旋翼轴磁痕显示原因分析

涂文斌，薄锡金，刘德林，宋 凯，陶春虎

(1.无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学)，南昌 330063;2.哈尔滨东安发动机(集团)有限公司，哈尔滨 150066;3.北京航空材料研究院，北京 100095;4.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095;5.中航工业失效分析中心，北京 100095)

0 引言

直升机的旋翼为直升机飞行提供升力和操纵力，旋翼轴是连接旋翼和主减的关键疲劳部件，起驱动旋翼旋转的作用。把旋翼轴看作一个简支梁，轴上端(直升机旋翼桨毂中心)作用有拉力、扭矩、剪力和弯矩［1］。如旋翼轴存在应力集中部位，受力作用易形成疲劳裂纹，疲劳裂纹会很快扩展，将导致旋翼轴发生疲劳破坏，危及飞机和人员的安全［2］。因此，为确保直升机的安全，有必要对直升机的旋翼轴进行失效分析并采取预防措施。

旋翼轴材料采用超高强度钢35Ni4Cr2MoA，其加工工序为:冶炼→锻造→正火→回火→淬火→回火。合理、正确的加工工序是保证旋翼轴具有良好力学性能的关键，每一道加工工序都非常重要。潘天浩等［3］通过试验分析了30CrMo 据片用钢齿根部裂纹失效，阐明基体中带状组织为原材料带状偏析引起，其易产生疲劳裂纹源，严重降低锯片的疲劳寿命。

带状组织是热轧钢中常见的一种现象［4］，它对钢的使用性能影响很大。由于带状组织相邻带的显微组织不同，性能也不尽相同，在外力作用下性能低的带容易暴露出来，而且强弱带之间会产生应力集中，因而造成总体力学性能降低，并具有明显的各向异性［5］。因此，研究旋翼轴组织偏析产生的原因，对改善旋翼轴的力学性能，避免事故的发生，具有重要的意义。

本研究对旋翼轴的磁痕显示特征采用了磁粉检测、低倍组织检查、金相组织观察及电子探针微区成分分析等方法，确定了磁痕显示的性质，并对其产生的原因进行了分析。

1 试验过程与结果

1.1 磁粉检测

旋翼轴中间部分未变形，两端经拉拔成形，试样外观见图1。对试样进行磁粉检测，施加磁化电流为470 A，结果表明，零件外表面沿轴向存在若干条磁痕显示(图2)。磁痕分布于整个外表面，图1 中红线圈示部位即端部拉拔成形的部位为磁痕集中分布部位。从圈示部位切取50 mm ×20 mm 的方形试样，编为1#试样。

图1 送检试样外观Fig.1 Appearance of submissed sample

图2 送检试样外表面磁痕显示Fig.2 Magnetic mark indications of outer surface of sample

1.2 低倍组织检查

如图1 中划线所示，沿轴向切取长约80 mm 的纵截面试样，编为2#试样。将1#、2#试样进行磨制抛光，1#试样磨制面为轴外表面，2#试样磨制面为轴向截面。用金相显微镜进行观察，均未发现明显夹杂物。1#金相试样抛光后的形貌见图3。将试样用60～80 ℃的1∶1 的盐酸水溶液侵蚀15 min，1#试样的形貌见图4，可见存在明显的带状偏析，箭头所指为相对较严重的偏析，与磁痕显示的尺寸接近，最长约10 mm。2#试样的形貌见图5，从轴外表面至内表面均可见明显的带状偏析，箭头所指为相对较严重的偏析，最长约10 mm。

图3 1#金相试样抛光后的形貌Fig.3 Morphology of 1# Metallographic sample after polishing

图4 1#试样低倍腐蚀后的形貌Fig.4 Low times corrosion morphology of sample 1#

图5 2#试样低倍腐蚀后的形貌Fig.5 Low times corrosion morphology of sample 2#

1.3 高倍金相组织检查

将抛光后的试样用质量分数为4%的硝酸酒精侵蚀后在金相显微镜下观察显微组织，如图6、图7 所示。

由图6 可见，1#试样磁痕显示区域为沿轴向分布的亮条(图6a)，亮条区的组织与暗区(正常区)差异较大，亮条区为粗大的针状马氏体+残余奥氏体组织(图6b);暗区(正常区)为保持马氏体位向的回火索氏体组织(图6c)。观察到试样其它部位也存在若干沿轴向分布的亮条，且亮条区为粗大的针状马氏体+残余奥氏体组织，暗区(正常区)为保持马氏体位向的回火索氏体组织。

由图7 可见，2#试样从轴外表面至内表面均存在若干沿轴向分布的亮条(图7a)，亮条区为粗大的针状马氏体+残余奥氏体组织(图7b)，暗区(正常区)为保持马氏体位向的回火索氏体组织(图7c)。

1.4 电子探针微区成分分析

采用电子探针对有磁痕显示的亮条区和正常区进行微区成分分析，结果见表2。可见，亮条区的合金元素Cr、Mo、Mn、Ni 含量均高于正常区，尤其是Cr 元素含量高出较多。

图6 1#试样的金相组织Fig.6 Microstructure of sample 1#

图7 2#试样的金相组织Fig.7 Microstructure of sample 2#

表2 微区成分分析结果(质量分数/%)Table 2 Micro-component analysis result (mass fraction/%)

2 分析与讨论

磁粉检测结果表明，旋翼轴表面存在若干沿轴向分布的磁痕显示。由低倍检查结果可知，磁痕显示为轴向的带状组织。偏析区的金相组织与正常区存在明显差异，偏析区呈亮条状，光亮的区域为残余奥氏体组织;正常区为保持马氏体位向的回火索氏体组织。电子探针微区成分分析结果表明，偏析区的合金元素Cr、Mo、Mn、Ni 含量均高于正常区，尤其是Cr 元素含量较高，这些合金元素偏析会导致Ms 点降低［6］，使得试样淬火后奥氏体未完全转化为马氏体，回火后仍为奥氏体组织，磁化后施加磁粉，易形成磁痕。

由磁粉检测原理可知，当工件被磁化时，若工件表面及近表面存在两种磁导率相差较大的介质时，就会在磁导率差异大的部位形成漏磁场，漏磁场将吸附、聚集检测过程中施加的磁粉，形成磁痕［7］。偏析区存在马氏体和奥氏体组织，激励磁场施加后，在偏析区的马氏体区域中，通过该区域横截面上的磁通量几乎不变化，因偏析区的奥氏体的磁导率远小于马氏体的磁导率，一部分磁场将会绕过奥氏体从其附近的马氏体区域通过，致使马氏体区域中的磁场强度升高，磁导率下降，从而通过奥氏体区域外泄的漏磁通量相对增大，施加磁粉后，奥氏体区域就会显示磁痕。

综上所述，旋翼轴的磁痕显示为沿轴向分布的奥氏体，其产生原因为成分偏析所致。由冶炼工艺导致合金元素分布不均匀，宏观表现为成分偏析，致使马氏体转变点Ms 降低，使得淬火后奥氏体未完全转化为马氏体，因奥氏体磁导率远低于马氏体磁导率，磁化后，产生漏磁场，施加磁粉，形成磁痕。

3 结论

1)磁痕显示部位对应的亮条区内部，合金元素Cr、Mo、Mn、Ni 含量高于正常区，为成分偏析。

2)旋翼轴的磁痕显示为沿轴向分布的奥氏体，其产生原因为成分偏析导致的马氏体转变点Ms 降低所致。

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