上海雄鋼特種合金有限公司

螺栓是發(fā)動機(jī)中的重要連接件，對發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用，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)累計(jì)試車1382小時后進(jìn)行拆機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)低壓Ⅱ級渦輪盤上的一顆螺栓發(fā)生斷裂。該螺栓材質(zhì)為GH4698變形高溫合金，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。發(fā)動機(jī)裝配時，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（材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti）和鎖緊螺母(材質(zhì)為GH4033)進(jìn)行固定，工作溫度在560℃~580℃，螺母擰緊力矩為7.84+1.96N.m，見圖1。

1試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.1宏觀檢查

螺栓斷裂位置位于螺栓頭部的螺紋起始位置，此處基本位于墊圈與螺母的配合處，見圖2（a），螺栓完整形貌見圖2（b）。

將斷裂螺栓組件拆卸后在在體式鏡下觀察，可見整個斷面較為平坦，基本呈現(xiàn)出沿晶斷裂形貌，見圖3。裂紋源區(qū)（A區(qū)）在螺牙底部圓周范圍內(nèi)分布，呈深灰氧化色，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，淺黃色。

從螺栓側(cè)面進(jìn)行觀察，斷面附近螺栓未見明顯的縮頸變形或微裂紋，斷裂兩側(cè)斷口能夠完全吻合，螺栓與擋圈配合段的圓周上，裂紋一側(cè)與無裂紋一側(cè)的表面形貌有明顯差異，裂紋側(cè)圓周表面呈新鮮的金屬光亮色，而無裂紋一側(cè)金屬亮色已基本磨損，見圖4。對墊片進(jìn)行觀察，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微觀檢查

1.2.1斷口分析

在掃描電鏡下觀察斷面形貌，源區(qū)附近未見明顯的冶金夾雜等缺陷，見圖6（a），源區(qū)斷面為類解理形貌，局部可見疲勞條帶，見圖6（b）。擴(kuò)展區(qū)可見明顯的沿晶二次裂紋，見圖6（c），瞬斷區(qū)C區(qū)為類解理斷裂形貌，見圖6（d）。

1.2.2顯微組織檢查

將斷口沿縱截面取樣并磨制高倍檢查，斷面附近均未見冶金缺陷，可見明顯的沿晶二次裂紋，晶粒度在ASTMNo.0-1級，見圖7所示。

檢查螺紋情況，可見未斷裂部分螺紋完整性較好，未見明顯加工缺陷，見圖8（a），另取一件正常未斷裂螺栓進(jìn)行組織檢查，從圖8（b）可見，正常件螺栓晶粒尺寸要明顯小于斷裂件，其晶粒度在ASTMNo.3-4級。

1.3成分分析

對斷裂螺栓取樣采用ICP-OES法進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果均符合要求，見表1。

2分析討論

通過對斷裂螺栓的檢查，螺栓斷裂特征為疲勞斷裂。正常情況下裝配時螺母擰緊并鎖定對螺栓產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力，而螺栓擋圈配合段圓周兩側(cè)顯著的壓痕差異以及墊圈兩側(cè)不同的壓痕形貌均表明，斷裂件在裝配后受到了一定的徑向剪切應(yīng)力，即螺栓在裝配時存在裝配不當(dāng)。

通常情況下，材料的晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度就越高。而在高溫下，晶界會成為合金的薄弱環(huán)節(jié)，因此高溫條件下粗晶材料的蠕變極限和持久強(qiáng)度較細(xì)晶材料更高。GH4698屬于鎳基高溫合金，一般在750-800℃以上工作時，其晶內(nèi)強(qiáng)化占主要作用，螺栓的工作溫度為560-580℃，此時仍以晶界強(qiáng)化為主，而粗大的晶粒導(dǎo)致晶界長度短，晶界強(qiáng)化作用弱，在應(yīng)力作用下會產(chǎn)生沿晶斷裂，螺栓成分材質(zhì)均滿足要求，但與正常螺栓相比晶粒較為粗大，在ASTMNo.0-1級，而正常件的晶粒度在ASTMNo.3-4級，因此螺栓的晶粒粗大也是產(chǎn)生斷裂的不利因素。

相關(guān)研究表明[4,5]，構(gòu)件在軸向應(yīng)力和切應(yīng)力的共同作用下，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)會出現(xiàn)顯著下降，最大可下降40%。該螺栓在發(fā)動機(jī)在試車過程中，由于受軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力以及發(fā)動機(jī)振動的共同作用，在螺紋牙底產(chǎn)生裂紋源并小范圍疲勞擴(kuò)展，由于材料晶粒粗大，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

通過細(xì)化裝配操作，在一定程度上避免了裝配不當(dāng)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力?，F(xiàn)行工藝中沒有對螺栓晶粒度的要求，導(dǎo)致螺栓成品件各批次晶粒度差異較大，通過改進(jìn)熱處理制度，將原熱處理制度（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），并增加晶粒度要求（ASTMNo.2-6級），對調(diào)整熱處理后的晶粒度、力學(xué)性能以及熱處理工藝的穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果見表2，從表中可以看出，調(diào)整熱處理后均滿足相關(guān)技術(shù)要求，由于晶粒細(xì)化，螺栓的硬度、拉伸等室溫下性能有所提高，在高溫（750℃）下的性能有所下降，也上述分析結(jié)果相符。同時，進(jìn)行了裝機(jī)試驗(yàn)，螺栓均未出現(xiàn)裂紋或斷裂。

4結(jié)論

（1）斷裂件螺栓失效性質(zhì)疲勞斷裂，斷裂特征主要為沿晶斷裂，裝配時產(chǎn)生了較大的剪切應(yīng)力是

斷裂的主要原因；

（2）斷裂螺栓晶粒度粗大，促使裂紋快速沿晶擴(kuò)展，是螺栓斷裂的不利因素之一。

（3）細(xì)化裝配要求，減少剪切應(yīng)力的產(chǎn)生；調(diào)整熱處理制度，細(xì)化晶粒，提高合金使用性能。