摘 要:某1Cr11Ni2W2MoV鋼高壓渦輪軸在進行疲勞試驗后,其渦輪軸端面和軸體轉接處存 在沿圓周方向的長度為200mm左右的穿透性裂紋。采用宏觀觀察、金相檢驗、斷口分析等方法分 析裂紋形成的原因。結果表明:該裂紋性質為疲勞裂紋,渦輪軸的材料正常,裂紋產生的主要原因 是渦輪軸的上、下支撐板軸承安裝孔同軸度偏差較大,導致渦輪軸在疲勞試驗過程中呈偏轉狀態(tài), 最大應力位置發(fā)生改變,在端面和軸體的拐角處產生應力集中,促使裂紋形成。
關鍵詞:航空發(fā)動機;渦輪軸;疲勞壽命;同軸度
中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)02-0054-04
1Cr11Ni2W2MoV 鋼具有良好的強度、韌性和 一定的抗腐蝕性[1-2],經常用于航空發(fā)動機中600℃ 下工作的盤件、葉片和軸等零部件[3-4]。航空發(fā)動機 中的壓氣機轉子軸、渦輪轉子軸等是發(fā)動機中傳遞 功率的重要部件,通常稱為主軸,主軸失效會產生極 其嚴重的后果。由于航空發(fā)動機的工作特點,主軸 需承受扭矩、軸向力、彎矩及振動扭矩等多種載荷, 因此對主軸在復合載荷下的疲勞壽命提出了極高要 求[5]。發(fā)動機的臺架在試車過程中很難實現主軸的 真實工作狀態(tài),通常是設計專門的試驗器對主軸施 加復合載荷,以估算其疲勞壽命[6]。
某型航空發(fā)動機的高壓渦輪軸在試驗器中進行 疲勞試驗,渦輪軸結構如圖1所示。在完成了1500 次低循環(huán)、2×106 次高循環(huán)疲勞試驗后,彎矩載荷不 穩(wěn)定,加彎軸異常偏轉,試驗暫停,檢查軸試驗器后, 發(fā)現高壓渦輪軸產生裂紋。筆者采用一系列理化檢 驗方法分析了裂紋產生的原因,提出了改進意見。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
高壓渦輪軸斷裂的特征為:凸臺與軸身拐角處 產生穿透性裂紋,軸體出現了較大扭轉變形,不能將 軸體從試驗器中正常拆卸,因此在裂紋附近對軸身 進行了切割,裂紋宏觀形貌如圖2所示。
裂紋基本沿轉接拐角處周向分布,裂紋尾部與 主裂紋呈135°角,沿軸體擴展,裂紋兩側外形吻合, 可見明顯的二次裂紋。裂紋兩側在軸體拐角處有明 顯變形。軸體外表面可見沿圓周方向的磨損燒蝕特 征[見圖3a)],裂紋區(qū)域臺階上的銷子均有不同程 度磨損[見圖3b)]。
在裂紋處剖開試樣,可見斷面有兩種差異較大 的特征,斷面中部區(qū)域(區(qū)域1)平坦,該區(qū)域裂紋擴 展路徑均沿軸體和端面臺階的圓周分布,該區(qū)域長 度約為5cm,占裂紋長度的1/4;斷面兩側區(qū)域(區(qū) 域2)起伏明顯,且可見沿圓周和壁厚方向的大應力 撕裂特征,區(qū)域3為人工打斷區(qū)(見圖4)。
通過宏觀斷口的放射棱線可判斷裂紋起源于1 區(qū),裂紋產生于軸體外表面與端面臺階轉接拐角處 圓周表面,裂紋源區(qū)呈多處點源或線源形式。
1.2 斷口分析
在掃描電鏡(SEM)下觀察斷口形貌,可見斷面 磨損嚴重(見圖5)。
斷口1區(qū)可見解理河流狀花樣,2區(qū)可見大應 力撕裂快速擴展和磨損特征,3區(qū)呈現韌窩特征。 斷口3個區(qū)域的SEM 形貌如圖6所示。
沿裂紋附近的拐角處縱向取樣,觀察拐角處截 面與軸身的顯微組織(見圖7),由圖7可知:材料的 顯微組織正常,為板條狀馬氏體。
1.3 化學成分分析、硬度測試和力學性能測試
在軸體裂紋附近取樣,并進行化學成分分析、硬 度測試和力學性能測試,結果如表1,2所示。由表 1,2可知,結果均符合鍛件的驗收要求。
1.4 應力分析
檢查渦輪軸試驗器的上、下支撐板軸承安裝孔 的同軸狀況,測得其同軸度為4.98mm,對渦輪軸進 行設計狀態(tài)和偏轉狀態(tài)的應力分析。
在試驗設計狀態(tài)下,高壓渦輪軸等效應力分布 如圖8,9所示,高壓渦輪軸最大應力位置在鎖片槽 根部倒圓位置,此時凸臺根部倒圓位置截面的平均 應力為595MPa,應力集中系數為1.99;鎖片槽根部 倒圓位置截面平均應力為593MPa,應力集中系數 為2.47。
根 據 上、下 支 撐 板 軸 承 安 裝 孔 同 軸 度 為 4.98mm(上 支 撐 板 相 對 于 下 支 撐 板 軸 線 偏 離 2.49mm),高壓渦輪軸偏轉如圖10所示,對偏轉狀 態(tài)下的高壓渦輪軸進行應力分析(見圖11,12),高 壓渦輪軸最大應力位置變?yōu)橥古_根部倒圓處,此時 凸臺根部倒圓位置截面平均應力為710MPa,應力集中系數為2.44;鎖片槽根部倒圓位置截面平均應 力為634MPa,應力集中系數為2.75。
根據對比設計與偏轉狀態(tài)下的應力分布,由于 彎矩載荷的存在,設計狀態(tài)下凸臺根部倒圓處截面 應力分布不均勻,但差別不大,而受試驗件偏轉的影 響,凸臺倒圓處應力分布不均勻程度進一步增大。 高壓渦輪軸凸臺根部截面設計狀態(tài)與偏轉狀態(tài)下各 方向應力分布如圖13所示。高壓渦輪軸凸臺根部 截面設計狀態(tài)與偏轉狀態(tài)下應力計算結果如表3 所示。
2 綜合分析
高壓渦輪軸的裂紋源區(qū)呈多源特征,源區(qū)軸體 表面的機械加工刀痕完整,在斷口上發(fā)現嚴重磨損 痕跡,軸體變形較大。高壓渦輪軸的化學成分分析 結果和力學性能測試結果均正常。
復查零件的生產、裝配和試驗過程,發(fā)現上、下 支撐板軸承安裝孔同軸度偏差較大。渦輪軸偏轉后 最大應力位置變?yōu)橥古_根部倒圓拐角處(與實際裂 紋產生位置吻合),該處截面的平均應力由595MPa 增大至 710 MPa,應力集中系數由 1.99 增大至 2.44,相比試驗設計狀態(tài),應力集中改變使零件的疲 勞壽命出現大幅下降。
試驗器安裝時,上、下支撐板的軸承安裝孔不同 軸,使得高壓渦輪軸與高壓壓氣機傳動軸不同軸,進 一步引起軸向力加載方向與高壓渦輪軸試驗件不同 軸,從而造成高壓渦輪軸凸臺根部倒圓拐角處周向 應力不均勻;在較高的低周應力和高周應力共同作 用下,應力集中區(qū)域的抗疲勞性能降低,導致裂紋萌 生;裂紋持續(xù)擴展達到一定長度后,渦輪軸在持續(xù)載 荷的作用下發(fā)生扭曲變形,導致應力進一步分布不 均,斷口快速撕裂擴展。
3 結論
根據分析結果,制訂了改進和預防措施:在試驗 器設計圖中增加上、下支撐板軸承安裝孔的同軸度 0~0.2mm的要求,增加試驗裝配過程中的檢測工 裝,保證裝配過程中同軸度的實時調整。
參考文獻:
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[2] 孫小嵐,楊堃.1Cr11Ni2W2MoV 模鍛件耐蝕性改進 工藝[J].電鍍與涂飾,2021,40(6):405-409.
[3] 徐杏杏,何軍剛,胡鍇,等.1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼 沖擊性能不合格原因探討[J].理化檢驗(物理分冊), 2014,50(8):596-598.
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[6] 王通北,陳美英.軍用航空發(fā)動機主軸疲勞壽命的試 驗驗證[J].航空發(fā)動機,2000(3):42-49,65.
