TC2钛合金弹性片裂纹原因分析

刘明坤，陈春盛，石 晶，佟文伟，韩振宇

(中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015)

0 引言

弹性片作为发动机与飞机后机身搭接的弹性部件[1]，固定在喷管最外侧，是发动机喷管外调节片与飞机机尾罩转接的整流片。其主要功能为：使飞机和发动机间的气流连续，保持喷管外壁面完整，降低飞行中的后体阻力；连接发动机和飞机使其平滑过渡，消除发动机或飞机机尾罩加工误差引起的安装困难。在飞/发一体化设计中，尾喷管设计极其重要。国内外统计数据表明：后机身的阻力占整架飞机的38%～50%，其中约1/3是由尾喷管与后机身的安装引起的[2]。弹性片一旦出现故障，将造成飞机机尾气流不稳定，增大发动机尾喷管所受的气动载荷，影响发动机使用寿命。

故障弹性片为薄壁结构，由厚度为0.5 mm的TC2薄板通过连续电阻点焊焊接形成[3]，通过凸台与尾喷管内部结构连接固定。电阻点焊是焊接薄板材料的一种常用方法[4]，焊接过程中，焊接熔核始终被塑性环包围，加热时间短，应力变形小，同时可省去焊丝、焊条等金属填充物或焊接材料，操作简单，应用越来越广泛。但是，电阻焊焊接过程较快，焊接容易受到焊接电流、焊接时间、电极压力等多种因素影响，焊接质量不易控制[5-6]。

尾喷管弹性片作为发动机与飞机后机身搭接的弹性部件，受到的发动机本身的振动载荷不大，其载荷来源主要为沿后机身流动的外流与发动机内流的压力差，以及压入后机身时的弹性压缩预紧力。正常情况下，弹性片受力较小，出现裂纹故障的几率较低。然而某型发动机在使用过程中多次出现裂纹故障，影响了发动机整体性能和喷管的继续使用。本研究从外观检查、断口分析、能谱分析、金相检查以及流场和应力分析等方面对故障弹性片进行分析[7-8]，确定裂纹性质和产生机理，并提出相应的改进措施。

1 试验与分析结果

1.1 宏观检查

故障弹性片宏观示意图见图1，由2层厚度为0.5 mm的TC2薄板通过连续电阻点焊焊接形成(焊接位置如图1b红色线所示)。裂纹出现在焊缝位置(图1b蓝色箭头所示)，距离弹性片前区横向边缘约90～215 mm。裂纹沿焊缝边缘扩展长度约95 mm，然后转向约90°，向弹性片侧面边缘扩展，扩展长度约23 mm，基本呈“L”型(图2)。

图1 故障密封片宏观示意图Fig.1 Macroscopic schematic diagram of failed elastic film

图2 裂纹部位宏观形貌Fig.2 Crack location morphology

对弹性片内表面观察，可见在裂纹附近存在较重的白亮色磨痕，放大观察，白亮色磨痕已有一定的磨损深度(图3红色箭头所示)。对无裂纹棱边附近内表面进行观察，未见明显的磨损痕迹(图4)。

图3 内表面裂纹附近区域磨痕形貌Fig.3 Morphology of the wear mark near the inner surface crack

1.2 断口分析

将裂纹打开，沿焊缝扩展的部分称断口A区，转向弹性片侧面边缘扩展的部分称为断口B区(图5)。断口A区表面呈灰白色，存在一定的起伏和台阶，可见多个非连续扇形区域(图6a)。放大观察可见放射棱线和疲劳弧线的形貌，表明断口性质为疲劳，呈多源起始特征(图6b)。对两层板材之间的焊缝连接区进行观察，可见明显的焊点边缘弧形轮廓(图7箭头所示)，与断口上的扇形区相对应。

图4 裂纹相对侧棱边附近内表面形貌Fig.4 Surface topography near the edge relative to the crack

断口B区的形貌见图8，主要为磨损特征，在断口的末期可见放射棱线和疲劳弧线形貌，说明断口B区性质也为疲劳，属于疲劳裂纹扩展的后期。在扫描电镜下观察，可见明显的放射棱线和疲劳弧线，疲劳起源于两层板之间的焊缝边缘。放大观察，各疲劳区均呈多源起始特征，源区未见明显的冶金缺陷。

1.3 组织检查

在裂纹附近垂直于焊缝取截面试样进行组织观察，焊缝横向剖面形貌见图9。焊接区与板材基体之间边界清晰。熔核处内外表面板材平齐，未见明显的压痕和变形。熔核宽度和深度分别为4.90、0.80 mm，符合标准要求(图9a)。放大观察熔核的两端，均存在疑似裂纹缺陷，分为横向段和纵向段(图9b、图9c)。

图5 断口侧面宏观图像Fig.5 Macro image on the side of the fracture

图6 断口A区形貌Fig.6 Morphology of area A

图7 两层板材之间的焊缝连接区形貌Fig.7 Weld joint zone morphology between two sheets of plate

图8 断口B区形貌Fig.8 Morphology of area B

图9 焊缝横向剖面形貌Fig.9 Transverse section of weld

横向平直段形貌见图10，表面平整未见断裂特征，可见点焊弧形轮廓，应为原始未熔合缺陷。纵向段形貌见图11，与故障弹性片裂纹断口相似，可见明显的疲劳弧线和放射棱线，应为疲劳裂纹。裂纹在未熔合缺陷末端萌生并扩展(图9红色箭头所示)。

图10 横向段表面形貌Fig.10 Surface morphology of transverse section

图11 纵向段表面形貌Fig.11 Surface morphology of the left and right end segments

弹性片基体组织主要由α相和少量的β相组成，为等轴组织，未见明显异常。

1.4 成分分析

对故障弹性片基体进行能谱分析，主要合金元素与钛合金TC2成分基本相符，未见异常。

1.5 流场分析

采用三维建模和FLUENT软件对飞机尾喷管进行流场分析，流场分布图见图12。受飞机水平尾翼和垂直尾翼的影响，喷管外部流场不均匀，局部位置出现低速回流区。导致喷管弹性片静压沿轴向分布不均匀(图13)，其中静压峰值出现在距离喷管进口约50、150 mm处，且在距喷管进口100～200 mm区域，弹性片壁面静压较大，导致局部载荷较大，易出现裂纹。该结果与弹性片裂纹出现位置(距离喷口90～215 mm出现裂纹)基本相符。

图12 喷管部位流场图Fig.12 Flow field map of nozzle

1.6 应力分析

在弹性片与飞机机尾罩位置施加单位均布载荷，方向向内，计算弹性片应力分布，应力云图见图14。最大应力位置在凸台上，约为192 MPa，安全系数为2.0；国外其他机型弹性片采用TA15合金，最大应力为80 MPa，安全系数为8.1；故障弹性片安全系数偏低。计算出现裂纹位置沿图14箭头所示方向的应力分布(图15)，可见故障弹性片焊缝位置的应力较其他机型偏大，距离喷口的距离约130 mm处焊缝应力达到最大值86.4 MPa，与裂纹出现位置相符。

图13 弹性片壁面静压对比分析

图14 主应力云图Fig.14 Main stress cloud map

图15 焊缝位置应力沿路径分布图Fig.15 Stress distribution map along the weld path

2 分析与讨论

由故障弹性片宏观观察及断口分析结果可知，弹性片裂纹性质为疲劳，起源于两层TC2板材之间电阻点焊焊缝的边缘，呈多源起始特征，源区未见明显的机械损伤和冶金缺陷。断口轮廓呈波浪型，与电阻焊焊点的外轮廓相符，说明弹性片开裂应与电阻点焊有关。垂直焊缝取截面试样进行组织检查，焊缝边缘两层薄板之间存在未熔合缺陷[9]，疲劳裂纹正是从未熔合缺陷的部位萌生。

以往研究表明，对于焊接类构件，疲劳裂纹多从焊缝的边缘或热影响区产生，因为此处材料组织发生变化，晶粒粗大，导致抗疲劳性能下降[10]。焊缝边缘的未熔合缺陷降低了焊缝部位本身的强度，同时产生较大的应力集中[11]，增加焊缝部位的应力水平，促进裂纹的萌生。从断口和金相分析可知，未熔合缺陷存在的位置较为普遍，这应与焊接时的电流、电压和压力有关[12-13]。而其他存在未熔合缺陷的位置并未全部产生裂纹，说明焊接缺陷是裂纹产生的促进因素，非根本原因。焊缝未熔合缺陷处萌生疲劳裂纹，并向板材厚度方向扩展，表明电阻点焊焊点强度较好，薄板本身强度储备不足。

宏观观察发现，弹性片前区外表面与飞机机尾罩接触部位及弹性片内表面侧面棱边裂纹附近存在明显的磨痕，说明弹性片在使用中发生明显的振动。弹性片疲劳裂纹在未熔合缺陷末端产生，未穿过焊点而是沿板厚度方向(发动机径向)向外扩展，说明弹性片焊缝部位受到沿径向的弯曲应力作用。尾喷管弹性片侧面通过相互搭接形成一个整环，当相邻弹性片发生相对振动时，会在内表面产生线性磨痕，并对临近焊缝部位产生弯曲应力的作用。通过流场分析表明，由于飞机尾翼的影响，在喷管上方存在负压区，气流产生回旋扰动形成涡流，涡流会引起弹性片壁面压力波动，造成气动载荷较大，形成周期性振动[14]导致弹性片焊缝薄弱位置产生裂纹。应力分析表明，弹性片选用的厚度为0.5 mm的TC2合金双层板结构，安全系数较低，强度储备偏弱。结构上弹性片轴向方向开槽，柔性较大，虽然利于装配，但抗轴向弯曲能力不足，容易在气流波动下产生受迫振动。因此尾喷管上方气流波动，气动载荷较大，该处弹性片强度储备不足是导致裂纹产生的主要原因，弹性片制造质量不稳定，存在的焊接缺陷进一步促进了裂纹的产生。

电阻点焊是薄板件连接中常用的一种焊接方式，但电阻点焊由于逐点焊接，点焊焊点之间的重叠量完全由操作人员人为控制，焊接控制不当时容易产生焊接缺陷；电阻点焊的波浪式轮廓特征，增加了单个焊点位置的应力集中。而滚焊作为一种常用的焊接工艺，自动化程度和焊接效率高，焊缝平整，可以减少焊接缺陷的产生，降低应力集中程度[15]。因此可采用滚焊方法代替电阻点焊方法。适当增加弹性片厚度，增强其厚度方向抗裂纹扩展能力。

3 结论

1)故障弹性片的裂纹性质为疲劳，起源于两层TC2薄板之间的电阻点焊焊点边缘，呈多源起始特征；

2)喷管正上方流场异常，造成气动载荷较大，同时弹性片强度储备不足是裂纹出现的主要原因，焊接工艺不当，焊缝边缘存在未熔合缺陷，进一步促进了裂纹的萌生；

3)建议将连续电阻点焊工艺更改为滚焊工艺，弹性片材料选择TC4合金且厚度增加为0.8 mm，降低应力集中程度同时增加弹性片强度储备。