佟文偉

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

某燃?xì)鉁u輪發(fā)動機螺栓斷裂失效分析

佟文偉

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

針對某燃?xì)鉁u輪發(fā)動機發(fā)生的G H 4169合金螺栓斷裂故障，通過對故障螺栓進(jìn)行斷口宏微觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度檢測和金相組織分析，以及對未發(fā)生斷裂失效的螺栓和螺母進(jìn)行檢查與分析，確定了該燃?xì)鉁u輪發(fā)動機螺栓斷裂性質(zhì)為鎘脆斷裂；與螺母表面的鍍鎘層緊密接觸、受到拉應(yīng)力的作用以及工作溫度較高，是導(dǎo)致螺栓發(fā)生鎘脆斷裂的主要原因。為此，提出了在渦輪后機匣連接部位選用G H 4169合金螺母，并在發(fā)動機熱端零部件連接件中避免使用鍍鎘層進(jìn)行表面防護(hù)等建議，可供排除類似故障時借鑒。

燃?xì)鉁u輪發(fā)動機；螺栓；斷裂；失效分析；鎘脆

0 引言

在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)中，存在著大量各種形式的螺栓連接。一旦螺栓發(fā)生斷裂故障，輕則必須停機維修，重則造成機毀人亡的事故。而在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機螺栓連接件發(fā)生斷裂故障后，僅僅簡單地更換無法完全排除再次發(fā)生斷裂的風(fēng)險，必須對導(dǎo)致斷裂的影響因素進(jìn)行深入分析，并采取措施加以改進(jìn)。

GH4169合金是Ni-Cr-Fe基時效硬化型高溫合金，在650℃以下具有較高的強度和塑性、良好的抗疲勞和耐腐蝕性，用于制造在650℃以下工作的航空機械零部件[1]。作為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機中重要的緊固件，GH4169合金螺栓在熱端結(jié)構(gòu)部件中得到了大量應(yīng)用。某燃?xì)鉁u輪發(fā)動機渦輪后機匣連接使用了GH4169合金螺栓（表面鍍銅）。在經(jīng)歷較短時間試車后，連接螺栓發(fā)生斷裂故障。

本文針對故障螺栓，進(jìn)行了螺栓斷口宏微觀觀察分析、故障螺栓成分分析、硬度檢測和金相組織分析，并對同期使用的未發(fā)生斷裂失效螺栓和與故障螺栓配套螺母等相關(guān)件進(jìn)行了檢查與分析，明確了螺栓斷裂失效的主要原因，提出了相應(yīng)改進(jìn)建議。為制定改進(jìn)措施、避免類似故障的重復(fù)發(fā)生提供了重要的技術(shù)依據(jù)。

1 檢查與分析結(jié)果

1.1 斷口宏觀觀察

故障螺栓斷口宏觀形貌如圖1所示。斷面在螺紋牙底的最小截面處。從圖中可見，斷口表面較粗糙，大部分呈黑褐色，中心局部呈灰白色，斷口表面部分區(qū)域可見磨損痕跡；斷口平齊，無明顯的塑性變形，斷裂面與螺栓的軸線垂直。

圖1 螺栓斷口宏觀形貌

1.2 斷口微觀觀察

螺栓斷口的掃描電鏡低倍形貌如圖2所示。從圖2（b）所示的背散射圖像中可見，螺栓斷口邊緣存在1層環(huán)狀白亮色區(qū)域。進(jìn)一步放大觀察，該區(qū)域呈現(xiàn)典型的沿晶斷裂形貌特征（如圖3所示）[2-3]；斷口表面黑褐色區(qū)域主要呈熔融狀物覆蓋的沿晶斷裂形貌（如圖4所示）；斷口中部灰白色區(qū)域為典型的韌窩（如圖5所示）；整個斷口表面未見疲勞斷裂形貌特征。

圖2 螺栓斷口低倍形貌

圖3 斷口邊緣的沿晶斷裂形貌

圖4 斷口中部的沿晶斷裂形貌

圖5 斷口中部的韌窩形貌

對故障螺栓斷口表面微區(qū)成分進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明：斷口邊緣的白亮區(qū)存在大量的金屬鎘（能譜分析結(jié)果見表1）；斷口中部表面熔融狀覆蓋物為金屬鎘（能譜分析結(jié)果見表2）；斷口心部韌窩形貌區(qū)為GH4169合金螺栓基體成分。

表1 斷口表面邊緣能譜分析結(jié)果 w/%

表2 斷口表面中部能譜分析結(jié)果 w/%

1.3 化學(xué)成分分析

在故障螺栓基體取樣進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表3。故障螺栓基體的主要合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的GH4169高溫合金成分[4]相符。

表3 故障螺栓能譜分析結(jié)果 w/%

1.4 硬度檢測

在故障螺栓基體取樣進(jìn)行硬度測量，結(jié)果見表4。從表4中測量結(jié)果可知，故障螺栓基體的硬度符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表4 故障螺栓硬度（HRC）測量結(jié)果

1.5 金相組織分析

在故障螺栓基體取樣進(jìn)行金相組織檢查，結(jié)果如圖6所示，未見明顯異常現(xiàn)象。

圖6 螺栓顯微組織

1.6 相關(guān)件的檢查與分析

選取同期使用且未發(fā)生斷裂失效的螺栓在掃描電鏡中放大觀察，可見該螺栓與螺母配合部位的螺紋表面大部分區(qū)域較粗糙，存在明顯的附著物，在個別部位的螺紋牙底可見明顯的微裂紋形貌，如圖7所示。對該螺栓表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖8所示。表明其表面附著物為金屬鎘（Cd）。

圖7 未斷裂失效螺栓表面形貌

圖8 未斷裂失效螺栓表面能譜分析曲線

在掃描電鏡中放大觀察與故障螺栓配套的螺母，其形貌如圖9所示。從圖中可見，螺母內(nèi)表面較粗糙，有明顯的附著物。對螺母表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖10所示。表明螺母表面存在大量的金屬鎘（Cd）。

將與連接螺栓配套的螺母新件沿軸線解剖，制備金相試樣后在掃描電鏡中觀察，其縱截面的背散射形貌如圖11所示，螺母內(nèi)、外表面均可見明顯的白亮層。對白亮層進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖12所示。表明該白亮層為金屬鎘（Cd），說明與故障螺栓配套的螺母表面有鍍鎘層。

圖9 螺母內(nèi)表面形貌

圖10 螺母內(nèi)表面能譜分析曲線

圖11 螺母縱截面形貌

圖12 縱截面邊緣區(qū)域能譜分析曲線

2 分析與討論

根據(jù)斷口宏微觀分析結(jié)果可知：故障螺栓斷口平齊，無明顯的塑性變形，斷裂面與螺栓的軸線垂直，為典型的脆性斷口[5]；斷口大部分區(qū)域呈黑褐色，中心局部呈灰白色，表明故障螺栓開裂過程中經(jīng)受過高溫的作用，即螺栓斷裂故障應(yīng)發(fā)生在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機試車過程中；斷口邊緣及中間大部分區(qū)域均為沿晶斷裂形貌，僅在中部較小區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)典型的韌窩形貌，整個斷口表面未見疲勞斷裂形貌特征，表明故障螺栓斷口為脆性沿晶斷裂斷口[6]。斷口表面微區(qū)成分分析結(jié)果表明，斷口邊緣沿晶斷裂區(qū)存在大量的金屬鎘，斷口中部表面熔融狀覆蓋物也為金屬鎘，而斷口中部韌窩形貌區(qū)主要為故障螺栓基體（GH4169合金）成分，進(jìn)一步說明故障螺栓斷口為金屬鎘引起的脆性沿晶斷裂斷口。

故障螺栓基體主要合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，金相組織未見明顯異常，硬度符合設(shè)計要求，表明本次斷裂故障與螺栓的材質(zhì)無直接關(guān)系。

金屬鎘鍍層在一定溫度和應(yīng)力的同時作用下，能夠從零件表面沿晶界擴散到零件內(nèi)部，引起零件基體材料脆化而導(dǎo)致脆性斷裂——鎘脆[7-8]；這種脆化效應(yīng)能在鍍鎘的零件上發(fā)生，也能在與鎘鍍層相接觸的零件上發(fā)生；鎘鍍層通常允許的最高使用溫度為230℃，對于強度較高的承力件和長壽命件，其允許使用溫度應(yīng)降低至200～210℃。某燃?xì)鉁u輪發(fā)動機渦輪后機匣連接螺栓選用材料為GH4169合金，屬于高強度緊固件，在工作過程中主要受緊固拉伸應(yīng)力作用，同時還受熱應(yīng)力、剪切應(yīng)力等作用[9]；螺栓工作溫度最高可達(dá)300℃以上，遠(yuǎn)高于鍍鎘層的允許使用溫度；與螺栓配套的螺母表面存在鍍鎘層。上述因素使得該連接螺栓具備了發(fā)生鎘脆斷裂的全部條件。在發(fā)動機工作過程中，在溫度和應(yīng)力的共同作用下，螺母表面的鎘鍍層與連接螺栓表面緊密接觸，使得金屬鎘擴散到螺栓基體中，最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生鎘脆斷裂[10-12]。

3 結(jié)論

某燃?xì)鉁u輪發(fā)動機渦輪后機匣GH4169合金連接螺栓斷裂性質(zhì)為鎘脆斷裂。經(jīng)分析，螺栓斷裂故障的發(fā)生與其材質(zhì)沒有直接關(guān)系；主要原因是故障螺栓配套的螺母表面有鍍鎘層、螺栓在工作過程中受拉應(yīng)力作用以及螺栓工作溫度較高。

為了避免類似故障重復(fù)發(fā)生，提出以下改進(jìn)建議：

（1）在渦輪后機匣連接部位選用抗氧化和耐腐蝕性能均較好的GH4169合金螺母；

（2）在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機熱端零部件的各種連接件中，避免使用鍍鎘層對其緊固件進(jìn)行表面防護(hù)[13]。

[1]萬明攀，馬瑞.GH4169螺栓斷裂失效分析及工藝改進(jìn)[J].熱加工工藝，2012（6）：195-196. WAN Mingpan,MA Rui.Failure analysis of GH4169 bolts and process improvement[J].Hot Working Technology,2012（6）: 195-196.（in Chinese）

[2]張棟，鐘培道，陶春虎,等.失效分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004：113-114. ZHANG Dong,ZHONG Peidao,TAO Chunhu,et al.Failure analysis[M].Beijing:National Defense Industry Press,2004: 113-114.（in Chinese）

[3]美國金屬學(xué)會.金屬手冊（第9卷）:斷口金相與斷口圖譜[M].8版.北京：機械工業(yè)出版社，1983：109-112. American Society for Metals.Metals handbook（Vol.9th）: Fractography and atlas of fractographs[M].8th Edition.Beijing: Machinery Industry Press,1983:109-112.（in Chinese）

[4]《工程材料實用手冊》編輯委員會.工程材料實用手冊（第2卷）:變形高溫合金,鑄造高溫合金[M].2版.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001：324-325. PracticalHandbook ofEngineering Materials Committee. Practical handbook of engineering materials（Vol.2th）:wrought high temperature alloys mold high temperature alloys[M].2th Edition.Beijing:Standards Press of China,2001:324-325.（in Chinese）

[5]胡世炎.破斷故障金相分析 [M].北京：國防工業(yè)出版社，1979：178-181. HU Shiyan.Metallographic analysis of breaking fault[M]. Beijing:National Defense Industry Press,1979:178-181.

[6]鄭修麟.材料的力學(xué)性能[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1990：34-38. ZHENG Xiulin.Mechanical properties of materials[M].Xi’an: Northwestern Polytechnical University Press,1990:34-38.（in Chinese）

[7]李金桂.腐蝕控制設(shè)計手冊 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：462-464. LI Jingui.Corrosion control design manual[M].Beijing: Chemical Industry Press,2006:462-464.

[8]張棟.機械失效的痕跡分析 [M].北京：國防工業(yè)出版社，1996：205-206. ZHANG Dong.Trace analysis of mechanical failure[M]. Beijing:National Defense Industry Press,1996:205-206.（in Chinese）

[9]陶春虎，劉高遠(yuǎn)，恩云飛,等.軍工產(chǎn)品失效分析技術(shù)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009：375-377. TAO Chunhu,LIU Gaoyuan,EN Yunfei,et al.Failure analysis technical manual of military products[M].Beijing:National Defense Industry Press,2009:375-377.（in Chinese）

[10]曾甲牙.發(fā)動機鍍鎘螺栓連接件的失效分析[J].固體火箭技術(shù)，1999（3）：71-73. ZENG Jiaya.Failure analysis of cadmium plated bolts in solid rocket motor[J].Journal of Solid Rocket Technology,1999 （3）：71-73.（in Chinese）

[11]馬春林.航空機械失效案例選編 [M].北京：科學(xué)出版社, 1988：41-43. MA Chunlin.Aviation mechanical failure case selected[M]. Beijing:Science Press,1988:41-43.（in Chinese）

[12]劉慶瑞.WP7發(fā)動機壓氣機工作葉片鎘污染分析[J].航空發(fā)動機，2003,29（1）：34-38. LIU Qingrui.Analysis of Cadmium-contaminated blade of WP7 engine compressor[J].Aeroengine,2003,29（1）:34-38. （in Chinese）

[13]劉道新.材料的腐蝕與防護(hù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006：207-213. LIU Daoxin.Material corrosion and protection [M].Xi’an: Northwestern Polytechnical University Press,2006:207-213. （in Chinese）

Fracture Failure Analysis of Bolt in a Gas Turbine Engine

TONG Wen-wei
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

Aiming at the fracture fault of GH4169 alloy bolt of a gas turbine engine, the failure mode of bolt is Cadmium embrittlement by macro and micro observation of fracture surface,chemical composition analysis,hardness testing,metallurgical structure analysis,examination and analysis of fault-free bolts and nuts.The main causes of the Cadmium embrittlement fracture were that it contacted with Cadmium plating layer of nut,suffered loaded tension stress effect and high wok temperature.Some suggestions are proposed to provide references for eliminating similar fault, which the GH4169 alloy bolt are used in the connection of turbine rear casing and the Cadmium plating are avoided to use the surface protection in the connection of the hot section components and parts.

gas turbine engine;bolt;fracture;failure analysis;Cadmium embrittlement

佟文偉（1974），男，高級工程師，主要從事航空發(fā)動機材料應(yīng)用、失效分析和三防技術(shù)研究工作。

2012-11-16