燃气机涡轮连接螺栓断裂原因分析

刘 磊，孙智君，苗 淼，李 鹏

(1.中航工业西安航空发动机(集团)有限公司，西安 710021;2.海军装备部，西安 710021）

0 引言

发动机是航空器的心脏，其性能的好坏是保障航空器利用率和飞行安全的重要因素。在因机械故障造成的飞行事故中，发动机故障比例最高，尤其是发动机热端部件在高温下工作，服役环境极其恶劣，为了保护这些热端部件不受高温氧化和热腐蚀等危害，普遍采用涂敷涂层的方法来提高热端部件材料的高温防护性能［1-4］。

在航空器结构中，存在大量、各种形式的螺栓连接，其失效的基本类型主要有过载断裂失效、疲劳失效和氢脆断裂失效等［5-6］。某燃机涡轮系统用连接螺栓，试车分解检查时发现多件螺栓断裂。本研究通过断口宏微观观察，金相组织分析，能谱分析，故障模拟验证试验等方法，对失效螺栓进行分析，以确定其失效原因。

1 试验过程与结果

某燃气轮机低压涡轮支撑环工作100 h以上，荧光检查螺栓正常。复装试车后，33件螺栓中，8件断裂，11件裂纹。其中13件由螺栓根部断裂或开裂，6件由螺杆和螺纹转接颈部断裂或开裂。所有螺栓属于同一批次。

1.1 宏观观察

失效螺栓断裂分别位于螺栓根部或螺杆与螺纹转接颈部(图1)。螺栓及断口表面均呈灰黑色，局部略带灰白。无论根部或颈部断裂，其断口形貌相似，明显分为2个区域:A区断口相对平齐，呈颗粒状特征，起始于螺栓根部或颈部转接R，向另一侧扩展，有清晰放射棱线，部分边缘存在灰白月牙形区域，向心部变为灰黑色，约占断口面积的1/2;B区断口光亮，有金属光泽，断口粗糙，未见明显塑性变形，应属于最后瞬时断裂区(图2)。

1.2 微观观察

采用FEI－Quanta400型扫描电镜对失效螺栓断口进行微观观察，其宏观形貌如图3。断口由转接R多处起始，起始区未见材料冶金缺陷，未见机械损伤痕迹。断口显微形貌主要为沿晶断裂特征，晶面有腐蚀产物覆盖，并有二次裂纹，瞬断区局部可见少量韧窝特征(图4、图5)。

1.3 能谱结果

对螺栓断口表面和类似晶间腐蚀的晶界加粗区域进行能谱分析，结果见表1。

结果表明，断口存在较高含量的Mo、Pb、O、S元素，螺栓表面含量更高，随着断口由A区向B区发展，Mo、S、O、Pb元素含量呈现递减趋势。

鉴于断口和金相发现Mo、Pb、S元素含量较高，经排查分析，认为是由螺栓装配时涂抹的高温丝扣脂引起，取样在热处理炉内烘干后进行了能谱分析，结果见表2。

结果表明，高温丝扣脂含有大量S、Pb、Mo元口素，螺栓表面及断面的S、Pb、Mo元素主要来源于高温丝扣脂，这层高温丝扣脂是为防止螺栓在高温长期作业发生氧化而涂敷的。

表1 断口能谱分析结果(质量分数 /%)Table 1 Energy spectrum analysis result of fracture surface(mass fraction/%)

表2 高温丝扣脂能谱分析结果(质量分数 /%)Table 2 Energy spectrum analysis result of grease(mass fraction/%)

1.4 金相观察

纵向解剖断裂螺栓和无裂纹螺栓制备金相试样，磨抛并经Nimonic腐蚀剂腐蚀后，采用Olympus－GX71型光学显微镜对试样进行显微组织观察。裂纹螺栓的表面有一层深约0.025～0.1 mm的附着物，次层类似晶间腐蚀，晶界加粗区域，深约25 μm，局部形成深约 150 μm 的沿晶裂纹;而无裂纹螺栓表面无明显附着物，局部有深约15 μm类似晶间腐蚀特征区(图6～图8)。

图6 断裂螺栓沿晶裂纹Fig.6 Intercrystalline cracks

2 故障模拟验证试验

为进一步验证故障模式，进行了故障复现试验:将60件同件号螺栓分别涂抹6种润滑脂，采用与零件装配方式和实际工况相似的条件进行试验，并对3个试验阶段的螺栓进行金相分析。

2.1 第一阶段试验

第一阶段试验，将涂抹润滑脂的螺栓装配进行160 h试验。试验结束后，荧光检查未发现螺栓断裂或裂纹。解剖后金相检查，涂抹高温丝扣脂(与故障螺栓使用相同)的螺栓和涂抹纯Pb的螺栓，其表面均有一定深度的沿晶腐蚀损伤(图9a、图9b)，涂抹其他润滑脂(不含元素Pb)的螺栓未见明显的沿晶腐蚀损伤现象。

2.2 第二阶段试验

对第一阶段后荧光显示无裂纹螺栓重新涂抹润滑脂，二次装配继续进行15 h试验(总计175 h)。试验结束后拆卸检查，其中11件涂抹高温丝扣脂的螺栓有5件断裂，1件荧光检查发现裂纹。对5件断裂螺栓进行分析观察，试验螺栓与故障螺栓断裂位置和断口形貌相同，断口由转接R处起始，起始区未见材料冶金缺陷和机械损伤痕迹。断口显微形貌主要为沿晶断裂特征，晶面有腐蚀产物覆盖，并有二次裂纹(图9c～图9e)。试验断裂螺栓与故障失效螺栓断裂模式相同。

解剖荧光显示裂纹螺栓，螺栓裂纹起始于螺钉根部转接R处，裂纹起始附近基体组织没有明显的塑性变形，裂纹起始较粗，逐渐变细，并沿晶界向心部扩展，为沿晶裂纹。能谱分析，断口表面存在较高含量的Pb元素，尤其螺栓表面含量更高，与故障失效螺栓情况相同。

解剖荧光显示无裂纹的螺栓，金相分析证明，涂抹7451高温丝扣脂的螺栓和涂抹纯Pb的螺栓，其表面均有一定深度的沿晶腐蚀损伤，涂抹其他润滑脂(不含Pb元素)的螺栓未见明显的沿晶腐蚀损伤现象。

2.3 第三阶段试验

对第二阶段后荧光显示无裂纹螺栓重新涂抹润滑脂，再次装配继续进行10 h试验(总计185 h)。试验结束后拆卸检查，3件涂抹高温丝扣脂的螺栓中有2件发生断裂，4件涂抹纯Pb的螺栓中有2件发生断裂，断裂模式与第二阶段螺栓断裂模式相同。解剖荧光显示无裂纹的螺栓，金相分析证明，涂抹高温丝扣脂的螺栓和涂抹纯Pb的螺栓，其表面均有一定深度的沿晶腐蚀损伤，涂抹其他润滑脂(不含Pb元素)的螺栓未见明显的沿晶腐蚀损伤现象。

3 分析与讨论

从断口分析结果看出，螺栓属于沿晶脆性断裂，断口存在S、Pb、Mo元素，金相分析也发现存在类似晶间腐蚀区，晶界也有大量S、Pb、Mo元素存在，因此具有环境介质腐蚀损伤致脆性断裂的特征［7］。

金属材料在腐蚀介质，环境温度或与一些低熔点液体金属、固态金属接触时，常常发生脆性沿晶断裂。环境介质腐蚀损伤致脆性断裂的发生需要3个条件:1)腐蚀介质;2)环境温度;3)拉应力作用。在本试验研究的螺栓失效中，低熔点元素Pb和S作为腐蚀介质，在工作环境温度和拉应力的共同作用下，沿晶界浸入螺栓基体，环境温度加速晶界腐蚀损伤，拉应力促进裂纹的萌生和腐蚀的扩展［8］。

结合螺栓使用状态和历史情况，涂抹有高温丝扣脂的螺栓在环境温度工作，承受应力为预紧拉应力和热应力，表现为沿螺栓轴向的拉伸应力，具备低熔点金属Pb和S腐蚀损伤致脆性断裂的条件。从金相检查结果看，未开裂螺栓表面也有深约15 μm类似晶间腐蚀特征区，这就是低熔点金属Pb和S长时间腐蚀引起的损伤。这种损伤也有其发生发展的历程，当其表面形成损伤层，由于螺栓分解和二次装配，使得表面损伤层的某些薄弱晶界开裂，新涂抹的高温丝扣脂直接作用于微裂纹的前沿，使得螺栓在随后的试车过程中大量开裂。螺栓属于拉伸应力作用下低熔点元素Pb、S腐蚀损伤引起的脆性断裂。

故障模拟验证试验也表明，涂抹含Pb高温丝扣脂及纯Pb的螺栓，均有低熔点元素Pb沿晶浸入引起晶界腐蚀损伤的现象，断裂模式与故障螺栓断裂模式相同;同时，对涂抹高温丝扣脂及纯Pb的螺栓进行拆卸复装，加速了螺栓的沿晶腐蚀损伤;涂抹其它润滑脂(不含Pb元素)的螺栓都未发现明显的沿晶腐蚀损伤现象。

4 结论

通过采用断口宏微观观察，金相组织分析，能谱分析，故障模拟验证试验等手段，对螺栓的断裂原因进行了综合分析，得出以下结论:

1)断裂螺栓失效模式属沿晶脆性断裂;

2)在一定的拉应力、温度作用下，低熔点元素Pb引起晶界腐蚀损伤是螺栓脆性断裂主要原因;

3)低熔点元素Pb主要来源于装配时使用的高温丝扣脂;

4)对螺栓进行拆卸复装，加速了螺栓的沿晶腐蚀损伤。

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