某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣焊接接頭裂紋分析及改進(jìn)

魏奇征　姜寧　劉博志

摘? 要：某型發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中發(fā)生了低壓渦輪機(jī)匣與測壓座焊接接頭裂紋故障，通過對故障件的失效分析、設(shè)計(jì)復(fù)查、工作溫度分析等工作，確定了故障原因：由于焊接變形導(dǎo)致裂紋源區(qū)處實(shí)際壁厚小于設(shè)計(jì)值;裂紋源區(qū)位于焊接熱影響區(qū)，其材料力學(xué)性能會(huì)有一定衰減;故障部位存在長時(shí)間材料超溫使用的問題。上述因素共同作用，造成故障部位實(shí)際工況更加苛刻，導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生。通過對低壓渦輪機(jī)匣改進(jìn)設(shè)計(jì)，改善了故障部位的工作環(huán)境，并完成了試車考核驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：渦輪機(jī)匣;焊接接頭;裂紋

中圖分類號(hào)：V235.13+3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

渦輪機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的靜子機(jī)匣之一，其主要承受較高的溫度、內(nèi)外壓差，并傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向力、扭矩和機(jī)動(dòng)載荷等[1]?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣常采用整體環(huán)形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)計(jì)了導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)子外環(huán)定位固定用的環(huán)形掛勾、銷釘/螺栓孔、凹槽等結(jié)構(gòu)。為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)流道燃?xì)鉁y試和流道件孔探檢查的需求，一般會(huì)在渦輪機(jī)匣外壁設(shè)置測試傳感器和觀測孔安裝座。某型發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車過程中，低壓渦輪機(jī)匣與測壓座焊接接頭處出現(xiàn)了裂紋，嚴(yán)重影響了發(fā)動(dòng)機(jī)試車安全。針對該故障，該文從失效分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、溫度/強(qiáng)度等方面分析了裂紋產(chǎn)生的原因，并提出了改進(jìn)措施。

1 故障現(xiàn)象

故障低壓渦輪機(jī)匣與測壓座間的焊接接頭裂紋情況如圖1所示，共有3條裂紋，長度約為20 mm～30 mm，均位于測壓座后端焊接接頭熱影響區(qū)，且有2條裂紋擴(kuò)展至機(jī)匣本體。故障機(jī)匣與測壓座材料均為GH4169，截至故障發(fā)生時(shí)，隨整機(jī)進(jìn)行了200多個(gè)小時(shí)的地面試車。

2 失效分析

2.1 斷口分析

裂紋斷口典型宏觀形貌如圖2所示，斷面較為粗糙，可見放射棱線，裂紋末端可見疲勞弧線，表明該斷口為疲勞斷口。根據(jù)放射棱線和疲勞弧線的方向判斷，疲勞起源于機(jī)匣外表面的焊接接頭熱影響區(qū)，呈多源特征。

在掃描電鏡下觀察，裂紋斷口低倍形貌如圖3所示，可見斷口表面主要呈沿晶斷裂特征;進(jìn)一步放大觀察，可見細(xì)密的疲勞條帶形貌（圖4），證明了該斷口的疲勞性質(zhì)。

2.2 材質(zhì)分析

分別從機(jī)匣裂紋附近部位和其他角向無測試座部位取樣進(jìn)行組織分析，形貌如圖5、圖6所示?？梢钥闯?，裂紋附近部位組織出現(xiàn)δ相在晶粒內(nèi)呈長針狀析出的現(xiàn)象，說明裂紋部位存在材料使用超溫問題，超出了材料長期許用溫度650℃，而無測試座部位組織無明顯異常，符合正常的GH4169組織形貌。

對故障機(jī)匣基體進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1，其主要合金元素成分含量基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

2.4 尺寸測量

對裂紋源區(qū)部位壁厚尺寸進(jìn)行測量，結(jié)果見表2，壁厚僅為1.05 mm～1.14 mm，不滿足圖紙1.34 min的要求，而其他角向非焊接部位的壁厚為1.49 mm～1.67 mm。

2.5 力學(xué)性能

從故障件安裝邊處取非標(biāo)板狀試樣，進(jìn)行室溫拉伸性能試驗(yàn)，結(jié)果見表3，滿足材料標(biāo)準(zhǔn)[2]的力學(xué)性能要求。

3 機(jī)匣設(shè)計(jì)分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝分析

故障低壓渦輪機(jī)匣與測壓座材料均為GH4169，毛料分別為環(huán)鍛件和熱軋棒材，采用固溶+時(shí)效的標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度，機(jī)匣與測壓座采用TIG焊接方法進(jìn)行角焊接。由于GH4169等沉淀強(qiáng)化型鎳基合金有相對較高的焊接熱裂紋敏感性[3]，為避免焊接缺陷，一般安排零件在固溶態(tài)下焊接[4]。因此，如圖7所示，為保證焊接質(zhì)量和關(guān)鍵部位的尺寸精度，在該型號(hào)低壓渦輪機(jī)匣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝路線安排上，要求機(jī)匣和測壓座分別在固溶態(tài)下完成非關(guān)鍵部位尺寸的最終加工以及配合表面尺寸的粗加工、半精加工，然后將兩者焊接成整體，并進(jìn)行時(shí)效熱處理，熱處理后完成其余尺寸的最終加工。

經(jīng)過分析可知，受結(jié)構(gòu)和工藝限制，按照上述安排，會(huì)有以下3點(diǎn)不足。1）針對焊接接頭裂紋處部位，機(jī)匣外、內(nèi)表面分別是在焊接前加工和焊接后加工，由于中間的焊接工序會(huì)使該部位產(chǎn)生一定程度變形、塌陷，導(dǎo)致焊后加工機(jī)匣內(nèi)表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部過切，壁厚尺寸相應(yīng)偏小，與其他部位有明顯不同，表2故障處壁厚測量結(jié)果直接反應(yīng)了該問題。2）受焊接循環(huán)熱輸入的影響，焊接接頭易出現(xiàn)Nb元素偏析、Laves相析出等問題[5]，會(huì)對焊接接頭強(qiáng)度帶來不利影響。一般情況下，在焊接后需進(jìn)行固溶+時(shí)效熱處理，將Laves相回溶，緩解Nb元素偏析[6]，使強(qiáng)化相均勻、彌散析出。由于機(jī)匣為大尺寸、薄壁結(jié)構(gòu)，尺寸精度要求較高，且部分尺寸焊前已完成加工，多次熱處理會(huì)使半成品零件產(chǎn)生較大變形，增大了后續(xù)加工難度。所以，機(jī)匣焊接后僅進(jìn)行了時(shí)效熱處理，以保證母材性能，而焊接接頭部位焊后熱處理相對不夠充分，強(qiáng)度也會(huì)有所下降。3）由于焊縫類型和零件結(jié)構(gòu)上的限制，很難對故障部位焊縫進(jìn)行X光檢查，僅能進(jìn)行表面的滲透檢查，存在焊縫內(nèi)部缺陷會(huì)漏檢的問題。

3.2 工作溫度分析

圖8為低壓渦輪機(jī)匣（無測試座部位）二維溫度場計(jì)算結(jié)果，最高溫度為541℃（814K），低于GH4169材料長期使用溫度650℃，即正常情況下機(jī)匣選材滿足使用要求。而上述金相組織分析結(jié)果表明機(jī)匣同一截面不同角向的材料承受溫度存在差異，機(jī)匣測壓座附近部位溫度要明顯高于無測試座部位。

通過分析，造成機(jī)匣測試座部位溫度偏高的原因與該部位燃?xì)庑孤┯兄苯雨P(guān)系。如圖9所示，測壓傳感器沿著測壓座和渦輪導(dǎo)向葉片的測壓孔插入至發(fā)動(dòng)機(jī)流道中，由于多個(gè)零件的公差累計(jì)，傳感器與測壓孔之間需留有一定的設(shè)計(jì)間隙以保證裝配，這也為燃?xì)庑孤┨峁┝丝臻g，導(dǎo)致流道內(nèi)的燃?xì)膺M(jìn)入到測壓座內(nèi)部，造成其附近的機(jī)匣溫度升高。

圖10為整機(jī)試車后低壓渦輪機(jī)匣外壁面示溫漆測量情況，可以看出機(jī)匣同一位置不同角向的壁溫存在一定差異，無測試座部位的機(jī)匣外壁溫約為410℃～470℃，而測壓座附近的機(jī)匣外壁溫達(dá)到370℃～570℃，兩者最高溫度相差100℃左右。綜合以上分析和測試結(jié)果，測壓座部位的燃?xì)庑孤稌?huì)對其附近機(jī)匣溫度產(chǎn)生較大影響。

3.3 強(qiáng)度復(fù)查

圖11為低壓渦輪機(jī)匣（無測試座部位）二維強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，可以看出其最高工作應(yīng)力為427.7 MPa，屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度儲(chǔ)備分別達(dá)到n0.2=2.0，nb=2.4，具有較高強(qiáng)度儲(chǔ)備，即正常情況下滿足使用要求。

4 故障機(jī)理分析

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，低壓渦輪機(jī)匣與測壓座焊接接頭裂紋產(chǎn)生的因素梳理有3點(diǎn)。1）故障部位外、內(nèi)表面分別在焊前、焊后加工，焊接變形造成該部位實(shí)際壁厚尺寸偏薄，小于圖紙要求。2）裂紋源區(qū)位于焊接接頭熱影響區(qū)范圍內(nèi)，該部位強(qiáng)度會(huì)有所降低，很難達(dá)到母材水平。3）測壓座內(nèi)存在燃?xì)庑孤﹩栴}，造成故障部位實(shí)際使用溫度偏高，超出了GH4169材料長期使用溫度限制值650℃，出現(xiàn)晶粒內(nèi)δ相呈長針狀析出的現(xiàn)象。GH4169材料強(qiáng)化相包括γ"（Ni3Nb）相、γ'（Ni3（Al、Ti））相，其中，γ"相是主要強(qiáng)化相，為體心四方有序結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)定相，在超溫使用過程中會(huì)發(fā)生γ"相向δ相轉(zhuǎn)化[7]，造成材料力學(xué)性能下降。

上述因素共同作用下，使得故障處實(shí)際工作狀態(tài)更加苛刻，與設(shè)計(jì)狀態(tài)偏離，在熱應(yīng)力等載荷作用下產(chǎn)生了疲勞裂紋。

5 改進(jìn)措施及驗(yàn)證情況

根據(jù)故障原因，提出以下2點(diǎn)改進(jìn)措施。1）取消低壓渦輪機(jī)匣與測試座（包括測壓座）之間的焊接結(jié)構(gòu)，兩者采用螺栓連接結(jié)構(gòu)，從而規(guī)避了焊接結(jié)構(gòu)帶來的一系列問題。機(jī)匣螺栓孔為沉頭孔，避免螺栓頭凸出機(jī)匣內(nèi)壁，與其他零件產(chǎn)生裝配干涉。機(jī)匣和測試座螺栓孔與螺栓采用小間隙配合設(shè)計(jì)，以降低公差累計(jì)，保證測試座的定位精度。2）在機(jī)匣內(nèi)腔填充無堿玻璃纖維隔熱層，緩解燃?xì)庑孤C(jī)匣溫度的影響，降低其工作溫度。

目前，貫徹改進(jìn)措施的低壓渦輪機(jī)匣已隨多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)開展了整機(jī)試車考核驗(yàn)證，試車后分解檢查均未見異常，說明改進(jìn)措施有效。

5 結(jié)語

通過此次排故工作可知，由于燃?xì)庑孤兜仍?，渦輪機(jī)匣測試座部位常常會(huì)存在局部溫度較高、溫度梯度較大等問題，再加上常采用焊接結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致該部位很可能是整個(gè)機(jī)匣強(qiáng)度設(shè)計(jì)薄弱點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)提高該部位認(rèn)識(shí)程度，采取合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高零件可靠性。

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