1Cr11Ni2W2MoV钢高压涡轮轴裂纹形成原因_李欣

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ＤＯＩ：１０．１１９７３／ｌｈｊｙ－ｗｌ２０２３０２０１５１Ｃｒ１１Ｎｉ２Ｗ２ＭｏＶ钢高压涡轮轴裂纹形成原因李欣，詹平，全琼蕊（中国航发航空科技股份有限公司，成都６１０５００）摘要：某１Ｃｒ１１Ｎｉ２Ｗ２ＭｏＶ钢高压涡轮轴在进行疲劳试验后，其涡轮轴端面和轴体转接处存在沿圆周方向的长度为２００ｍｍ左右的穿透性裂纹。采用宏观观察、金相检验、断口分析等方法分析裂纹形成的原因。结果表明：该裂纹性质为疲劳裂纹，涡轮轴的材料正常，裂纹产生的主要原因是涡轮轴的上、下支撑板轴承安装孔同轴度偏差较大，导致涡轮轴在疲劳试验过程中呈偏转状态，最大应力位置发生改变，在端面和轴体的拐角处产生应力集中，促使裂纹形成。关键词：航空发动机；涡轮轴；疲劳寿命；同轴度中图分类号：ＴＢ３１；ＴＧ１１５．２文献标志码：Ｂ文章编号：１００１－４０１２（２０２３）０２－００５４－０４Ｃａｕｓｅｓｏｆｃｒａｃｋｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎ１Ｃｒ１１Ｎｉ２Ｗ２ＭｏＶｓｔｅｅｌｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｔｕｒｂｉｎｅｓｈａｆｔＬＩＸｉｎ，ＺＨＡＮＰｉｎｇ，ＱＵＡＮＱｉｏｎｇｒｕｉ（ＡＥＣＣＡｅｒｏＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０５００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｔｅｒｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｏｆａ１Ｃｒ１１Ｎｉ２Ｗ２ＭｏＶｓｔｅｅｌｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｔｕｒｂｉｎｅｓｈａｆｔ，ａｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇｃｒａｃｋｗｉｔｈａｌｅｎｇｔｈｏｆａｂｏｕｔ２００ｍｍａｌｏｎｇｔｈｅｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｅｘｉｓｔｅｄａｔｔｈｅｅｎｄｆａｃｅｏｆｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅｓｈａｆｔａｎｄｔｈｅｓｈａｆｔｂｏｄｙ．Ｔｈｅｃａｕｓｅｓｏｆｃｒａｃｋｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｒａｃｋｗａｓａｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋ，ａｎｄｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｏｆｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅｓｈａｆｔｗａｓｎｏｒｍａｌ．Ｔｈｅｍａｉｎｒｅａｓｏｎｆｏｒｔｈｅｃｒａｃｋｗａｓｔｈａｔｔｈｅｃｏａｘｉａｌｉｔｙｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｕｎｔｉｎｇｈｏｌｅｓｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒａｎｄｌｏｗｅｒｓｕｐｐｏｒｔｐｌａｔｅｂｅａｒｉｎｇｓｏｆｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅｓｈａｆｔｗａｓｌａｒｇｅ，ｗｈｉｃｈｌｅｄｔｏｔｈｅｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅｓｈａｆｔｄｕｒｉｎｇｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔ．Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓｐｏｓｉｔｉｏｎｃｈａｎｇｅｄ，ａｎｄｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｃｃｕｒｅｄａｔｔｈｅｃｏｒｎｅｒｏｆｔｈｅｅｎｄｆａｃｅａｎｄｔｈｅｓｈａｆｔｂｏｄｙ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｍｏｔｅｄｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｃｒａｃｋｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ；ｔｕｒｂｉｎｅｓｈａｆｔ；ｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅ；ｃｏａｘｉａｌｉｔｙ１Ｃｒ１１Ｎｉ２Ｗ２ＭｏＶ钢具有良好的强度、韧性和疲劳试验，涡轮轴结构如图１所示。在完成了１５００［１－２］６一定的抗腐蚀性，经常用于航空发动机中６００℃次低循环、２×１０次高循环疲劳试验后，弯矩载荷不［３－４］下工作的盘件、叶片和轴等零部件。航空发动机稳定，加弯轴异常偏转，试验暂停，检查轴试验器后，中的压气机转子轴、涡轮转子轴等是发动机中传递发现高压涡轮轴产生裂纹。笔者采用一系列理化检功率的重要部件，通常称为主轴，主轴失效会产生极验方法分析了裂纹产生的原因，提出了改进意见。其严重的后果。由于航空发动机的工作特点，主轴需承受扭矩、轴向力、弯矩及振动扭矩等多种载荷，因此对主轴在复合载荷下的疲劳寿命提出了极高要［５］求。发动机的台架在试车过程中很难实现主轴的真实工作状态，通常是设计专门的试验器对主轴施图１涡轮轴结构示意［６］加复合载荷，以估算其疲劳寿命。１理化检验某型航空发动机的高压涡轮轴在试验器中进行１．１宏观观察收稿日期：２０２２－０４－２４高压涡轮轴断裂的特征为：凸台与轴身拐角处作者简介：李欣（１９９０－），女，本科，工程师，主要从事航空发动产生穿透性裂纹，轴体出现了较大扭转变形，不能将机材料研究工作，１１６２７９４１６５＠ｑｑｃｏｍ．５４

1李欣，等：１Ｃｒ１１Ｎｉ２Ｗ２ＭｏＶ钢高压涡轮轴裂纹形成原因轴体从试验器中正常拆卸，因此在裂纹附近对轴身可见明显的二次裂纹。裂纹两侧在轴体拐角处有明进行了切割，裂纹宏观形貌如图２所示。显变形。轴体外表面可见沿圆周方向的磨损烧蚀特裂纹基本沿转接拐角处周向分布，裂纹尾部与征［见图３ａ）］，裂纹区域台阶上的销子均有不同程主裂纹呈１３５°角，沿轴体扩展，裂纹两侧外形吻合，度磨损［见图３ｂ）］。图２高压涡轮轴裂纹宏观形貌图３轴体外表面烧蚀区和连接销磨损区宏观形貌在裂纹处剖开试样，可见断面有两种差异较大的特征，断面中部区域（区域１）平坦，该区域裂纹扩展路径均沿轴体和端面台阶的圆周分布，该区域长度约为５ｃｍ，占裂纹长度的１／４；断面两侧区域（区域２）起伏明显，且可见沿圆周和壁厚方向的大应力撕裂特征，区域３为人工打断区（见图４）。图４断口宏观形貌通过宏观断口的放射棱线可判断裂纹起源于１区，裂纹产生于轴体外表面与端面台阶转接拐角处圆周表面，裂纹源区呈多处点源或线源形式。１．２断口分析在扫描电镜（ＳＥＭ）下观察断口形貌，可见断面图５断面裂纹源区及裂纹附近轴体表面的ＳＥＭ形貌磨损严重（见图５）。沿裂纹附近的拐角处纵向取样，观察拐角处截断口１区可见解理河流状花样，２区可见大应面与轴身的显微组织（见图７），由图７可知：材料的力撕裂快速扩展和磨损特征，３区呈现韧窝特征。显微组织正常，为板条状马氏体。断口３个区域的ＳＥＭ形貌如图６所示。５５

2李欣，等：１Ｃｒ１１Ｎｉ２Ｗ２ＭｏＶ钢高压涡轮轴裂纹形成原因图６断口３个区域的ＳＥＭ形貌图７轴体拐角处截面与轴身的显微组织形貌１．３化学成分分析、硬度测试和力学性能测试１．４应力分析在轴体裂纹附近取样，并进行化学成分分析、硬检查涡轮轴试验器的上、下支撑板轴承安装孔度测试和力学性能测试，结果如表１，２所示。由表的同轴状况，测得其同轴度为４．９８ｍｍ，对涡轮轴进１，２可知，结果均符合锻件的验收要求。行设计状态和偏转状态的应力分析。表１试样的力学性能和硬度测试结果在试验设计状态下，高压涡轮轴等效应力分布抗拉强度／屈服强度／断后伸断面收硬度／如图８，９所示，高压涡轮轴最大应力位置在锁片槽项目ＭＰａＭＰａ长率／％缩率／％ＨＢＷ根部倒圆位置，此时凸台根部倒圆位置截面的平均试样１实测值１１４５１０１６１８．５７９３５９应力为５９５ＭＰａ，应力集中系数为１．９９；锁片槽根部试样２实测值１１４９９８４１９．５７３３５９倒圆位置截面平均应力为５９３ＭＰａ，应力集中系数标准值≥１０８０≥９３０≥１０≥５０３１１～３６８为２．４７。表２试样的化学成分分析结果％质量分数项目ＣＳｉＭｎＰＳＣｒＮｉＷＭｏＶ实测值０．１２０．３６０．４０＜０．０３０＜０．０２０１１．５０１．６８１．８００．４６０．２２标准值０．１０～０．１６≤０．６０≤０．６０≤０．０３０≤０．０２０１０．５０～１２．００１．４０～１．８０１．５０～２．０００．３５～０．５００．１８～０．３０根据上、下支撑板轴承安装孔同轴度为态下的高压涡轮轴进行应力分析（见图１１，１２），高４．９８ｍｍ（上支撑板相对于下支撑板轴线偏离压涡轮轴最大应力位置变为凸台根部倒圆处，此时２．４９ｍｍ），高压涡轮轴偏转如图１０所示，对偏转状凸台根部倒圆位置截面平均应力为７１０ＭＰａ，应力５６

3李欣，等：１Ｃｒ１１Ｎｉ２Ｗ２ＭｏＶ钢高压涡轮轴裂纹形成原因图８设计状态下高压涡轮轴应力分布图９设计状态下高压涡轮轴凸台根部截面等效应力云图集中系数为２．４４；锁片槽根部倒圆位置截面平均应图１３高压涡轮轴凸台根部截面设计状态与偏转状态下力为６３４ＭＰａ，应力集中系数为２．７５。各方向应力分布２综合分析高压涡轮轴的裂纹源区呈多源特征，源区轴体图１０高压涡轮轴偏转示意表面的机械加工刀痕完整，在断口上发现严重磨损痕迹，轴体变形较大。高压涡轮轴的化学成分分析结果和力学性能测试结果均正常。复查零件的生产、装配和试验过程，发现上、下支撑板轴承安装孔同轴度偏差较大。涡轮轴偏转后图１１偏转状态下高压涡轮轴应力分布最大应力位置变为凸台根部倒圆拐角处（与实际裂纹产生位置吻合），该处截面的平均应力由５９５ＭＰａ增大至７１０ＭＰａ，应力集中系数由１．９９增大至２．４４，相比试验设计状态，应力集中改变使零件的疲劳寿图１２偏转状态下凸台根部截面等效应力云图命出现大幅下降。试验器安装时，上、下支撑板的轴承安装孔不同根据对比设计与偏转状态下的应力分布，由于轴，使得高压涡轮轴与高压压气机传动轴不同轴，进弯矩载荷的存在，设计状态下凸台根部倒圆处截面一步引起轴向力加载方向与高压涡轮轴试验件不同应力分布不均匀，但差别不大，而受试验件偏转的影响，凸台倒圆处应力分布不均匀程度进一步增大。轴，从而造成高压涡轮轴凸台根部倒圆拐角处周向高压涡轮轴凸台根部截面设计状态与偏转状态下各应力不均匀；在较高的低周应力和高周应力共同作方向应力分布如图１３所示。高压涡轮轴凸台根部用下，应力集中区域的抗疲劳性能降低，导致裂纹萌截面设计状态与偏转状态下应力计算结果如表３生；裂纹持续扩展达到一定长度后，涡轮轴在持续载所示。荷的作用下发生扭曲变形，导致应力进一步分布不表３高压涡轮轴凸台根部截面设计状态与偏转状态下均，断口快速撕裂扩展。应力计算结果ＭＰａ３结论应力类型试验设计状态偏转状态平均应力５９５７１０根据分析结果，制订了改进和预防措施：在试验最大等效应力１１８２１７２９器设计图中增加上、下支撑板轴承安装孔的同轴度最大轴向应力７５１１７２６０～０．２ｍｍ的要求，增加试验装配过程中的检测工最大周向应力３４６８７２装，保证装配过程中同轴度的实时调整。最大径向应力１１８３６５（下转第６２页）５７

4王晓兰，等：４０Ｃｒ钢油缸断裂原因化物的形状、数量及分布，使其往越短、越窄、越少及部位硬度相差较大，易产生组织内应力。油缸在使［７］分散状的方向发展。用过程中反复受力，尤其靠近钎杆与销孔内壁部位，油缸内壁组织不均匀，各部位组织及硬度相差萌生的微裂纹或表面凹坑会不断扩展，并在组织内较大，说明油缸整体热处理存在问题。材料在淬火应力的作用下扩展速率加快，直至发生断裂。时未完全淬透成马氏体，导致有些区域为贝氏体、铁参考文献：素体，回火不充分导致有些区域为回火马氏体、回火屈氏体，即未全部得到回火索氏体，故组织状态不满［１］王辉，张勇，梁斌，等．４０Ｃｒ泵轴断裂失效分析［Ｊ］．石足要求。油化工设备技术，２０１８，３９（５）：１１－１４，６９．［２］崔约贤，王长利．金属断口分析［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工凹坑、裂纹破坏了表面的连续性，在工作载荷的业大学出版社：１９９８．作用下，材料表面极易产生应力集中而成为裂纹源，［３］李杰，邓云哲，何志辉，等．油缸用３５钢销轴断裂的原裂纹进一步扩展发生断裂；热处理不充分导致组织因［Ｊ］．机械工程材料，２０１７，４１（８）：１０６－１０９．［８］不理想且不均匀，易产生组织内应力，在受力变形［４］朱苗勇．现代冶金学（钢铁冶金卷）［Ｍ］．北京：冶金工过程中促使裂纹进一步扩展而发生断裂。因此，要业出版社：２００５．严格控制油缸的表面状态及热处理工艺，确保获得［５］黄镇，顾铁．钙处理非调质钢的夹杂物控制［Ｊ］．现代冶较好的表面质量及均匀的回火索氏体组织。金，２０１９，４７（５）：９－１１．［６］郑浩，刘丽华，张中武，等．热加工对硫化物及氧化物３结语夹杂的影响［Ｊ］．材料导报，２０２１，３５（１３）：１３１６８－油缸断裂主要与硫元素质量分数超标、硫化物１３１７６．［７］何玉东．Ｍｇ改质Ｙ１Ｃｒ１３钢中硫化物的工艺研究［Ｊ］．聚集、表面凹坑缺陷及热处理不均匀有关。硫元素特钢技术，２０２０，２６（３）：３１－３４．易产生“热脆”现象，降低钢的延展性与韧性，在后期［８］甘美露，张强，王书强，等．油缸活塞杆断裂原因分析钢材的轧制或锻造过程中萌生出裂纹。聚集的条状［Ｊ］．理化检验（物理分册），２０１９，５５（１０）：７３３－７３５．［９］夹杂物破坏了基体的连续性，在后期加工变形过［９］谢文婷，祁红璋，任蓓蕾，等．某风电机组行星齿轮断程中，因夹杂物与基体变形不一致而产生微裂纹。齿原因［Ｊ］．理化检验（物理分册），２０２２，５８（３）：５８－６２．［１０］表面凹坑缺陷易产生应力集中，成为裂纹源。油［１０］陆慧，孙明正．船用柴油机拉缸故障失效分析［Ｊ］．理化缸热处理淬火、回火不充分导致整体组织不均匀，各检验（物理分册），２０２２，５８（２）：４５－４８．櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥（上接第５７页）击性能不合格原因探讨［Ｊ］．理化检验（物理分册），参考文献：２０１４，５０（８）：５９６－５９８．［１］孙奇，张立新，韦廷立，等．回火温度对１Ｃｒ１１Ｎｉ２Ｗ２ＭｏＶ［４］黄春峰．航空１Ｃｒ１１Ｎｉ２Ｗ２ＭｏＶ钢叶片的热加工工艺钢冲击性能的影响［Ｊ］．理化检验（物理分册），２０１７，５３与力学性能［Ｊ］．航空精密制造技术，１９９８（２）：２９－３１．（３）：１６５－１６８．［５］陆山，陈倩，陈军．航空发动机主轴疲劳寿命预测方法［２］孙小岚，杨堃．１Ｃｒ１１Ｎｉ２Ｗ２ＭｏＶ模锻件耐蚀性改进工［Ｊ］．航空动力学报，２０１０，２５（１）：１４８－１５１．艺［Ｊ］．电镀与涂饰，２０２１，４０（６）：４０５－４０９．［６］王通北，陈美英．军用航空发动机主轴疲劳寿命的试［３］徐杏杏，何军刚，胡锴，等．１Ｃｒ１１Ｎｉ２Ｗ２ＭｏＶ不锈钢冲验验证［Ｊ］．航空发动机，２０００（３）：４２－４９，６５．６２