喬 邁，張 超，梁 偉，劉博志

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

0 引言

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主承力機(jī)匣工作在高溫高壓環(huán)境中，為了滿足該承力部件材料對(duì)溫度的要求，在其上包覆鈑金件以保護(hù)承力部件免受高溫侵襲[2]。該鈑金件為薄壁焊接組件，具備典型的鈑金、焊接、機(jī)械加工工藝特點(diǎn)。為了消除焊接應(yīng)力，工藝流程中安排了焊后熱處理；另外，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成形后的尺寸及位置精度較差，在裝配過程中往往伴有多次校形操作。

實(shí)際應(yīng)用表明，該鈑金件的使用環(huán)境惡劣，在工作中受熱應(yīng)力及氣動(dòng)力的綜合作用，特別是長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)出現(xiàn)裂紋。分析認(rèn)為，產(chǎn)生裂紋的主要原因是鈑金件校形后會(huì)出現(xiàn)原始微小裂紋，焊后熱處理導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降，在復(fù)雜的交變載荷作用下產(chǎn)生裂紋。本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)使用鈑金件為例，開展熱處理溫度及校形次數(shù)對(duì)鈑金件力學(xué)性能的影響研究，以期提升產(chǎn)品質(zhì)量并為后續(xù)研究提供參考。

1 鈑金件結(jié)構(gòu)

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)承力機(jī)匣的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配在其上的鈑金件需適應(yīng)承力框架的主體結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致整個(gè)鈑金件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其局部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 鈑金件結(jié)構(gòu)

在材料選擇上，考慮鎳基高溫合金的高強(qiáng)度、良好的抗氧化性與熱穩(wěn)定性，且部分變形類鎳基高溫合金具有良好的冷成形性能[3-4]，選取GH536 材料作為鈑金件的材料。GH536 材料是鉻和鉬固溶強(qiáng)化的鎳基合金，具有良好的抗氧化和耐腐蝕性能，在900℃以下有中等的持久和蠕變強(qiáng)度。

圖1 所示的鈑金件1 設(shè)計(jì)有翻邊，鈑金件2 為中空結(jié)構(gòu)并包裹在整體鑄造成形的承力機(jī)匣的支板上。裝配過程中鈑金件1 的翻邊與鈑金件2 之間有間隙控制要求。

該鈑金件的成形過程主要包括激光切割、鈑金沖壓、翻邊、鉗工修整等工藝環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的鈑金成形[5]是利用金屬在固體狀態(tài)下的塑性，通過模具以及外力作用而制成零件的一種加工方法。由于包覆結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鈑金件的形狀很難由一塊鈑金加工而成，因此成形過程還涉及零件焊接及焊后熱處理。

另外，在零件加工階段，鈑金件1 的翻邊采用整體脹型模具，成形后翻邊尺寸一致性差，且翻邊成形會(huì)有回彈，需依靠手工進(jìn)行校正，導(dǎo)致零件型面一致性較差；在零件裝配階段，由于整體鑄造承力框架的支板位置度較差，導(dǎo)致鈑金件1 和鈑金件2 周向間隙分布不均勻，為保證間隙設(shè)計(jì)要求需對(duì)翻邊位置進(jìn)行手工校形。

2 表面狀態(tài)影響分析

實(shí)際裝配過程中，鈑金件的校形工作不可避免，且校形次數(shù)、彎折角度等參數(shù)均沒有統(tǒng)一規(guī)定，這對(duì)鈑金件的使用會(huì)帶來(lái)不利影響。為研究該過程，分別對(duì)零件實(shí)物的實(shí)際校形位置和不同校形次數(shù)的試驗(yàn)件進(jìn)行微觀形貌檢查。

零件實(shí)物檢查位置如圖2 所示，本次試驗(yàn)共對(duì)4組零件實(shí)物進(jìn)行觀察，每組試驗(yàn)件的觀察位置一致，檢查結(jié)果以第一組試驗(yàn)件的結(jié)果為例進(jìn)行說明，結(jié)果如圖3 所示。

圖2 實(shí)物檢查位置

圖3 實(shí)物檢查結(jié)果

分析結(jié)果可知，在500 倍電鏡下，零件實(shí)物翻邊的各檢查位置下均可見微小裂紋及校形工具的磨損痕跡，其他3 個(gè)試樣的檢查結(jié)果與1 號(hào)試樣的檢查結(jié)果一致。

為進(jìn)一步研究校形次數(shù)對(duì)零件的影響，選取模擬試驗(yàn)件共10 件（分為2 次校形和22 次校形2 組，每組各5 件），觀察試驗(yàn)件校形部位的表面微觀形貌，試驗(yàn)件及觀察位置如圖4 所示，以校形2 次和22次3#試驗(yàn)件的觀察結(jié)果為例進(jìn)行說明，檢查結(jié)果如圖5 所示。

圖4 試驗(yàn)件檢查位置

圖5 試驗(yàn)件檢查結(jié)果

分析圖5 可知，GH536 材料模擬試驗(yàn)件經(jīng)過2次校形后，3#模擬試驗(yàn)件校形部位在500 倍放大的視野下未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋；GH536 材料模擬試驗(yàn)件經(jīng)過22 次校形后，3#模擬試驗(yàn)件校形部位在500 倍放大視野下可見密集、細(xì)小的微裂紋。其他各校形次下不同編號(hào)模擬試驗(yàn)件的檢查結(jié)果與示例檢查結(jié)果一致。

以上分析表明，鈑金件在裝配和使用過程中的校形會(huì)在零件的校形彎折位置產(chǎn)生原始微裂紋，且微裂紋的產(chǎn)生與校形次數(shù)之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，校形次數(shù)越多越容易出現(xiàn)裂紋。

3 力學(xué)性能影響分析

3.1 焊后熱處理的影響

某型發(fā)動(dòng)機(jī)承力機(jī)匣的鈑金件由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由多塊鈑金件及相同材料的鍛件安裝邊焊接而成，為了消除焊接應(yīng)力，工藝中安排了焊后熱處理工序。為了研究焊后熱處理對(duì)鈑金件力學(xué)性能的影響，開展了經(jīng)過熱處理工序處理的GH536 板材在715℃和760℃試驗(yàn)溫度下的高溫拉伸疲勞性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 及表1 所示。

表1 拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果（熱處理與否）

圖6 拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果（熱處理與否）

分析圖6 及表1 可知，GH536 材料鈑金件的高溫拉伸疲勞性能在相同試驗(yàn)溫度下，熱處理后試驗(yàn)件的拉伸疲勞性能較未經(jīng)熱處理的試驗(yàn)件下降較大；熱處理后的試驗(yàn)件在不同試驗(yàn)溫度下的拉伸疲勞性能有所差異，試驗(yàn)溫度越高，拉伸疲勞性能越差。整體而言，鈑金件是否經(jīng)過熱處理對(duì)其力學(xué)性能影響最大。

3.2 校形次數(shù)的影響

由本文第2 章的分析結(jié)果可知，鈑金件在經(jīng)過多次校形后其表面會(huì)存在原始微裂紋。鈑金件一旦存在原始微裂紋后，其在后續(xù)的使用過程中容易在原始微裂紋位置萌生目視可見的裂紋并擴(kuò)展，重要的是校形操作也會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

為了研究鈑金校形次數(shù)對(duì)其力學(xué)性能的影響，開展開展GH536 板材校形2 次和22 次在715℃和760℃試驗(yàn)溫度下（試驗(yàn)件均未經(jīng)過熱處理）的拉伸疲勞對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 及表2 所示。

表2 拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果（不同校形次數(shù)）

圖7 拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果（不同校形次數(shù)）

分析圖7 及表2 可知，GH536 材料鈑金件拉伸疲勞性能在相同校形次數(shù)下，試驗(yàn)溫度越高材料力學(xué)性能越差；相同試驗(yàn)溫度下，校形次數(shù)越多材料力學(xué)性能越差，但差別較小，且這種差異隨著試驗(yàn)溫度的升高而減小，這說明隨著試驗(yàn)溫度的升高，高溫造成的材料力學(xué)性能下降起著主導(dǎo)作用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某型發(fā)動(dòng)機(jī)使用的GH536 材料的鈑金件為例，介紹了該鈑金件的結(jié)構(gòu)、成形工藝及主要的工藝環(huán)節(jié)。通過試驗(yàn)手段，詳細(xì)分析了成形及裝配過程中焊后熱處理、校形對(duì)材料力學(xué)性能的影響，主要結(jié)論如下：

（1）鈑金件在成形和裝配過程中的校形操作會(huì)在校形的彎折位置產(chǎn)生原始微裂紋，且微裂紋的產(chǎn)生與校形次數(shù)之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，校形次數(shù)越多越容易出現(xiàn)微裂紋。

（2）相同試驗(yàn)溫度下，經(jīng)過熱處理的試驗(yàn)件較未經(jīng)熱處理的試驗(yàn)件的拉伸疲勞性能下降較大；熱處理后的試驗(yàn)件在不同試驗(yàn)溫度下的拉伸疲勞性能有所差異，但差異不顯著，整體而言，鈑金件是否經(jīng)過熱處理對(duì)其力學(xué)性能影響較大。

（3）在相同校形次數(shù)下，試驗(yàn)溫度越高材料力學(xué)性能越差；相同試驗(yàn)溫度下，校形次數(shù)越多材料力學(xué)性能越差，但差別較小，且這種差異隨著試驗(yàn)溫度的升高而減小，這說明隨著試驗(yàn)溫度的升高，高溫造成的材料力學(xué)性能下降起著主導(dǎo)作用。