某型航空发动机散热器支架断裂失效分析
2011-09-28佟文伟张开阔韩振宇
佟文伟,王 理,张开阔,韩振宇
(中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳 110015)
0 引言
由于具有高比强度、较宽的工作温度范围、优异的腐蚀抗力和较好的与复合材料的相容性等特点,钛合金在航空发动机上已逐步取代了铝合金、镁合金及一些钢构件。目前,先进航空发动机的风扇和压气机盘、叶片、机匣、隔板,许多小零件如支架、摇臂、转接段等都是用钛合金材料制造。
某型航空发动机散热器支架所用材料为TC4钛合金,采用锻造+线切割方法加工,并要求对棱边进行倒圆处理。在工作过程中,该发动机的散热器支架过早发生断裂故障。本研究对散热器支架故障件进行外观检查,断口分析,表面微观检查,截面金相检查和材质分析,确定了该支架的断裂属性,分析了发生故障的原因,并提出了改进建议。
1 外观检查
故障散热器支架断裂部位的宏观图像如图1所示。支架表面较粗糙,平面部位呈黄、紫色相间,柱面部位呈蓝紫色,为明显的电加工痕迹;支架的边缘棱角非常尖锐,没有进行倒圆处理;断裂发生于平面与柱面部位的转接区域。
2 断口分析
故障散热器支架断口宏观形貌如图2所示。其断口呈灰白色,较平缓,局部有明显的摩擦挤压痕迹,呈现清晰的疲劳弧线特征,表明散热器支架断口为疲劳断口。由疲劳弧线的方向可以判定,断裂起源于支架R1、R2转接相交的棱角处(如图2中箭头所指)[1],断口疲劳扩展充分,瞬断区面积仅占整个断口的1.5%左右。
断口疲劳源区附近非常平坦,呈清晰、细密的疲劳弧线特征,断裂起源处挤压磨损较重,未见有明显的冶金缺陷,如图3所示。
断口疲劳扩展区可见大量清晰、细密的疲劳条带,如图4所示。这进一步表明,故障散热器支架断口为高周疲劳断口,疲劳断裂起源于散热器支架R1、R2转接相交的棱角处。源区至扩展区中部很少见到2次裂纹形貌,而扩展区后部可见到大量垂直于裂纹扩展方向的2次裂纹形貌,且沿裂纹扩展方向2次裂纹越来越明显,如图5所示。断口疲劳源区未发现明显的冶金缺陷,且支架基体材料成分符合技术标准要求,组织也未见异常。上述迹象均表明,该散热器支架过早发生疲劳断裂应与冶金缺陷及材质无关。
3 表面微观检查
利用扫描电子显微镜观察,可见故障散热器支架表面呈现熔融形貌,这是典型的电加工重熔层形貌特征,如图6所示。将其进一步放大观察发现,支架表面的电加工重熔层中存在较多微裂纹,如图7所示。
4 截面金相检查
故障散热器支架横截面试样金相边缘呈清晰的重熔层,其厚度约为20~30 μm,如图8所示。检查结果表明,重熔层中存在较多的微裂纹,有些微裂纹已深入散热器支架的基体。由于钛合金具有较高的缺口敏感性,并且疲劳裂纹通常萌生于零件的表面,因此,钛合金对缺口的敏感性在大多数情况下表现为对表面缺陷的敏感性[2]。故障散热器支架表面重熔层中存在的微裂纹严重破坏了钛合金支架的表面完整性,大大降低了其基体的抗疲劳能力,导致发生疲劳断裂故障。
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5 材质分析
5.1 成分分析
故障散热器支架基体能谱分析结果见表1,其主要合金元素的质量分数与技术标准规定的TC4钛合金成分的[3]大致相符。
5.2 组织检查
故障散热器支架组织形貌为典型的(α+β)双态组织,未见明显异常,如图9所示。
6 总结
故障散热器支架断口为高周疲劳断口,疲劳起始于R1、R2转接相交的棱角处。支架棱边尖锐,没有进行倒圆处理;其平面与圆柱部位经R1、R2转角直接相交,易形成较大的应力集中[4],也会促使散热器支架过早萌生疲劳裂纹;在发动机工作过程中,散热器支架将不可避免地受到振动载荷的作用,尽管动应力测量结果证明该支架承受的振动载荷不大,但也会促使疲劳裂纹的萌生。
综上所述,在故障散热器支架表面线切割重熔层中存在微裂纹致使支架基体抗疲劳性能下降、支架棱角没有按要求倒圆、设计结构存在不足造成应力集中、受到振动载荷等因素的共同作用下,散热器支架过早萌生疲劳裂纹,最终导致了断裂故障的发生。
7 改进建议
(1)由于钛合金对表面缺陷非常敏感,在采用线切割方法加工后,应增加抛光工序,去除散热器支架表面的线切割重熔层,从而改善其表面完整性,提高基体的抗疲劳性能;
(2)加强对散热器支架棱边倒圆处理的质量控制,改进支架R1、R2圆角相接结构,以避免产生较大的应力集中。
[1]张栋,钟培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:国防工业出版社,2004:131-134.
[2]陶春虎,刘庆瑔,曹春晓,等.航空用钛合金的失效及其预防[M].北京:国防工业出版社,2002:231-234.
[3]工程材料实用手册编辑委员会编.工程材料实用手册[M].北京:中国标准出版社,2001:104-105.
[4]张栋.机械失效的实用分析[M].北京:国防工业出版社,1997:143-144.