某直升機(jī)傳動(dòng)軸連接螺栓裂紋故障分析

胡超，楊?lèi)?ài)華，段鋮

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）

某直升機(jī)傳動(dòng)軸連接螺栓安裝于傳動(dòng)軸連接法蘭盤(pán)與柔性聯(lián)軸節(jié)之間，起連接緊固、傳遞功率和轉(zhuǎn)速的作用，螺栓如在使用中發(fā)生斷裂，會(huì)對(duì)直升機(jī)飛行安全造成極大的危害。某型直升機(jī)傳動(dòng)軸上共計(jì)有21件螺栓（材料為30Ni4CrMoA），在隨機(jī)飛行200小時(shí)定檢時(shí)，目視檢查發(fā)現(xiàn)1件螺栓（序列號(hào)：2012177）12角頭部的槽底部出現(xiàn)裂紋，見(jiàn)圖1，其余20件螺栓均未見(jiàn)異常。

圖1 故障件螺栓裂紋照片

1 故障定位

將故障件螺栓返廠進(jìn)行失效分析。對(duì)故障件進(jìn)行了外觀檢查，并進(jìn)行了裂紋及斷口宏微觀觀察、金相檢查、硬度檢測(cè)及能譜分析，發(fā)現(xiàn)：

（1）螺栓裂紋位于頭部，大致沿圓周方向分布，約占整個(gè)圓周的2/3，縱向剖開(kāi)后發(fā)現(xiàn)裂紋最深處深度約為3.2mm、3.0mm，未見(jiàn)明顯機(jī)械損傷。

（2）制取高倍金相試片，觀察螺栓裂紋兩側(cè)、表面及心部組織，裂紋兩側(cè)存在明顯氧化物，但未見(jiàn)脫碳，而螺栓頭部表面存在脫碳跡象。

（3）螺栓硬度合格，整體組織未見(jiàn)異常，為回火索氏體+少量鐵素體。

（4）能譜分析表明，該材料主要合金元素符合30Ni4CrMoA。

由此得出結(jié)論：

（1）螺栓頭部裂紋性質(zhì)為淬火裂紋。

（2）螺栓頭部與凸臺(tái)轉(zhuǎn)角處以及頭部棱角的應(yīng)力相對(duì)集中是裂紋萌生的一個(gè)重要影響因素。

根據(jù)生產(chǎn)廠家的檢查結(jié)果，并結(jié)合設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)情況，確定該螺栓12角頭部裂紋故障原因?yàn)椋?/p>

（1）螺栓在熱墩之后進(jìn)行熱處理前，12角頭部尖角位置已存在熱墩微裂紋趨勢(shì)或已出現(xiàn)微小裂紋源，在熱處理（淬火、回火）過(guò)程中產(chǎn)生熱應(yīng)力與組織應(yīng)力，促使螺栓12角頭部開(kāi)裂并造成裂紋拓展。

（2）后續(xù)的磁粉探傷檢驗(yàn)出現(xiàn)漏檢、誤檢，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷，使不合格品下轉(zhuǎn)出廠。

2 機(jī)理分析

螺栓的12角頭部為熱墩成型，在熱墩過(guò)程中，12角頭部存在熱墩成型應(yīng)力，尖角位置應(yīng)力集中，易造成12角頭部在熱墩成型后已存在熱墩微裂紋的趨勢(shì)或已出現(xiàn)微小裂紋源；由于在熱墩工序和熱處理（淬火、回火）工序之間缺少磁粉探傷檢驗(yàn)要求，導(dǎo)致操作者將熱墩之后12角頭部已存在熱墩微裂紋趨勢(shì)或已出現(xiàn)微小裂紋源的螺栓提交到了下一道的熱處理工序，在后續(xù)的熱處理淬火應(yīng)力作用下，即在淬火加熱時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和淬火加熱之后的冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的組織應(yīng)力作用（熱處理油淬組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力作用）下，促使12角頭部開(kāi)裂，并造成裂紋拓展。

螺栓的加工路線為車(chē)工→熱墩→熱處理（淬火、回火）車(chē)工→磨工→車(chē)工→車(chē)工→滾絲→車(chē)工→磁粉探傷→總檢驗(yàn)表面處理試驗(yàn)→稱(chēng)重→最終檢驗(yàn)；由于每次進(jìn)行磁粉探傷檢驗(yàn)的螺栓數(shù)量較多（多達(dá)上百件），磁粉充磁后，螺栓放在一起，螺栓之間相互接觸，容易造成磁瀉，形成干擾顯示，造成檢驗(yàn)員誤判、漏檢，導(dǎo)致螺栓12角頭部可能產(chǎn)生的裂紋沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。

3 故障復(fù)現(xiàn)

為了驗(yàn)證螺栓12角頭部裂紋產(chǎn)生的原因，進(jìn)行了4組工藝試驗(yàn)。序號(hào)1、2螺栓工藝試驗(yàn)中所采用的熱處理工藝與產(chǎn)品螺栓實(shí)際生產(chǎn)中熱處理所采用的工藝一致；序號(hào)3、序號(hào)4螺栓工藝試驗(yàn)中所采用的熱處理工藝（冷卻過(guò)程為水冷）是為了驗(yàn)證當(dāng)未按產(chǎn)品螺栓實(shí)際生產(chǎn)中熱處理工藝要求（冷卻過(guò)程為油冷）進(jìn)行時(shí)，對(duì)螺栓熱處理性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

同時(shí)，對(duì)工藝試驗(yàn)件也進(jìn)行了外觀檢查、裂紋及斷口宏微觀觀察、金相檢查、硬度檢測(cè)及能譜分析，在熱處理前原始狀態(tài)中12角頭部已存在裂紋的螺栓，在兩種熱處理工藝后（淬火后）裂紋均出現(xiàn)了拓展，裂紋形態(tài)：頭部局部可見(jiàn)沿圓周方向分布，裂紋形態(tài)與故障件螺栓相似。在熱處理前原始狀態(tài)中12角頭部無(wú)裂紋的螺栓，在兩種熱處理工藝后（淬火后）均無(wú)裂紋出現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：熱處理前，在螺栓12角頭部已存在熱墩微裂紋趨勢(shì)或已出現(xiàn)微小裂紋源情況下，經(jīng)過(guò)熱處理后，促使了螺栓12角頭部開(kāi)裂并造成了裂紋拓展。

表1 螺栓工藝試驗(yàn)結(jié)果

4 糾正措施及驗(yàn)證

4.1 糾正措施

根據(jù)故障原因，進(jìn)行了工藝驗(yàn)證試驗(yàn)，找到了出現(xiàn)淬火裂紋的原因，并采取了如下糾正措施。

（1）完善工藝規(guī)程，在熱墩工序中，補(bǔ)充增加熱墩之后的消除應(yīng)力處理，消除熱墩成型應(yīng)力。

（2）完善工藝流程卡，在熱墩工序與熱處理（淬火、回火）工序之間增加磁粉探傷工序。

（3）磁粉探傷檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采用電木板制作專(zhuān)用工裝，零件充磁后按一字型擺開(kāi)，互相之間不疊放，避免產(chǎn)生干擾顯示，提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性，避免漏檢、誤檢。

4.2 驗(yàn)證

對(duì)螺栓在熱墩之后進(jìn)行熱處理（淬火、回火）前，采用改進(jìn)后的磁粉探傷檢驗(yàn)方法進(jìn)行了檢查，即用電木板制作了專(zhuān)用工裝，螺栓充磁后按一字型擺開(kāi)，互相之間不疊放，見(jiàn)圖2，檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有約1%的螺栓其12角頭部已存在熱墩裂紋。將存在熱墩裂紋的螺栓送理化部門(mén)進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：“螺栓12角頭部頂端熱處理前存在裂紋，深度約1.2mm。在后續(xù)的熱處理過(guò)程中，尤其是淬火時(shí)，該裂紋有進(jìn)一步拓展導(dǎo)致頭部開(kāi)裂的可能”。

圖2 整改后的磁粉探傷檢驗(yàn)方法

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析排查，確定了某直升機(jī)傳動(dòng)軸螺栓12角頭部裂紋故障原因，采取了相應(yīng)的工藝改進(jìn)措施，并通過(guò)了工藝試驗(yàn)驗(yàn)證。