分享：GH4698高温合金螺栓断裂原因

(中国航发航空科技股份有限公司,成都 610500)

摘 要:某型航空发动机低压涡轮盘上的一颗固定螺栓发生断裂,对断裂螺栓进行了宏观观察、 断口分析、金相检验、化学成分分析等。结果表明:螺栓断裂的原因是装配时产生了偏斜拉伸应力, 且其晶粒组织粗大,使材料的塑性和冲击韧性降低,螺栓的整体承载能力下降。 

关键词:GH4698高温合金;螺栓;晶粒;断裂 

中图分类号:V267;TG115 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)04-0037-04

螺栓是航空发动机中的重要连接件,对发动机 的稳定运行起着重要作用,航空发动机涡轮盘的固 定螺栓不仅要承受较高的工作温度,还要承受高转 速带来的高载荷[1]。 某型航空发动机低压涡轮盘上的一颗螺栓发生 断裂,该螺栓材料为 GH4698高温合金,其生产工 艺流程为:切割下料→热处理(一次固溶+二次固溶 +时效)→机加工→滚螺纹→荧光检查。装配发动 机时,该螺栓用于插入涡轮盘和挡圈通孔,并在涡轮 盘另一面 对 应 位 置 使 用 垫 圈 (材 料 为 1Cr18Ni9Ti 钢)和锁紧螺母(材料为 GH4033高温合金)进行固 定,工 作 温 度 为 560~580 ℃,螺 母 拧 紧 力 矩 为 7.84~9.8N·m,涡轮盘及其螺栓装配宏 观 形 貌 如 图1所示。 为查明该螺栓断裂的原因,笔者对其进行了理 化检验及分析。 

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

该 GH4698高温合金螺栓断裂位置为螺栓夹 层,基本位于垫圈与螺母的配合处,螺栓断裂前后宏 观形貌如图2所示。将断裂的螺栓组件拆卸,在体 视显微镜下观察,可见整个断面较为平坦,基本呈现 出沿晶断裂形貌,螺栓断口的宏观形貌如图3所示。 由图3可知,裂纹源区(A 区)在螺牙底部圆周范围 内分布,裂纹向螺栓内部扩展;扩展区(B区)面积约 占整个断 面 面 积 的 区)为瞬断区,呈纤维6状0%。

从螺栓侧面进行观察,螺栓断口附近未见明显 的颈缩变形或微裂纹,断裂两侧断口能够完全吻合, 裂纹一侧与无裂纹一侧的螺栓与挡圈配合段的圆周 表面形貌有明显差异,裂纹侧圆周表面呈光亮金属 色,而无裂纹一侧圆周表面的金属色已基本磨损(见 图4)。对垫圈进行宏观观察,可见左右两侧压痕深 度和压痕形貌有明显差异(见图5)。

1.2 断口分析 

在扫描电镜(SEM)下观察螺栓断口形貌。裂 纹源区附近未见明显的夹杂缺陷[见图6a)],裂纹 源区断口为类解理形貌,局部可见疲劳条带[见图 6b)],扩展区可见明显的沿晶二次裂纹[见图6c)], 瞬断区为类解理断裂形貌[见图6d)]。 

1.3 金相检验

将螺栓断口沿纵向截面取样,用光学显微镜观 察抛光态和腐蚀态的显微组织。在断面附近均未见 夹杂缺陷,可见明显的沿晶二次裂纹,晶粒度为 0~ 1级(见图7)。 在断裂螺栓上取样观察螺纹的微观形貌,可见 未断裂部分螺纹完整性较好,未见明显加工缺陷[见 图8a)]。 分 析 正 常 未 断 裂 螺 栓 的 显 微 组 织 [图 8b)],可见未断裂螺栓的晶粒尺寸要明显小于断裂螺栓,其晶粒度为3~4级。

1.4 化学成分分析
对断裂螺栓进行取样,采用ICP-OES(电感耦 合等离子体发射光谱仪)进行化学成分分析,结果均 符合技术要求(见表1)。

2 分析与讨 论

正常情况下装配螺栓时,螺母拧紧并锁定会对 螺栓产生轴向拉应力,而螺栓挡圈配合段圆周两侧 有明显的压痕差异。垫圈两侧不同的压痕形貌均表 明:断裂螺栓在装配后产生了偏斜拉应力。当螺栓 产生偏斜时,随着偏斜角度的增大,附加弯曲应力不 断增大,螺栓的整体承载能力、疲劳寿命等均会出现 显著下降[2]。 通常情况下,材料的晶粒越细小,其强度、塑性 和冲击韧性就越高[3],而在高温条件下,粗晶材料的 蠕变强度和持久强度较细晶材料的更高[4]。一般在 750~800 ℃时,GH4698高温合金的晶界强化作用 增强,而粗大的晶粒会使晶界长度变短,晶界强化作 用变 弱,在 应 力 作 用 下 会 产 生 沿 晶 断 裂[5]。 GH4698高温合金螺栓的化学成分虽然满足技术要 求,但与正常螺栓相比,其晶粒较为粗大。常温下, 晶界能够阻止裂纹扩展,粗大的晶粒会降低材料的 抗疲劳能力[6],因此晶粒粗大也会使螺栓发生断裂。 该发动机在试车过程中,螺栓受轴向应力、弯曲 应力以及发动机振动的共同作用,在螺纹夹层处的 缺口敏感性会增大,并产生裂纹源,材料晶粒粗大也 会使得裂纹在扩展区快速沿晶扩展,最后在中心位 置产生瞬断[7-9]。 

3 预防及改进措施 

细化装配工艺可在一定程度上避免螺栓因装配 不当而产生偏斜。由于现行工艺中没有对螺栓晶粒 度的要求,因此螺栓各批次的晶粒度差异较大。将原 热处理工艺(1120℃×8h,空冷+1000℃×4h,空 冷+775℃×16h,空冷)调整为(1110℃×2h,空冷 +1000℃×4h,空冷+775℃×16h,空冷),不同温 度下螺栓的力学性能和晶粒度检测结果如表2所示, 从表2可以看出,由于晶粒细化,室温(23 ℃)下螺栓 的 力学性能有所提高,高温(750℃)下其力学性能有所下降,与上述分析结果相符。同时,对该螺栓进行 了装机试验,螺栓均未出现裂纹或断裂。

4 结语

(1)螺栓发生疲劳断裂,断裂特征主要为沿晶 断裂,装配时产生的偏斜应力是断裂的主要原因。

(2)断裂螺栓的晶粒粗大,降低了材料的塑性 和冲击韧性,增大了缺口的敏感性,促使裂纹快速沿 晶扩展。

(3)细化装配要求可避免螺栓发生偏斜;通过调 整热处理工艺和细化晶粒,提高了材料的力学性能。 

参考文献: [1] 张晓东,夏佃秀,杜恒科,等.高强度螺栓裂纹的原因 分析[J].热加工工艺,2018,47(14):258-260. [2] 董瑾,黄霞.汽轮机螺栓偏斜对其蠕变断裂寿命的影 响[J].沈 阳 建 筑 大 学 学 报 (自 然 科 学 版),2015,31 (5):923-928. [3] 吕晶,杨其全,张倩,等.铸钢轮装制动盘螺栓孔裂纹 产生原因 分 析 [J].金 属 热 处 理,2021,46(7):238- 242. [4] 林鹏,马 党 参,孙 立 国,等.热 处 理 对 热 锻 模 材 料 GH4698组织和性能的影响[J].材 料 热 处 理 学 报, 2021,42(3):94-103. [5] 冯永志,刘鹤,石多 奇,等.GH4698 合 金 在 500℃ 下 裂纹扩展特性研究[J].燃气轮机技术,2020,33(2): 10-13. [6] 江红.微观 组 织 对 热 锻 模 具 钢 热 疲 劳 性 能 的 影 响 [D].长春:吉林大学,2001. [7] 李林骏,胡绪腾,宋迎东,等.某镍基单晶高温合金塑 性变形与失效分析[J].航空发动机,2019,45(5):97- 102. [8] 徐超.镍基高温合金服役温度范围高温区裂纹急速 扩展的现象和本质研究[D].北京:北京科技大学, 2020. [9] 张小枫,刘拥军,张思远.GH4169高温合金螺柱失效 分析[J].电焊机,2021,51(3):64-69,114.