邱 豐，劉博志，趙世煒，佟文偉，譚 莉

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

管路系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介質(zhì)和能量傳輸?shù)闹匾ǖ?，而卡箍是固定、支撐和安裝該系統(tǒng)的重要零部件，合理地設(shè)計(jì)卡箍結(jié)構(gòu)和布置卡箍在發(fā)動(dòng)機(jī)上的位置不僅可以提高卡箍自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還可以有效控制和改善發(fā)動(dòng)機(jī)管路的動(dòng)態(tài)特性。因此，確保卡箍在發(fā)動(dòng)機(jī)工作中的可靠性對(duì)保障管路系統(tǒng)的正常工作有重要作用，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性能。

卡箍斷裂故障在航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路故障中占比較高，國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)此進(jìn)行過(guò)很多研究。劉中華等研究了某連通管卡箍的斷裂故障，由于該卡箍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能適應(yīng)振動(dòng)環(huán)境，并且卡箍上、下半部之間裝配夾角大，在螺栓擰緊過(guò)程中產(chǎn)生較大的初始局部應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞斷裂；王琦等對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)滑油彎管處卡箍襯墊撕裂故障進(jìn)行了研究，由于卡箍襯墊選材不當(dāng)，在高溫過(guò)載狀態(tài)下引發(fā)了撕裂；李洋等針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)引氣管卡箍斷裂故障展開(kāi)研究，由于卡箍安裝端折彎處內(nèi)弧轉(zhuǎn)角較小，在內(nèi)弧表面的劃痕處產(chǎn)生了局部應(yīng)力集中，從而誘發(fā)疲勞裂紋萌生；李波等對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)引氣預(yù)冷導(dǎo)管卡箍斷裂故障進(jìn)行分析，表明由于卡箍裝配應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致外表面邊角處應(yīng)力集中，在振動(dòng)應(yīng)力的作用下引起疲勞萌生；Zhang 等研究了多卡箍支撐管路結(jié)構(gòu)的頻率調(diào)整與動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間的關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化卡箍裝配位置，使卡箍的第一固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率相差較大，從而避免了在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率范圍內(nèi)管路系統(tǒng)與卡箍發(fā)生共振，降低了卡箍因高頻振動(dòng)而引起疲勞萌生和擴(kuò)展的可能性，進(jìn)而提高了卡箍的可靠性；Hazra等研究了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道固定所用的鎖緊導(dǎo)線的斷裂原因，結(jié)果表明在裝配過(guò)程中鎖緊導(dǎo)線產(chǎn)生了過(guò)扭以及該批次導(dǎo)線過(guò)大的強(qiáng)度及較低的韌性是造成鎖緊導(dǎo)線斷裂的主要原因；Kumar 等研究認(rèn)為，航空發(fā)動(dòng)機(jī)一體化噴嘴驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷卻液壓管路斷裂的主要原因?yàn)閿嗫诒砻娲嬖诘母g性元素引起的腐蝕疲勞以及裝配或焊接過(guò)程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力載荷引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，同時(shí)固定管路的卡箍未能有效地降低振動(dòng)載荷也是導(dǎo)致液壓管路快速開(kāi)裂的原因之一。綜上研究表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材、加工工藝及裝配工藝不當(dāng)?shù)纫蛩鼐鶗?huì)引起卡箍斷裂。因此研究卡箍的斷裂原因并提出改進(jìn)措施具有重要意義。

本文對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)工作后出現(xiàn)的引氣管單聯(lián)卡箍組件中的卡箍上半部斷裂故障進(jìn)行了失效分析。

1 失效分析與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

單聯(lián)卡箍組件裝配和分解宏觀形貌分別如圖1、2 所示?？ü坑?Cr11Ni2W2MoV 板材彎曲加工而成。從圖中可見(jiàn)，卡箍上半部沿螺栓安裝孔邊緣斷裂，斷裂位置如圖1（a）中箭頭所示。

圖1 單聯(lián)卡箍組件裝配宏觀形貌

1.2 斷口分析

將卡箍組件分解后對(duì)卡箍上半部進(jìn)行斷口分析，斷口宏觀形貌如圖3所示。圖中左側(cè)斷口編號(hào)為1#，右側(cè)斷口編號(hào)為2#。1#斷口宏觀形貌如圖4所示。從圖中可見(jiàn)，斷口呈灰褐色，呈現(xiàn)明顯的疲勞弧線和放射棱線特征，表明斷口性質(zhì)為疲勞，根據(jù)放射棱線匯聚方向判斷，疲勞起始于卡箍上、下半部接觸側(cè)的表面區(qū)域（圖4 中圓圈）。2#斷口宏觀形貌如圖5 所示。從圖中可見(jiàn)，斷口表面呈灰褐色、疲勞特征及斷口斷裂性質(zhì)均與1#斷口的一致，但根據(jù)放射棱線匯聚方向判斷，疲勞由卡箍上半部?jī)蓚?cè)表面雙向起始，呈多源起始特征，源區(qū)位置如圖中圓圈所示，其中與卡箍下半部接觸側(cè)起始的疲勞擴(kuò)展更為充分，表明卡箍上、下半部接觸一側(cè)的源區(qū)為主疲勞源，與鎖片接觸一側(cè)為次疲勞源。

圖2 分解后的單聯(lián)卡箍組件宏觀形貌

圖3 卡箍上半部斷口宏觀形貌

圖4 1#斷口宏觀形貌

圖5 2#斷口宏觀形貌

在掃描電鏡下放大觀察，1#斷口源區(qū)放大形貌如圖6 所示。源區(qū)可見(jiàn)磨損痕跡，未見(jiàn)明顯的冶金缺陷。根據(jù)放射棱線匯聚方向判斷，1#斷口疲勞起始于卡箍上、下半部接觸側(cè)的表面區(qū)域（圖中箭頭）。在擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)清晰細(xì)密的疲勞條帶形貌（如圖7 所示），進(jìn)一步說(shuō)明卡箍上半部1#斷口的斷裂性質(zhì)為疲勞。

圖6 1#斷口源區(qū)放大形貌（300倍）

圖7 1#斷口擴(kuò)展區(qū)放大形貌（5000倍）

2#斷口源區(qū)主疲勞源放大形貌如圖8 所示。從圖中可見(jiàn)，其形貌呈多源起始特征，源區(qū)可見(jiàn)磨損痕跡，未見(jiàn)明顯的冶金缺陷。根據(jù)放射棱線匯聚方向判斷，2#斷口主疲勞源起始于卡箍上半、下半部接觸側(cè)的表面區(qū)域（圖中箭頭）。2#斷口次疲勞源放大形貌如圖9 所示。源區(qū)未見(jiàn)明顯的冶金缺陷，根據(jù)放射棱線匯聚方向判斷，2#斷口次疲勞源起始于卡箍上半部與鎖片接觸側(cè)的表面區(qū)域（圖中箭頭）。在擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)清晰細(xì)密的疲勞條帶形貌（如圖10 所示），進(jìn)一步說(shuō)明卡箍上半部2#斷口的斷裂性質(zhì)為疲勞。

圖8 2#斷口源區(qū)主疲勞源形貌（200倍）

圖9 2#斷口源區(qū)次疲勞源放大形貌（200倍）

圖10 2#斷口擴(kuò)展區(qū)放大形貌（5000倍）

1.3 卡箍上、下半部表面檢查

由于1#和2#斷口主疲勞源均位于卡箍上、下半部接觸的表面區(qū)域，因此對(duì)卡箍上、下半部接觸面進(jìn)行分析至關(guān)重要。卡箍上、下半部接觸面宏觀形貌如圖11所示。從圖中可見(jiàn)，卡箍上半部表面呈黑褐色磨損痕跡，且該痕跡與疲勞起始部位相對(duì)應(yīng)；卡箍下半部同樣存在磨損痕跡，且與卡箍上半部疲勞起始部位存在2條明顯的橫向磨損痕跡（圖11（b）中箭頭），說(shuō)明卡箍上半部疲勞起始區(qū)域所受的磨損最為嚴(yán)重。

圖11 卡箍上、下半部接觸面宏觀形貌

在掃描電鏡下進(jìn)一步放大觀察卡箍上半部斷口源區(qū)側(cè)表面，1#斷口疲勞源區(qū)側(cè)表面如圖12 所示。從圖中可見(jiàn)，源區(qū)部位的側(cè)表面存在明顯的與源區(qū)位置相對(duì)應(yīng)的擠壓磨損痕跡（圖中虛線）。2#斷口主疲勞源側(cè)表面如圖13 所示。從圖中可見(jiàn)，源區(qū)部位的側(cè)表面同樣存在明顯的與起源位置相對(duì)應(yīng)的擠壓磨損痕跡。說(shuō)明卡箍上半部與螺栓接觸面之間產(chǎn)生了嚴(yán)重的擠壓磨損，破壞了卡箍上半部的表面完整性，從而導(dǎo)致卡箍上半部引發(fā)了疲勞起始。

圖12 1#斷口與螺栓接觸側(cè)表面形貌（100倍）

圖13 2#斷口與螺栓接觸側(cè)表面形貌（100倍）

1.4 成分分析

對(duì)卡箍基體進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表1。主要合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與1Cr11Ni2W2MoV 的基本相符，未見(jiàn)明顯異常。

表1 卡箍基體能譜分析結(jié)果 wt%

1.5 組織檢查

對(duì)卡箍基體取樣進(jìn)行組織檢查，其形貌如圖14所示。從圖中可見(jiàn)，該形貌為回火索氏體組織形貌，未見(jiàn)異常。

圖14 卡箍基體組織形貌

1.6 硬度測(cè)試

對(duì)未斷裂的卡箍下半部進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。硬度符合設(shè)計(jì)要求。

表2 卡箍下半部洛氏硬度HRC測(cè)試結(jié)果

2 分析與討論

失效分析結(jié)果表明：1#斷口和2#斷口主疲勞源均為起始于卡箍上半部與螺栓接觸一側(cè)表面的疲勞斷口；卡箍材質(zhì)符合要求，未見(jiàn)明顯異常；在1#斷口源區(qū)和2#斷口主疲勞源區(qū)側(cè)表面均可見(jiàn)較為嚴(yán)重的擠壓磨損痕跡。

卡箍受力與磨損結(jié)構(gòu)如圖15 所示。從圖中可見(jiàn)，該結(jié)構(gòu)左側(cè)由螺栓經(jīng)卡箍上、下半部的螺栓孔裝配，右側(cè)為開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，便于管路的裝配。由于卡箍上、下半部之間存在2 mm的間隙，在螺栓擰緊過(guò)程中卡箍先在圖15（a）圓圈位置發(fā)生接觸，此時(shí)卡箍上、下半部之間的夾角θ≈5°，隨著螺栓擰緊力矩增大，卡箍上半部需通過(guò)變形才能卡緊管路，因此在卡箍上、下半部接觸側(cè)的變形表面（如圖15（b）圓圈所示）形成了表面拉應(yīng)力，進(jìn)而降低該部位的抗疲勞性能，同時(shí)螺栓擰緊后在卡箍上半部變形區(qū)域的邊緣與下半部接觸區(qū)形成壓痕（圖11（b）），如圖15（b）中箭頭所示。此外，雖然卡箍?jī)?nèi)徑與外徑尺寸相當(dāng)，沒(méi)有間隙，但在裝配時(shí)引氣管難免會(huì)偏向卡箍上、下半部中的一側(cè)，在發(fā)動(dòng)機(jī)試車過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)經(jīng)卡箍底座和引氣管分別傳向卡箍左右兩側(cè)，在振動(dòng)載荷作用下，卡箍上半部變形區(qū)與下半部接觸部位發(fā)生微動(dòng)磨損。研究表明：1Cr11Ni2W2MoV 馬氏體耐熱不銹鋼在發(fā)生磨損時(shí)，會(huì)產(chǎn)生表面硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致其抗微動(dòng)疲勞性能大幅降低，進(jìn)而在卡箍上半部出現(xiàn)疲勞萌生。

圖15 卡箍受力與磨損結(jié)構(gòu)

3 改進(jìn)建議

（1）在卡箍組件之間加裝2 mm厚的墊片，消除在螺栓安裝過(guò)程中卡箍上半部的變形，從而消除由裝配變形引起的表面拉應(yīng)力；

（2）在卡箍右側(cè)加裝1 個(gè)限位結(jié)構(gòu)（如圖16 所示），當(dāng)引氣管傳遞的振動(dòng)載荷較大時(shí)，可以通過(guò)該限位結(jié)構(gòu)限制卡箍上、下半部的振動(dòng)幅度，從而減小卡箍上、下半部之間的微動(dòng)磨損，提高其工作過(guò)程中的抗疲勞性能。

圖16 卡箍組件改進(jìn)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

（1）單聯(lián)卡箍組件中斷裂的卡箍上半部為疲勞斷裂，1#斷口疲勞源和2#斷口主疲勞源均位于卡箍上半部與下半部接觸一側(cè)的表面區(qū)域；

（2）螺栓裝配引起卡箍上半部塑性變形而產(chǎn)生表面拉應(yīng)力，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生微動(dòng)磨損，從而破壞了卡箍上半部螺栓孔周圍局部的表面完整性，降低了該部位的抗疲勞強(qiáng)度，是導(dǎo)致卡箍上半部產(chǎn)生疲勞萌生進(jìn)而發(fā)生斷裂故障的根本原因。