展棱線,而后斷口在整個圓周方向由外表面內表面擴展,在所有外表面滾花尖角處均可見清晰擴展棱線,為多點次疲勞源,擴展區為準解理特征,與人工打斷斷口的典型韌窩特征不同。由以上特征可判斷油管襯套的斷裂性質為疲勞斷裂。
(2)油管襯套的斷裂原因分析
油管襯套金相組織正常,未見明顯冶金缺陷,硬度正常,表明該襯套開裂與材質無關。
從油管襯套的受力方面進行分析:首先,油管襯套內表面可見清晰周向磨損痕跡,在花鍵端裂紋起源一側磨損痕跡較對側更深,螺紋端與裂紋起源相反的一側磨損痕跡較深(見圖7),此磨損痕跡應為不銹鋼油管在襯套內的相對運動所致,兩鋼管在襯套內對接的同軸度差,伴隨發動機工作過程中的振動,極易引起對襯套的不均勻磨損。失效油管襯套在拆卸過程中,油管與襯套間所墊橡皮圈已完全磨透,證明了油管與襯套之間磨損嚴重。此外,在花鍵端內部面向螺紋的臺階表面也存在磨損痕跡(見圖3c、圖4c),說明油管臺階與襯套臺階相接觸且存在相互作用力。此外,花鍵端凹槽R角較為尖銳,存在應力集中,促進了疲勞裂紋的起源。
圖7 襯套與油管配合示意
綜上所述,油管襯套的斷裂性質為疲勞斷裂。其斷裂主要原因為襯套與油管配合不良所帶來的不均勻振動與擠壓產生的附加應力,同時,結構上的應力集中促進了疲勞裂紋的萌生與擴展,最終導致襯套發生疲勞斷裂。
6.結語
(1)油管襯套的斷裂性質為疲勞斷裂,疲勞源區未見缺陷。
(2)油管襯套斷裂主要原因為襯套與油管配合不良所帶來的不均勻振動與擠壓產生的附加應力,結構上的應力集中促進了疲勞裂紋的萌生。
(3)花鍵端凹槽R角較為尖銳,存在明顯加工痕跡,建議對R角進行圓滑處理。
來源:熱處理生態圈
作者:白皓、劉晶、張銀東
單位:沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司
