航空發(fā)動機供油管裂紋失效分析

李 青，佟文偉，王 全，韓振宇，張 倩

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

以0Cr18Ni9為代表的奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、綜合力學(xué)性能、工藝性能和焊接性能[1-3]，在航空發(fā)動機中得到廣泛應(yīng)用。但該型奧氏體不銹鋼在制造（成型、熱處理、焊接、酸洗）及使用等過程中會與周圍環(huán)境相互作用而腐蝕，腐蝕問題會嚴(yán)重影響零部件的力學(xué)性能[4-5]，降低發(fā)動機使用的安全可靠性。某型發(fā)動機供油管就發(fā)生了由于材料腐蝕導(dǎo)致的開裂，使發(fā)動機在工作過程中發(fā)生滲油故障，嚴(yán)重危害發(fā)動機使用安全。

供油管由導(dǎo)管（材料為0Cr18Ni9）和平管嘴（材料為GH1139）2部分組成，導(dǎo)管與平管嘴連接處采用火焰釬焊焊接，焊料為BCu68NiSiB。焊接前去除焊接區(qū)管路表面的氧化皮、油漆、滑油和污物痕跡，然后用氧-乙炔還原性火焰或在高頻裝置上釬焊，焊接后用化學(xué)方法按規(guī)定工序清除零件上的殘留焊藥。本文從裂紋斷口開始研究，通過宏、微觀觀察，裂紋區(qū)金相組織及Cu元素分布分析，材質(zhì)分析等工作，確定了供油管裂紋性質(zhì)，分析了開裂原因，并提出了改進建議。

1 檢查與分析結(jié)果

1.1 宏觀檢查

供油管裂紋部位熒光圖像如圖1所示，裂紋長約供油管圓周周長的3/4。裂紋宏觀放大圖像如圖2所示。在視頻顯微鏡下觀察，在裂紋附近可見明顯的晶粒形貌，裂紋沿晶界開裂，裂紋部位未見塑性變形，如圖3所示。焊縫沿圓周分布，未發(fā)現(xiàn)裂紋的焊縫區(qū)域同樣可見晶粒形貌，如圖4所示。

圖1 供油管裂紋熒光照片

圖2 裂紋部位放大圖像

圖3 裂紋附近晶粒圖像

圖4 未發(fā)現(xiàn)裂紋的焊縫區(qū)域晶粒圖像

1.2 斷口分析

將裂紋打開，整個斷口較平坦，主要呈灰白色，未見明顯的塑性變形。放大觀察，斷口表面可見疲勞弧線和明顯的放射棱線特征，如圖5所示。表明該斷口為疲勞斷口[6]。根據(jù)放射棱線的方向判斷，裂紋起源于導(dǎo)管外表面區(qū)域，呈多源起始特征，源區(qū)位置如圖5中白色箭頭所示。

圖5 裂紋斷口疲勞源區(qū)放大圖像

圖6 裂紋斷口疲勞源區(qū)微觀形貌

在掃描電鏡下觀察，疲勞源區(qū)微觀形貌如圖6所示，為沿晶形貌[7-10]特征，具有沿晶形貌特征區(qū)域的深度約為55 μm。沿晶形貌特征部位具體位置如圖7所示。進行能譜分析，結(jié)果見表1，除供油管基體材料（0Cr18Ni9不銹鋼）外，還含有外來的Cu元素。

放大觀察斷口疲勞擴展區(qū)，可見清晰、細(xì)密的疲勞條帶形貌特征，如圖8所示，表明該裂紋性質(zhì)為高周疲勞裂紋[6]。

圖7 沿晶部位能譜分析位置

表1 斷口表面沿晶形貌特征部位能譜分析結(jié)果 w/%

圖8 裂紋斷口疲勞擴展區(qū)疲勞條帶放大形貌

1.3 疲勞源區(qū)附近表面觀察

疲勞源區(qū)附近表面可見明顯的晶粒殘留，開裂位于釬焊焊料與導(dǎo)管的交界處，如圖9所示。斷口對偶面源區(qū)附近表面的沿晶開裂放大形貌如圖10所示，其特征更為明顯[5]。

圖9 疲勞源區(qū)附近表面形貌

圖10 斷口對偶面源區(qū)附近表面的沿晶開裂形貌

1.4 其它釬焊焊接表面觀察

對供油管另一側(cè)的導(dǎo)管和平管嘴接頭處的焊縫附近區(qū)域進行宏觀觀察，同樣可見沿晶特征，如圖11所示，與發(fā)生裂紋故障一側(cè)接頭的沿晶形貌基本一致。

圖11 供油管另一側(cè)管接頭的焊縫處宏觀圖像

1.5 材質(zhì)分析

1.5.1 成分分析

對供油管基體進行能譜分析，結(jié)果見表2，與不銹鋼0Cr18Ni9合金的化學(xué)成分基本相符。

表2 斷口表面沿晶形貌特征部位能譜分析結(jié)果 w/%

1.5.2 組織檢查

將供油管裂紋沿如圖12所示黑色虛線解剖，取樣后進行組織檢查，試樣宏觀圖像如圖13所示。焊接邊緣存在2處凹坑，靠近焊接邊緣的凹坑深約0.112 mm，約占管壁厚的1/8，裂紋位于該凹坑內(nèi)部。

圖13 組織試樣宏觀圖像

圖12 解剖位置

放大觀察裂紋區(qū)，供油管外表面?zhèn)鹊木Я＞Ы缜逦梢姡揖Ы绱嬖诿黠@的粗化現(xiàn)象，晶界粗化的晶粒沒有明顯的長大現(xiàn)象，裂紋前期沿粗化的晶界開裂，如圖14所示。

圖14 裂紋區(qū)附近組織形貌

觀察釬焊焊接區(qū)的導(dǎo)管基體外表面，同樣存在晶界粗化特征，如圖15所示。該區(qū)域釬焊后不與外界接觸，后續(xù)的處理包括酸洗、拋修等對該區(qū)域無影響。因此，判定晶界粗化應(yīng)在釬焊過程中產(chǎn)生。對比分析發(fā)現(xiàn)該處晶界粗化組織形貌與裂紋產(chǎn)生區(qū)域的組織形貌大體一致，且組織連續(xù)，表明裂紋區(qū)的晶界粗化也是在釬焊過程中形成的。

圖15 其他釬焊焊接區(qū)的管外表面組織形貌

存在晶界粗化現(xiàn)象的區(qū)域可延伸至距焊接邊緣約4.28 mm處，如圖16所示；遠(yuǎn)離焊接區(qū)的管表面未見類似晶界粗化現(xiàn)象，如圖17所示；導(dǎo)管基體組織如圖18所示，晶粒度為5級，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖16 晶界粗化距焊接邊緣距離

圖17 遠(yuǎn)離焊接區(qū)導(dǎo)管表面

圖18 導(dǎo)管基體組織

2 分析與討論

通過上述觀察和分析可知，供油管裂紋性質(zhì)為高周疲勞裂紋，沿釬焊焊接區(qū)邊緣的導(dǎo)管外表面晶界處起源，呈多源特征，在裂紋源區(qū)及其附近區(qū)域存在晶界粗化和沿晶裂紋現(xiàn)象。

在釬焊焊接部位及焊接邊緣存在晶界粗化現(xiàn)象。晶界粗化一般是由于金屬過熱過燒、腐蝕或氧化所導(dǎo)致。一方面，過熱過燒產(chǎn)生晶界粗化一般伴隨著奧氏體晶粒長大或熔融；另一方面，氧化一般伴隨著元素貧化。經(jīng)分析可知，故障供油管釬焊部位的晶界粗化區(qū)域均未見晶粒長大及元素貧化現(xiàn)象，表明該處的晶界粗化與過熱過燒及氧化無直接關(guān)系。

在斷口源區(qū)發(fā)現(xiàn)釬焊料中的Cu元素，表明焊料元素進入供油管基體。這主要是在釬焊過程中，由于溫度過高或時間過長，導(dǎo)致釬料沿基體晶界擴散，使焊接及其附近區(qū)域的材料基體表面發(fā)生晶界粗化，從而引起晶界弱化，削弱接頭性能[11]。

通過對裂紋附近的晶界粗化部位放大觀察發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)管未焊接表面存在焊料殘留現(xiàn)象，表明原始釬焊焊接范圍過大，后期經(jīng)人工打磨去除，如圖19（a）所示；放大觀察晶界粗化區(qū)，焊料沿晶界擴散，如圖19（b）所示。對試樣剖光后進行Cu元素面分布分析如圖20所示，可見Cu元素沿導(dǎo)管基體晶界擴散。

圖19 晶界粗化區(qū)域放大形貌

圖20 晶界粗化區(qū)域Cu元素擴散

在釬焊過程中，一般釬料組分先向釬焊金屬擴散，當(dāng)達(dá)到飽和溶解度后，釬焊金屬才熔入釬料中。鐘棟梁等[12]用銅基釬料釬焊鋼件，在1150℃下保溫2 min，焊縫中的釬料含鐵量增至4.7%，表明在釬焊過程中，釬焊金屬確實會溶入釬料中。釬料在釬焊金屬中溶解度越小，達(dá)到飽和狀態(tài)的時間越短，也越容易發(fā)生焊接金屬的腐蝕；釬料和焊接金屬相同，釬焊溫度越高、保溫時間越長、間隙越大、釬料越多，溶解作用更強，腐蝕也越嚴(yán)重。

本文對故障供油管的釬料表面進行能譜分析，結(jié)果見表3。從表中可見，釬料中的Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)已達(dá)到6.54%，遠(yuǎn)大于原始釬料中的Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)（≤1.5%），同時還發(fā)現(xiàn)少量的Cr元素，進一步證明了釬料組分與釬焊金屬的相互擴散過程確實存在。

Cu基釬料中的Cu元素向?qū)Ч芑w擴散，當(dāng)Cu逐步富集到超過其在γ-Fe中的溶解度時，會在表面形成熔點較低（約950℃）的富銅相，該液態(tài)焊料會沿奧氏體晶界滲入，在晶界上形成Cu與基體的共晶體。共晶體較脆，導(dǎo)致基體晶界脆化。當(dāng)零件表面受到拉應(yīng)力時，會發(fā)生開裂，形成沿晶裂紋，即“銅脆”[13-14]。一般來說，若釬料中含有銅、鎘和錫等組分時，經(jīng)釬焊而滲入到金屬晶界后，會產(chǎn)生“銅脆”、“鎘脆”和“錫脆”。

供油管在發(fā)動機上是兩端固定連接[15]，中間部分為懸空狀，在發(fā)動機工作過程中會受到振動載荷作用，會進一步加速裂紋的萌生和擴展。

對材質(zhì)分析表明，供油管基體的成分及組織均未見異常。因此，供油管斷裂的發(fā)生應(yīng)與其材質(zhì)無關(guān)。

表3 故障供油管釬料表面能譜分析結(jié)果 w/%

3 總結(jié)及建議

（1）某型發(fā)動機供油管導(dǎo)管與平管嘴焊縫處的裂紋為高周疲勞裂紋，呈多源起始特征；

（2）在釬焊過程中產(chǎn)生由于釬料Cu元素沿晶擴散所致的晶界粗化和“銅脆”所致的沿晶裂紋，降低了供油管抗疲勞性能，在振動應(yīng)力的作用下，供油管過早萌生疲勞裂紋并擴展；

（3）供油管疲勞斷裂與其材質(zhì)無關(guān)；

（4）鋼制零件的焊接應(yīng)盡量避免選用Cu基焊料。由于供油管工作溫度不高，宜選用熔點低的Ag釬料。波音747客機發(fā)動機的高壓燃油導(dǎo)管由Ag釬料焊接而成，對報廢的管進行檢查未見沿晶裂紋缺陷[9]。