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分享:GH4698高温合金螺栓断裂原因

2022-10-13 14:20:35 

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(中国航发航空科份有限,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;;;

中图分类:V267;TG115 :B 文章编号:1001-4012(2022)04-0037-04

螺栓是航空发动机中的,的稳定运行起着重要作用,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+固溶 +时效)机加装配机时,螺栓于插,并在涡轮 盘另一面 对 应 位 置 使 用 垫 圈 (材 料 为 1Cr18Ni9Ti )和锁紧螺母(材料为 GH4033高温合金),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 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

GH4698高温合金螺栓,基本位于垫圈与螺母的配,后宏 观形貌如图2所示将断裂的螺栓组件拆卸,视显微镜下观察,可见整个断面较为平坦,基本出沿晶断裂形貌,螺栓断口的宏观形貌如图3所示由图3可知,裂纹源区(A )内分布,裂纹向螺栓内部扩展;(B)积约 占整个断 面 面 积 的 )为瞬断区,呈纤维60%


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 ,而无裂纹一侧圆周表面的金属色已基本磨损(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[6b)],扩展区可见明显的沿晶二次[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(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[8a)]。 分 析 正 常 未 断 裂 螺 栓 的 显 微 组 织 [8b)],可见未断裂螺栓的晶粒尺寸要明显小于断裂,3~4


1.4
裂螺,ICP-OES(合等离子发射),术要(见表1)。

2

常情配螺,螺母紧并螺栓产应力,配合有明显的压痕差异垫圈两侧不同的压痕形貌均表 :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 ,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,但与,, 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

工艺度上因装不当而由于中没晶粒 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,+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,(23 )的 力学性能有所提高,高温(750)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),沿断裂,

(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,,,.的原因 分析[J].,2018,47(14):258-260. [2] 董瑾,.寿[J].(),2015,31 (5):923-928. [3] 吕晶,杨其全,张倩,.产生原因 分 析 [J].,2021,46(7):238- 242. [4] 林鹏,马 党 参,孙 立 国,.热 处 理 对 热 锻 模 材 料 GH4698[J]., 2021,42(3):94-103. [5] ,,,.GH4698 500裂纹扩展特性研究[J].,2020,33(2): 10-13. [6] .[D].:,2001. [7] 李林骏,,,.性变形与失效分析[J].航空发动机,2019,45(5):97- 102. [8] .[D].:, 2020. [9] 张小,,.GH4169[J].电焊机,2021,51(3):64-69,114.