摘 要:某1Cr11Ni2W2MoV鋼高壓渦輪軸在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)后,其渦輪軸端面和軸體轉(zhuǎn)接處存 在沿圓周方向的長(zhǎng)度為200mm左右的穿透性裂紋。采用宏觀觀察、金相檢驗(yàn)、斷口分析等方法分 析裂紋形成的原因。結(jié)果表明:該裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋,渦輪軸的材料正常,裂紋產(chǎn)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(dǎo)致渦輪軸在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中呈偏轉(zhuǎn)狀態(tài), 最大應(yīng)力位置發(fā)生改變,在端面和軸體的拐角處產(chǎn)生應(yīng)力集中,促使裂紋形成。

關(guān)鍵詞:航空發(fā)動(dòng)機(jī);渦輪軸;疲勞壽命;同軸度

中圖分類號(hào):TB31;TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)02-0054-04

1Cr11Ni2W2MoV 鋼具有良好的強(qiáng)度、韌性和 一定的抗腐蝕性[1-2],經(jīng)常用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中600℃ 下工作的盤件、葉片和軸等零部件[3-4]。航空發(fā)動(dòng)機(jī) 中的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸、渦輪轉(zhuǎn)子軸等是發(fā)動(dòng)機(jī)中傳遞 功率的重要部件,通常稱為主軸,主軸失效會(huì)產(chǎn)生極 其嚴(yán)重的后果。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn),主軸 需承受扭矩、軸向力、彎矩及振動(dòng)扭矩等多種載荷, 因此對(duì)主軸在復(fù)合載荷下的疲勞壽命提出了極高要 求[5]。發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架在試車過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)主軸的 真實(shí)工作狀態(tài),通常是設(shè)計(jì)專門的試驗(yàn)器對(duì)主軸施 加復(fù)合載荷,以估算其疲勞壽命[6]。

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪軸在試驗(yàn)器中進(jìn)行 疲勞試驗(yàn),渦輪軸結(jié)構(gòu)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(yàn)后,彎矩載荷不 穩(wěn)定,加彎軸異常偏轉(zhuǎn),試驗(yàn)暫停,檢查軸試驗(yàn)器后, 發(fā)現(xiàn)高壓渦輪軸產(chǎn)生裂紋。筆者采用一系列理化檢 驗(yàn)方法分析了裂紋產(chǎn)生的原因,提出了改進(jìn)意見(jiàn)。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

高壓渦輪軸斷裂的特征為:凸臺(tái)與軸身拐角處 產(chǎn)生穿透性裂紋,軸體出現(xiàn)了較大扭轉(zhuǎn)變形,不能將 軸體從試驗(yàn)器中正常拆卸,因此在裂紋附近對(duì)軸身 進(jìn)行了切割,裂紋宏觀形貌如圖2所示。

裂紋基本沿轉(zhuǎn)接拐角處周向分布,裂紋尾部與 主裂紋呈135°角,沿軸體擴(kuò)展,裂紋兩側(cè)外形吻合, 可見(jiàn)明顯的二次裂紋。裂紋兩側(cè)在軸體拐角處有明 顯變形。軸體外表面可見(jiàn)沿圓周方向的磨損燒蝕特 征[見(jiàn)圖3a)],裂紋區(qū)域臺(tái)階上的銷子均有不同程 度磨損[見(jiàn)圖3b)]。

在裂紋處剖開(kāi)試樣,可見(jiàn)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(kuò) 展路徑均沿軸體和端面臺(tái)階的圓周分布,該區(qū)域長(zhǎng) 度約為5cm,占裂紋長(zhǎng)度的1/4;斷面兩側(cè)區(qū)域(區(qū) 域2)起伏明顯,且可見(jiàn)沿圓周和壁厚方向的大應(yīng)力 撕裂特征,區(qū)域3為人工打斷區(qū)(見(jiàn)圖4)。

通過(guò)宏觀斷口的放射棱線可判斷裂紋起源于1 區(qū),裂紋產(chǎn)生于軸體外表面與端面臺(tái)階轉(zhuǎn)接拐角處 圓周表面,裂紋源區(qū)呈多處點(diǎn)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(jiàn)斷面 磨損嚴(yán)重(見(jiàn)圖5)。

斷口1區(qū)可見(jiàn)解理河流狀花樣,2區(qū)可見(jiàn)大應(yīng) 力撕裂快速擴(kuò)展和磨損特征,3區(qū)呈現(xiàn)韌窩特征。 斷口3個(gè)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(jiàn)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(xué)成分分析、硬度測(cè)試和力學(xué)性能測(cè)試

在軸體裂紋附近取樣,并進(jìn)行化學(xué)成分分析、硬 度測(cè)試和力學(xué)性能測(cè)試,結(jié)果如表1,2所示。由表 1,2可知,結(jié)果均符合鍛件的驗(yàn)收要求。

1.4 應(yīng)力分析

檢查渦輪軸試驗(yàn)器的上、下支撐板軸承安裝孔 的同軸狀況,測(cè)得其同軸度為4.98mm,對(duì)渦輪軸進(jìn) 行設(shè)計(jì)狀態(tài)和偏轉(zhuǎn)狀態(tài)的應(yīng)力分析。

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)狀態(tài)下,高壓渦輪軸等效應(yīng)力分布 如圖8,9所示,高壓渦輪軸最大應(yīng)力位置在鎖片槽 根部倒圓位置,此時(shí)凸臺(tái)根部倒圓位置截面的平均 應(yīng)力為595MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.99;鎖片槽根部 倒圓位置截面平均應(yīng)力為593MPa,應(yīng)力集中系數(shù) 為2.47。

根 據(jù) 上、下 支 撐 板 軸 承 安 裝 孔 同 軸 度 為 4.98mm(上 支 撐 板 相 對(duì) 于 下 支 撐 板 軸 線 偏 離 2.49mm),高壓渦輪軸偏轉(zhuǎn)如圖10所示,對(duì)偏轉(zhuǎn)狀 態(tài)下的高壓渦輪軸進(jìn)行應(yīng)力分析(見(jiàn)圖11,12),高 壓渦輪軸最大應(yīng)力位置變?yōu)橥古_(tái)根部倒圓處,此時(shí) 凸臺(tái)根部倒圓位置截面平均應(yīng)力為710MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.44;鎖片槽根部倒圓位置截面平均應(yīng) 力為634MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.75。

根據(jù)對(duì)比設(shè)計(jì)與偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下的應(yīng)力分布,由于 彎矩載荷的存在,設(shè)計(jì)狀態(tài)下凸臺(tái)根部倒圓處截面 應(yīng)力分布不均勻,但差別不大,而受試驗(yàn)件偏轉(zhuǎn)的影 響,凸臺(tái)倒圓處應(yīng)力分布不均勻程度進(jìn)一步增大。 高壓渦輪軸凸臺(tái)根部截面設(shè)計(jì)狀態(tài)與偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下各 方向應(yīng)力分布如圖13所示。高壓渦輪軸凸臺(tái)根部 截面設(shè)計(jì)狀態(tài)與偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下應(yīng)力計(jì)算結(jié)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(jī)械加工刀痕完整,在斷口上發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重磨損 痕跡,軸體變形較大。高壓渦輪軸的化學(xué)成分分析 結(jié)果和力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果均正常。

復(fù)查零件的生產(chǎn)、裝配和試驗(yàn)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)上、下 支撐板軸承安裝孔同軸度偏差較大。渦輪軸偏轉(zhuǎn)后 最大應(yīng)力位置變?yōu)橥古_(tái)根部倒圓拐角處(與實(shí)際裂 紋產(chǎn)生位置吻合),該處截面的平均應(yīng)力由595MPa 增大至 710 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)由 1.99 增大至 2.44,相比試驗(yàn)設(shè)計(jì)狀態(tài),應(yīng)力集中改變使零件的疲 勞壽命出現(xiàn)大幅下降。

試驗(yàn)器安裝時(shí),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(jī)傳動(dòng)軸不同軸,進(jìn) 一步引起軸向力加載方向與高壓渦輪軸試驗(yàn)件不同 軸,從而造成高壓渦輪軸凸臺(tái)根部倒圓拐角處周向 應(yīng)力不均勻;在較高的低周應(yīng)力和高周應(yīng)力共同作 用下,應(yīng)力集中區(qū)域的抗疲勞性能降低,導(dǎo)致裂紋萌 生;裂紋持續(xù)擴(kuò)展達(dá)到一定長(zhǎng)度后,渦輪軸在持續(xù)載 荷的作用下發(fā)生扭曲變形,導(dǎo)致應(yīng)力進(jìn)一步分布不 均,斷口快速撕裂擴(kuò)展。

3 結(jié)論

根據(jù)分析結(jié)果,制訂了改進(jìn)和預(yù)防措施:在試驗(yàn) 器設(shè)計(jì)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(yàn)裝配過(guò)程中的檢測(cè)工 裝,保證裝配過(guò)程中同軸度的實(shí)時(shí)調(diào)整。

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