发动机38CrMoAlA 离合器齿轮缺陷分析

2014-11-28任志强张宗林

失效分析与预防 2014年1期

任志强，陈忠，张宗林

(驻黎阳机械公司军事代表室，贵州安顺 561102)

0 引言

航空发动机齿轮是关键零部件，其加工精度是航空发动机可靠性、高性能的重要保证，直接影响着航空发动机的整体质量［1-2］。发动机和飞机的起动系统、燃油系统、滑油系统、液压系统等主要附件都是由发动机转子通过齿轮传动装置带动的。在整个飞行过程中，齿轮传动都必须可靠地工作，以保证发动机和飞机所有附件的转速、转向和所需功率符合设计要求［3］。

发动机离合器齿轮是发动机上重要的传动部件，在工作过程中主要承受离心力和弯曲应力的作用，且始终处于磨损挤压状态。该离合器齿轮材料为38CrMoAlA，在国内外的航空发动机上得到了广泛的应用。由于齿轮表面硬度要求高，渗氮是提高该材料表面性能的有效办法［4］。该材料具有较好的渗氮性能和力学性能，经渗氮处理后的零件，表面具有较高的硬度和较好的耐磨性，因此特别适合用于发动机上各类轴类零件及齿轮零件加工［5-6］。

2012年10月，发动机材质为38CrMoAlA 的离合器齿轮在工厂试车后，磁粉检测发现靠近齿轮端面的杆部有3 条磁痕显示，该齿轮的制造工艺为:毛料→车外圆及端面槽→磨外圆→插花键→渗氮→高温回火→磨外圆及端面→磨内孔→拉内孔花键→磁力探伤→发蓝→终检→油封入库。本研究主要对齿轮端面上线型磁痕缺陷的性质及产生原因进行分析，并提出相应的改进措施，对以后齿轮故障问题的处理和解决具有借鉴和指导作用。

1 试验过程与结果

1.1 外观检查

故障离合器齿轮的外观形貌见图1。齿轮在装配时，通过内表面花键与启动电机相配合，在发动机启动时带动整个齿轮组件的转动，当发动机启动后又通过该齿轮为启动电机充电。

图1 零件外观及磁痕缺陷分布位置Fig.1 Defective parts appearance and the magnetic mark position

经磁粉检测后，在荧光灯下观察，磁痕显示位置位于靠近齿轮端面的杆部(图1 箭头所示)。3条磁痕显示明显，形貌均呈细线状，其长度方向与杆部的磨削方向垂直;除了在杆部外表面有显示外，这3 条磁痕在杆部端面的深度方向也有线状显示。磁痕的长度分别为:磁痕A 约为1.3 mm，磁痕B 约为1.1 mm，磁痕C 约为0.8 mm;磁痕A形貌如图2 所示。

在体视显微镜下观察，磁痕A 显示位置可见开口明显的线性缺陷，磁痕B 和C 位置开口特征不明显。在该齿轮杆部可见明显的磨损痕迹，局部位置已经露出金属色，在齿轮内部的花键齿端面也可以观察到明显的掉块现象，齿面也有损伤痕迹(图3)。

1.2 电镜观察

擦掉磁痕后，在扫描电镜下观察，原磁痕A位置存在一条开口明显的裂纹显示(裂纹A')，裂纹头部开口较大，尾端尖细，其整体形貌见图4。原磁痕B 位置被标记痕迹所掩盖，只有在头部还保留有开口特征;原磁痕C 位置开口特征不明显。

图2 磁痕A 形貌及杆部磨损痕迹Fig.2 Magnetic marks a morphology and rod wear

图3 齿轮内花键端面的损伤痕迹Fig.3 End of the internal spline gear damage

图4 裂纹A'整体形貌Fig.4 Appearance of crack A'

1.3 断口观察

沿裂纹A'打开断口，并结合人为断口部分进行对比观察。原始断口处于渗层部位，源区为线源;人为断口由渗层表面起裂，其源区也具有线源特征;断口整体形貌及原始、人为断口的分布位置如图5 所示。

图5 断口整体形貌及分布情况Fig.5 Fracture morphology and distribution

对原始断口进行放大观察，源区附近形貌以准解理+沿晶特征为主，扩展区形貌为准解理特征，并伴有沿晶形貌(图6)。人为断口的源区及渗层扩展区形貌均为准解理特征，局部区域可见少量的沿晶特征，其典型形貌见图7;人为断口的非渗层扩展区为最后断裂位置，该区的微观形貌为韧窝。另外，在整个断口上未发现材质类缺陷。

图6 原始断口微观组织形貌Fig.6 Micro appearane of original fracture

图7 原始断口微观组织形貌Fig.7 Microstructure morphology of artificial fracture

1.4 金相检查

在磁痕B 和磁痕C 位置取样后沿深度方向进行金相检查。腐蚀前观察，未见夹杂物超标现象。腐蚀后观察，2 条磁痕位置存在裂纹(分别为裂纹B'和裂纹C')，2 条裂纹的扩展深度均在渗层范围内，其中裂纹B'深度约为0.37 mm，裂纹C'深度约为0.31 mm(图8)。2 条缺陷开始呈穿晶扩展特征，当扩展到一定深度后，其尾端呈现出沿晶扩展的特征。零件的中心组织为回火索氏体(图9)。

1.5 化学成分分析

在齿轮辐板位置去除渗层后取样进行化学成分分析，结果见表1。从表1 可以看出，该齿轮的化学成分符合GJB 1951—1994《航空用优质结构钢棒规范》中对38CrMoAlA 钢的技术要求。

1.6 故障再现

此次故障出现后，对库存同批次同型号齿轮进行磁粉检测，未发现有磁痕缺陷显示。装机试车后，再进行磁力探伤检查，发现有同类型的缺陷显示，缺陷的位置及形貌均同此次故障相同(图10)。

图8 裂纹B'和C'深度方向整体形貌Fig.8 Appearance of crack B' and C' along the depth direction

表1 化学成分分析结果(质量分数/%)Table 1 Result of chemical composition analysis (mass fraction/%)

图9 中心位置回火索氏体组织Fig.9 Microstructure of tempering sorbite

图10 故障模拟齿轮裂纹形貌Fig.10 Crack morphology of fault simulation gear

2 分析与讨论

2.1 缺陷的性质及产生原因

电镜观察的结果表明，断口上未见材质类缺陷，金相检查也未发现夹杂物超标现象;化学成分分析表明，该零件的成分符38CrMoAlA 的技术要求。以上说明零件的材质正常。从3 处缺陷的宏、微观形貌可以确定，该零件磁痕显示的缺陷性质为裂纹。故障再现表明:齿轮在试车前未发现异常，在试车后有磁痕缺陷显示，这说明裂纹是在工作过程中产生的。裂纹原始断口未见疲劳断裂特征，其形貌与人为断口的渗层区形貌相近，由此可以确定裂纹的产生是一次性的。

齿轮在工作过程中受力最大的部位是齿根，而在裂纹萌生的位置受力较小，通过计算可知该处的受力远低于38CrMoAlA 的抗拉强度，工作应力不是造成该齿轮开裂的主要原因，工作应力只是起到了诱发的作用。裂纹萌生的主要应力来自于齿轮的加工制造过程。该齿轮的制造工艺包括一次抛光、一次磨外圆和端面及2 次磨内孔，抛磨过程均会给齿轮内部带来较大的残余应力，如果后续没有相应的去应力处理工艺，这些残余应力会带到工厂试车过程中。通过复查该齿轮的制造工艺，发现所有这些磨抛工艺之后均没有进行过低温退火去应力处理。综合以上分析，导致齿轮开裂的主要原因与加工过程中存在较大的残余应力有关。