GH2696弹簧失效原因分析

袁鹏

（中航工业南方航空工业集团有限公司，湖南株洲 412000）

GH2696弹簧失效原因分析

袁鹏

（中航工业南方航空工业集团有限公司，湖南株洲 412000）

通过对某型燃气轮机上使用的高温合金GH2696弹簧的失效分析，了解到原材料的组织对弹簧性能的影响。

GH2696 弹簧 失效 金相 屈服强度

1 前言

某型燃气轮机上使用的放气活门弹簧在使用甚至装配过程中发现零件压缩后无法恢复原始高度，弹力严重衰减。这种现象严重影响了该型燃气轮机的交付。

放气活门弹簧材料为GH2696。GH2696是一种以Fe-25Ni-12Cr为基体的高温合金，在650℃以下具有高的屈服强度和持久、蠕变强度，以及良好的高温弹性性能、抗燃气腐蚀性能和加工塑性。适合于制造在650℃以下长期工作的涡轮和压气机紧固件、盘件和工作叶片、涡轮壳体、环形零件，以及在400～650℃工作的圆柱形螺旋弹簧等。高温合金弹簧在航空发动机及燃气轮机等发动机上使用较多，对该类零件的失效原因分析有重要的现实意义。

2 失效零件的检测及对比结果

2.1 问题描述

放气活门弹簧使用材料为直径为φ2mm的GH2696圆钢丝，供应状态为冷拉、固溶。 材料标准为HB5467-90。工艺路线为：绕簧——时效（730℃±10℃，3-3.5h）—钳工校正—回火。零件设计参数见表1。

存在问题：当弹簧压缩至H1时，弹力检测符合设计要求，自由高度不发生变化，弹簧压缩至Hlim时，弹力符合设计要求。当负荷卸除后，弹簧自由高度缩短1-3mm。重复检测弹力，弹力1衰减3-7N，极限弹力衰减5-10N。对弹簧进行5-10次立定试验后，自由长度稳定在44-46mm，不随立定试验次数的增加而发生变化。

表1 放气活门弹簧参数表

2.2 不同批次零件分析

放气活门弹簧的弹力衰减现象是弹簧在弹性范围内的一种微塑性变形，是弹簧失效的最常见的表现形式。所以一切影响材料塑性变形的因素，如热处理制度，显微组织结构，晶粒度，析出相的形态和分布等都将影响弹减性。

零件弹力衰减现象出现在部分批次，考虑工艺方法没有发生过变化，热处理原始记录检查也没有发现问题。因此主要从材料方面寻找原因。选取了四个批次零件进行对比分析。这四个批次零件使用的原材料批次均不同。购买一批新件外，其余批次零件均没有库存件，所检查的零件为发动机上分解下来的。对比结果可看出，进口弹簧使用750小时后弹力及自由高度均未发生变化。国产件中零件弹力及自由高度发生了微小变化，另一部分国产批零件弹力严重衰减，自由高度下降了.不同批次的零件性能差异很大，但是国产件中也有零件与进口件性能较接近。

2.3 金相分析及硬度检查

通过对各批次原材料性能及成分复查及分析均未发现异常。决定对零件进行金相分析。

将进口件、13-1批新件、12-1批、11-1批、10-1批零件及13-1批原材料剖切进行金相检查：抛光态状态下观察，碳化物分布弥散，均相当于GB/T14999.5中A类的1级图片；腐蚀后观察（相同腐蚀溶液及腐蚀时间），零件显微组织及晶粒度结果见表2。

对进口件、13-1批（新件）、12-1、11-1、10-1批使用件及13-1批原材料进行硬度分析，结果见表3。

从表2和表3可看出：（1） 进口件、11-1批、10-1批发动机使用的放气门弹簧显微组织及晶粒较为均匀，显微组织比较接近。但进口件晶粒度等级较国产件高。（2）13-1批（新件）及13-1批原材料存在混晶现象。（3）12-1批放气活门弹簧虽然晶粒均匀细小，晶粒度等级较高，但为等轴晶，且其晶内无滑移变形特征，硬度相对其他弹簧较为偏低。

表2 显微组织

表3 硬度结果

3 失效原因分析及讨论

由于13-1批弹簧与13-1批原材料显微组织相同，因此分析认为弹簧加工过程中的绕簧及时效不是造成显微组织差异的原因，显微组织差异的原因是由于批次间原材料本身存在差异。

弹簧弹力的大小一般使用弹性极限来衡量。但由于在拉伸试验中很难精确地测出其弹性极限，因此在工程上通常以屈服极限来衡量弹性极限。钢丝或钢带在退火或固溶条件下，弹性极限和屈服极限很接近。理化分析结果表明原材料与进口样件相比，成分及机械性能均符合HB5467技术条件要求。但在晶粒等级、晶粒均匀性及显微组织存在差异，导致屈服强度存在差异，这是国产件在使用或装配过程中，自由高度及弹力均有所衰减的主要原因。

4 结语

本文通过对GH2696高温合金弹簧失效原因分析，可以得出以下结论：（1）原材料的晶粒度等级影响材料的屈服强度。混晶及等轴晶等显微组织对材料屈服强度影响很大。（2）HB5467对原材料要求过低，没有对晶粒度等级提出要求，不适应生产要求。（3）国内的高温合金钢丝制备工艺与国外存在较大差距。