張韶佳

[中航工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 景德鎮(zhèn) 333002]

噴管是直升機(jī)發(fā)動機(jī)組件的重要組成部分，發(fā)動機(jī)安裝到直升機(jī)上時必需同時安裝上進(jìn)氣道與噴管。發(fā)動機(jī)的進(jìn)、排氣與機(jī)身和發(fā)動機(jī)之間的相互干擾既影響動力系統(tǒng)的性能，又影響直升機(jī)的氣動特性，若噴管或進(jìn)氣管道發(fā)生故障，將會對發(fā)動機(jī)的整體性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，進(jìn)而影響直升機(jī)飛行安全。因此，分析噴管失效原因和提出有效改進(jìn)方案對保障直升機(jī)的飛行安全具有重要意義。

某發(fā)動機(jī)在內(nèi)、外場例行檢查中發(fā)現(xiàn)多件主噴管出現(xiàn)裂紋，數(shù)量多且分布于不同架次機(jī)，裂紋位置經(jīng)統(tǒng)計主要集中在加強(qiáng)邊焊接點附近和法蘭邊螺釘孔邊緣，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)的安全。該發(fā)動機(jī)主噴管的法蘭邊和壁面為整體結(jié)構(gòu)，4個壁面通過氬弧焊連接，出口端壁面與加強(qiáng)邊通過點焊連接，加強(qiáng)邊對接處通過氬弧焊連接，加強(qiáng)邊端頭熔核焊縫設(shè)置在筒體長邊。主噴管組件法蘭邊和發(fā)動機(jī)尾噴管安裝邊對接，通過螺釘和自鎖螺母連接。壁面和加強(qiáng)邊材料均為GH3030合金。為找出主噴管的開裂原因，筆者對多個主噴管開裂件進(jìn)行了一系列檢驗和分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

圖1為主噴管與發(fā)動機(jī)的連接示意圖，其中與發(fā)動機(jī)通過螺釘連接的是法蘭邊，排氣出口端是加強(qiáng)邊，裂紋主要分布在這兩個區(qū)域。分別對法蘭邊和加強(qiáng)邊兩區(qū)域的裂紋進(jìn)行形貌觀察。法蘭邊裂紋主要位于螺釘孔處螺釘環(huán)形壓痕邊緣(見圖2)，3個裂紋分別標(biāo)識為1號裂紋、2號裂紋、3號裂紋，其中1號裂紋呈“人”字形貌擴(kuò)展，2號、3號裂紋呈線形擴(kuò)展，裂紋形貌及擴(kuò)展方向無規(guī)律。加強(qiáng)邊裂紋主要位于端頭對接熔合焊點處和加強(qiáng)邊端頭對接熔合處的筒體上，裂紋沿縱向擴(kuò)展(見圖3)。

圖1 主噴管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of main nozzle

圖2 法蘭邊裂紋宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of flange edge cracks

圖3 加強(qiáng)邊裂紋宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of reinforced edge cracks

圖4 法蘭邊斷面宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of fracture surface of flange edge

1.2 斷口宏觀分析

將裂紋打開，可見法蘭邊裂紋起源于螺釘孔正面墊片壓痕處，裂紋源區(qū)呈線源特征(見圖4)，瞬斷區(qū)面積均較小，裂紋擴(kuò)展充分。加強(qiáng)邊裂紋起源于兩板材接觸面焊點部位，裂紋源區(qū)呈線源特征(見圖5)。

圖5 加強(qiáng)邊斷面宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of fracture surface of reinforced edge

1.3 斷口微觀分析

對裂紋斷面進(jìn)行斷口微觀觀察，在兩區(qū)域斷面的擴(kuò)展區(qū)均能觀察到疲勞條帶特征(見圖6)，表明斷口性質(zhì)為疲勞斷裂。疲勞條帶間距較密，表明裂紋擴(kuò)展時間較長，承受交變載荷次數(shù)較多；疲勞條帶擴(kuò)展方向并非沿一個方向，表明裂紋在擴(kuò)展過程中實際受力較復(fù)雜。

圖6 裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌Fig.6 Micro morphology of crack extension zone

1.4 金相檢驗

分別對開裂主噴管兩區(qū)域裂紋源周圍進(jìn)行顯微組織觀察，如圖7所示，可見其顯微組織正常，未見冶金缺陷。

圖7 裂紋源處顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology at crack source

1.5 法蘭邊裂紋源周圍特征觀察

對法蘭邊裂紋處的螺釘孔正面和背面形貌進(jìn)行觀察，在正面觀察到明顯的擠壓痕跡，同一螺釘表面，圓周點到環(huán)形壓痕的距離不同，如圖8所示。對應(yīng)螺釘孔的背面形貌如圖9所示，可見螺釘孔附近表面均有一側(cè)壓痕較深。螺釘孔正面壓痕應(yīng)為墊片與材料表面形成的擠壓痕跡，螺釘孔背面較深壓痕則為安裝螺釘時一側(cè)擰緊力較大或螺釘安裝不注意控制順序而造成的。

圖8 螺釘孔正面宏觀形貌Fig.8 Macro morphology of front surface of screw hole

圖9 螺釘孔背面宏觀形貌Fig.9 Macro morphology of back surface of screw hole

1.6 法蘭邊平面度核查

對未裝機(jī)的3個主噴管法蘭邊平面度進(jìn)行核查，每個主噴管檢測8個點，結(jié)果見表1。技術(shù)要求平面度應(yīng)小于0.5 mm，檢查結(jié)果有4個點不符合技術(shù)要求。

對已裝機(jī)的9個主噴管法蘭邊進(jìn)行安裝面間隙檢測，檢測結(jié)果見表2。除1個主噴管安裝面平整外，其余安裝面均有1～2處不平整，且最大間隙為1 mm。

表1 法蘭邊平面度核查結(jié)果Tab.1 Verification results of flange edge flatness mm

可見法蘭邊制造過程中對平面度控制不嚴(yán)格，法蘭邊與發(fā)動機(jī)裝配時，90%以上法蘭邊不能保證安裝面平整，存在較大間隙。

1.7 加強(qiáng)邊焊接質(zhì)量檢驗

對加強(qiáng)邊裂紋處的焊點進(jìn)行維氏硬度測試，結(jié)果表明焊點處硬度低于正常材料約1/3，點焊處形貌正常，未見氣孔、夾雜、未熔合等焊接缺陷。

對加強(qiáng)邊彎曲部位的6個焊點進(jìn)行焊接質(zhì)量檢驗，檢驗結(jié)果見表3，可知焊透率均在20%～80%，符合要求，熔核直徑符合三級焊縫要求，說明加強(qiáng)邊彎曲部位焊接質(zhì)量較好。

表2 法蘭邊安裝面間隙檢查結(jié)果Tab.2 Inspection results of clearance of flange side mounting surface

對加強(qiáng)邊完好部位的10個焊點進(jìn)行焊接質(zhì)量檢驗，檢驗結(jié)果見表4，可知8個焊點的焊接質(zhì)量較好，2個焊點(位于加強(qiáng)邊轉(zhuǎn)角處)存在未完全熔合現(xiàn)象。

表3 彎曲部位焊點焊接質(zhì)量檢驗結(jié)果Tab.3 Welding quality test results of welding spot in bending part

表4 完好部位焊點焊接質(zhì)量檢驗結(jié)果Tab.4 Welding quality test results of welding spot in intact part

2 分析與討論

由開裂主噴管裂紋宏觀觀察結(jié)果可知，裂紋主要集中在法蘭邊螺釘孔邊緣和加強(qiáng)邊焊接點邊緣及附近，分別對這些裂紋進(jìn)行斷口宏、微觀分析，結(jié)果顯示裂紋性質(zhì)均為疲勞開裂，裂紋源區(qū)呈線源特征，未見冶金缺陷，裂紋擴(kuò)展前期觀察到粗大的發(fā)散棱線，中后期可見疲勞條帶，分析裂紋形成與實際受力較大及零件本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足有關(guān)。

對公司兩種構(gòu)型的主噴管進(jìn)行裂紋普查統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在其中一種構(gòu)型上裂紋故障率高，另一種構(gòu)型的裂紋故障率極低，兩種構(gòu)型的主噴管與發(fā)動機(jī)裝配方式一致，機(jī)上受力情況也一致，確定裂紋形成與零件本身強(qiáng)度不足有關(guān)。

為分析該型主噴管強(qiáng)度不足的原因，首先對兩種構(gòu)型的主噴管進(jìn)行設(shè)計差異分析。結(jié)構(gòu)差異：裂紋故障率低的主噴管采用的法蘭邊為整體結(jié)構(gòu)，法蘭邊與4個壁面通過氬弧焊連接，出口端壁面與加強(qiáng)邊通過點焊連接，加強(qiáng)邊對接處氬弧焊連接，如圖10a)所示；而裂紋故障率高的主噴管采用法蘭邊和壁面為整體結(jié)構(gòu)，4個壁面通過氬弧焊連接，出口端壁面與加強(qiáng)邊通過點焊連接，加強(qiáng)邊對接處氬弧焊連接，如圖10b)所示。材料差異：裂紋故障率低的主噴管采用“4塊1.5 mm壁面+1.5 mm法蘭邊+0.8 mm加強(qiáng)邊” 的組合，而裂紋故障率高的主噴管采用“4塊1.0 mm帶法蘭邊壁面+0.8 mm加強(qiáng)邊” 的組合。

圖10 兩種構(gòu)型主噴管示意圖Fig.10 Diagram of two main nozzle configurations:a) low crack failure rate; b) high crack failure rate

其次，分別對法蘭邊和加強(qiáng)邊裂紋源及周圍質(zhì)量進(jìn)行分析。法蘭邊與主噴管連接后成為懸臂梁結(jié)構(gòu)(如圖1)，在高溫高頻震動環(huán)境下，法蘭邊受一定應(yīng)力作用，一旦強(qiáng)度不足，就會形成疲勞裂紋源，而在螺釘孔正、背面觀察到的明顯壓痕是應(yīng)力集中處，更易成為裂紋源，所以裂紋從壓痕處起源。螺釘孔正面壓痕為螺母墊片與材料表面的擠壓痕跡，且同一螺釘孔表面，圓周點到環(huán)形壓痕的距離不同(見圖8)，對應(yīng)螺釘孔背面壓痕為螺釘頭安裝偏離中心造成的一側(cè)較深壓痕，與安裝螺釘時一側(cè)擰緊力較大或螺釘安裝不注意控制順序造成。分別對未裝機(jī)和已裝機(jī)的主噴管法蘭邊進(jìn)行平面度核查和安裝面間隙檢查，結(jié)果顯示，未裝機(jī)主噴管的24個平面度檢測點中有4個平面度檢測值超出了技術(shù)要求；9個已裝機(jī)主噴管的安裝面間隙檢查，除1個安裝面平整外，其余均有1～2處不平整，且最大間隙為1 mm。可見，法蘭邊制造過程中對平面度控制不嚴(yán)格，法蘭邊與發(fā)動機(jī)裝配時，90%以上因存在較大間隙導(dǎo)致安裝面不平整。建議對零件制造過程和安裝過程關(guān)鍵點加強(qiáng)控制，零件成型過程中避免過度校正造成應(yīng)力集中，保證法蘭邊與發(fā)動機(jī)對應(yīng)安裝部位貼合時間隙均勻、孔位協(xié)調(diào)，安裝時注意螺釘擰緊順序和擰緊力矩控制，避免應(yīng)力裝配，法蘭邊所有孔正反面去毛刺并保證平面度。

加強(qiáng)邊與出口端壁面通過點焊連接，加強(qiáng)邊對接處通過氬弧焊連接，焊點的金相檢驗結(jié)果顯示，16個完好焊點的焊透率和熔核直徑均符合技術(shù)要求，2個焊點有未熔合現(xiàn)象，但符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；裂紋焊點未見氣孔、夾雜和未熔合等焊接缺陷；焊點部位和未焊原材料的硬度檢測結(jié)果顯示，點焊后材料強(qiáng)度至少損失1/3，而對接焊縫與點焊點位置距離較近，焊縫周圍材料會受到二次焊接熱效應(yīng)影響，強(qiáng)度嚴(yán)重降低。所以，焊接質(zhì)量不是形成裂紋的主要因素，點焊后零件強(qiáng)度下降是形成裂紋的主要原因。建議對焊接裝配過程進(jìn)行關(guān)鍵點控制，做到焊接前酸洗(清除氧化物)、待焊部位機(jī)械清理、焊接電流控制(小線能量焊接減少熱量)、正反面通氣保護(hù)(提前和延時通氣)、焊后校形(避免過度校正)、筒體邊緣去毛刺、對接焊縫與點焊點適當(dāng)錯開距離(25 mm左右)的要求，避免熔化焊縫與點焊點重疊焊。

法蘭邊裂紋形成原因為法蘭邊強(qiáng)度不足，法蘭邊平面度0.5 mm，導(dǎo)致與發(fā)動機(jī)剛性連接時存在應(yīng)力，沿螺栓孔邊緣應(yīng)力集中處開裂并擴(kuò)展。改進(jìn)措施為加厚法蘭邊，將厚度更改至1.5 mm；將法蘭邊設(shè)計為整體件，壁面單獨(dú)設(shè)計。

加強(qiáng)邊對接焊縫附近點焊處的裂紋形成原因為加強(qiáng)邊對接焊縫位置與點焊處位置距離較近，焊縫周圍材料受到二次焊接熱效應(yīng)影響，強(qiáng)度嚴(yán)重下降，該區(qū)域材料在高溫高頻震動環(huán)境下，導(dǎo)致疲勞裂紋形成并擴(kuò)展。改進(jìn)措施為增加壁面零件材料厚度至1.5 mm；取消壁面零件上點焊加強(qiáng)邊的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，采用壁面零件翻邊或加強(qiáng)筋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論及建議

主噴管上的裂紋均為疲勞裂紋。其中，法蘭邊裂紋起源于螺釘孔正面擠壓痕跡處，該部位由于工作環(huán)境惡劣(高溫、氣流顫震)，法蘭邊連接孔單面安裝墊片無法承受震動載荷而形成裂紋；加強(qiáng)邊裂紋起源于端頭對接熔合點處及附近，該部位電阻點焊與熔焊并存，熱影響區(qū)材料性能下降，加強(qiáng)邊端頭對接焊縫位于震動最大的長邊，從而導(dǎo)致裂紋形成。

針對法蘭邊螺栓連接處裂紋，建議增加墊圈，防止因螺栓頭邊緣與法蘭邊直接應(yīng)力接觸及主噴管法蘭邊和發(fā)動機(jī)尾噴管安裝邊不完全貼合問題，在高周震動下導(dǎo)致應(yīng)力集中，并進(jìn)一步觸發(fā)疲勞裂紋。針對加強(qiáng)邊點焊處裂紋，建議取消加強(qiáng)邊及點焊連接，杜絕因點焊處的疲勞失效導(dǎo)致焊接處的疲勞裂紋生成。