1Cr18Ni9Ti回油管開裂失效分析

孫睿毓 佟文偉 張開闊 劉博志

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所）

0 引言

1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼具有良好的塑性和韌性，同時也具有良好的焊接性，可用各種方法進行焊接，而且焊接接頭不存在淬火硬化區(qū)，又有很強的加工硬化能力，所以即使受焊接熱影響而軟化的區(qū)域，其抗拉強度仍然滿足設(shè)計要求[1-3]，因此在各類管件及其焊接組合件中得到廣泛應(yīng)用。

某發(fā)動機渦輪后機匣回油管組件由回油管接頭和回油管釬焊[4]而成，二者所用材料均為1Cr18Ni9Ti，焊料為某種銅-鎳焊絲。工作過程中，渦輪后機匣部位漏油，檢查發(fā)現(xiàn)回油管組件開裂?；赜凸芙M件通過螺釘固定于發(fā)動機渦輪后機匣的外涵承力環(huán)上，供軸承滑油系統(tǒng)回油。航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)是發(fā)動機重要組成部分，其功能是保障發(fā)動機摩擦件的潤滑、帶走傳動件產(chǎn)生的熱量、凈化發(fā)動機運轉(zhuǎn)磨損產(chǎn)生的金屬微粒、在金屬部件表面形成油膜防止金屬氧化和腐蝕[5]?；拖到y(tǒng)異常會引起發(fā)動機故障[6]，該回油管組件的裂紋導(dǎo)致滑油泄漏量增大，滑油消耗量明顯增加，為杜絕隱患發(fā)動機停止工作。故障回油管組件的加工過程為：將已經(jīng)彎曲成型的管子和回油管接頭在組合夾具上進行裝配定位焊，定位焊后從夾具上取下組件，并在自由狀態(tài)下完成氧-乙炔釬焊，焊后按設(shè)計圖要求對焊縫進行著色檢查、釬焊縫外觀檢查、液壓試驗及最終檢驗，然后入機加車間進行后續(xù)機械加工。

本文通過對故障回油管組件進行宏觀檢查、斷口分析、源區(qū)側(cè)表面分析、壁厚測量、材質(zhì)分析等工作，確定了回油管組件的開裂原因，并給出加工工藝方面的相關(guān)改進意見。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

故障回油管組件宏觀形貌見圖1，裂紋位于回油管接頭菱形安裝端下方約2.5mm 處（圖1 中箭頭所指處）。裂紋放大形貌見圖2，在裂紋附近可見明顯的機械加工刀痕。裂紋在箭頭a所指處彎折，其余部分均沿加工刀痕方向擴展，擴展長度約占油管周長的四分之三。

圖1 回油管組件宏觀形貌Fig.1 Macro appearance of the oil return pipe

圖2 裂紋放大形貌Fig.2 Macro appearance of the crack

1.2 斷口分析

圖3 為裂紋斷口的宏觀形貌，斷口呈黃褐色，斷面較粗糙。根據(jù)斷口特點可以分為三個區(qū)域，A 區(qū)為圖3中箭頭所指區(qū)域，為一凹槽區(qū)，與圖2中的箭頭a所指的部位相對應(yīng)；B區(qū)為凹槽兩側(cè)的斷口表面，呈淺褐色，與圖2中裂紋沿加工痕跡周向擴展的部分相對應(yīng)；C區(qū)為打開裂紋時的切割平面，表面光滑，呈銀白色。回油管斷裂部位存在明顯的壁厚不均現(xiàn)象，裂紋部位壁厚較薄，未開裂部位壁厚較厚。

圖3 中箭頭A 所指凹槽處斷口低倍形貌見圖4，該部位斷口可以分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)三個區(qū)域。

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macro appearance of the fracture surface

圖4 凹槽處斷口低倍形貌Fig.4 Micro appearance of the fracture surface in the groove

斷口Ⅰ區(qū)為左側(cè)的半個扇形區(qū)，其放大形貌見圖5（a），有明顯的放射棱線和疲勞弧線[7]，表明斷口Ⅰ區(qū)斷裂性質(zhì)為疲勞，疲勞起源于回油管內(nèi)壁，且呈線性起始特征；斷口Ⅰ區(qū)擴展區(qū)放大形貌見圖5（b），為細密的疲勞條帶形貌。

圖5 斷口Ⅰ區(qū)放大形貌Fig.5 Micro appearance of the fracture surface of the zoneⅠ

斷口Ⅱ區(qū)為右側(cè)的弧形區(qū)，其放大形貌見圖6（a），同樣有明顯的放射棱線和疲勞弧線，表明Ⅱ區(qū)斷口也起源于回油管內(nèi)壁的疲勞斷口；斷口Ⅱ區(qū)的擴展區(qū)形貌見圖6（b），細密的疲勞條帶形貌。

圖6 斷口Ⅱ區(qū)放大形貌Fig.6 Micro appearance of the fracture surface of the zone Ⅱ

斷口Ⅲ區(qū)放大形貌見圖7，為靠近回油管外壁的一個狹長區(qū)域，可見多個小臺階，每個臺階表面也可以看到明顯的疲勞條帶，表明斷口Ⅲ區(qū)斷裂性質(zhì)為多源疲勞；從疲勞條帶的擴展方向判斷，Ⅲ區(qū)疲勞起源于回油管外表面。

圖7 斷口Ⅲ區(qū)放大形貌Fig.7 Micro appearance of the fracture surface of the zone Ⅲ

斷口Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的擴展較充分，約占A 區(qū)斷口面積的80%，Ⅲ區(qū)擴展面積較小，起源較多且不在同一個斷面上，表明回油管接頭處的疲勞裂紋先在管壁內(nèi)表面多源起始，裂紋擴展到一定程度后，油管外表面也開始萌生疲勞裂紋，并相向擴展，最后在三區(qū)交匯處形成一個三角形的瞬斷區(qū)。

對凹槽區(qū)內(nèi)斷口表面進行能譜分析，結(jié)果見表1，主要為基體1Cr18Ni9Ti，未見異常元素，說明裂紋在凹槽內(nèi)的擴展在回油管接頭基體上。

表1 凹槽區(qū)斷口表面能譜分析結(jié)果（W%）Tab.1 Energy spectrum analysis results of fracture surface in the groove（W%）

斷口凹槽區(qū)以外表面（圖3 中斷口B 區(qū)）放大形貌見圖8，部分?jǐn)嗫诒砻鏋闇\韌窩形貌，為快速斷裂特征，見圖8；對斷口表面進行能譜分析，結(jié)果見表2，主要成分為Cu 和Ni，應(yīng)為銅-鎳焊料的成分，因此B 區(qū)的裂紋是沿接頭和回油管連接的焊縫擴展。

圖8 斷口B區(qū)放大形貌Fig.8 Micro appearance of the fracture surface of the zone B

表2 斷口B區(qū)能譜分析結(jié)果（W%）Tab.2 Energy spectrum analysis results of fracture surface of the zone B（W%）

1.3 壁厚測量

對故障回油管組件接頭處斷口部位進行壁厚測量，結(jié)果見表3，斷口疲勞區(qū)（A 區(qū)）壁厚最薄，約為0.32mm；線切割區(qū)（C 區(qū)）壁厚最厚，約為0.94mm；沿焊縫斷裂區(qū)（B 區(qū)）壁厚較厚處約0.75mm；設(shè)計要求焊接部位加工完畢后壁厚為2.00mm 左右。測量結(jié)果表明，故障回油管組件接頭處壁厚不均且都小于設(shè)計要求。

表3 回油管斷口部位壁厚測量結(jié)果（mm）Tab.3 Wall thickness of the oil return pipe

1.4 斷口源區(qū)附近側(cè)表面分析

故障回油管組件斷口源區(qū)附近管壁內(nèi)表面放大形貌見圖9（a），紅線之間的區(qū)域為焊接表面形貌，進一步放大形貌見圖9（b），有明顯的焊接晶粒和較多的小裂紋；紅線以下的部分為回油管接頭基體內(nèi)壁表面形貌，有加工和磨損痕跡。斷口源區(qū)附近管壁外表面放大形貌見圖10，回油管接頭基體處有較重的加工痕跡和較多的小裂紋，且小裂紋的走向與加工痕跡一致；焊縫處有密集平直的加工痕跡，裂紋沿加工痕跡擴展。

圖9 斷口源區(qū)附近管壁內(nèi)表面形貌Fig.9 Micro appearance of the inner wall surface near the source region

圖10 斷口源區(qū)附近管壁外表面形貌Fig.10 Micro appearance of the outer wall surface near the source region

1.5 材質(zhì)分析

對故障回油管組件接頭和回油管的基體分別進行能譜分析，結(jié)果見表4，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 回油管組件基體能譜分析結(jié)果 (W%)Tab.4 Energy spectrum analysis results of matrix of the oil return pipe

對故障回油管組件接頭和回油管的基體分別進行金相分析，組織形貌見圖11，均為奧氏體組織[8]，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 故障回油管組件基體組織Fig.11 Microstructure of the oil return pipe

2 分析討論

故障回油管組件裂紋包括沿接頭基體開裂和沿焊縫開裂兩部分。斷口A 區(qū)（凹槽內(nèi)）成分主要為1Cr18Ni9Ti 基體，說明裂紋A 區(qū)沿著接頭基體開裂。斷口A 區(qū)表面有疲勞弧線、疲勞條帶等典型的疲勞特征，說明A區(qū)斷裂性質(zhì)為疲勞，且是沿油管組件接頭內(nèi)、外壁雙向起始的多源疲勞，以內(nèi)壁起源為主。內(nèi)壁起始的疲勞擴展區(qū)約占凹槽內(nèi)總面積的80%，外壁起始的疲勞擴展較少，且形成多個臺階，說明在疲勞擴展的后期承受了較大的應(yīng)力[9]。斷口B 區(qū)表面主要為銅-鎳焊料成分，斷口形貌主要為焊料熔滴形貌，因此斷口B 區(qū)沿回油管接頭與回油管焊縫開裂。

故障回油管組件斷口處壁厚測量結(jié)果表明，故障回油管組件接頭焊接處壁厚均小于設(shè)計要求，且存在明顯的壁厚不均現(xiàn)象。復(fù)查回油管組件焊縫處壁厚加工工藝發(fā)現(xiàn)，接頭焊接處的加工過程為先在回油管接頭上加工出與油管對接的φ20內(nèi)孔，然后與油管焊接成組件，夾緊菱形安裝端加工φ22 的外圓，采用互為基準(zhǔn)原則來完成產(chǎn)品。然而，在組件加工過程中，由于零件懸伸過長（油管長度約為80mm），而零件夾緊長度僅為2.5mm，裝夾不穩(wěn)定，加工過程中操作困難；而且加工過程中零件存在重復(fù)定位誤差，致使零件φ20的內(nèi)孔與φ22 的外圓同軸度偏差較大，導(dǎo)致零件壁厚尺寸薄厚不均。同時，受組件結(jié)構(gòu)限制無法實現(xiàn)組件加工后對壁厚尺寸的檢測，因此，造成了沒有及時發(fā)現(xiàn)壁厚偏薄及壁厚不均勻的問題。尤其是沿接頭基體擴展的疲勞裂紋區(qū)壁厚嚴(yán)重偏薄，更容易造成回油管接頭強度儲備不足，導(dǎo)致疲勞裂紋過早萌生[10]。

故障回油管組件斷口源區(qū)附近側(cè)表面分析結(jié)果表明，回油管接頭斷口內(nèi)、外壁表面都有明顯的機械加工刀痕，破壞了回油管組件的表面完整性，在發(fā)動機工作過程中易引起較大的應(yīng)力集中，促進了疲勞裂紋的萌生[11]。在斷口疲勞源區(qū)附近還有較多與加工刀痕方向一致的小裂紋，表明故障回油管在工作過程中受到了較大的載荷作用，也會促進疲勞裂紋的萌生和擴展[12]。

故障回油管組件接頭和回油管基體的成分分析和組織分析結(jié)果均符合設(shè)計要求，因此，回油管組件的開裂與材質(zhì)無直接關(guān)系。

綜上所述，回油管組件接頭部位焊接處壁厚偏薄，且壁厚不均是導(dǎo)致回油管組件疲勞開裂的主要原因。回油管組件通過接頭安裝座用螺釘固定于渦輪后機匣的外涵承力環(huán)上，接頭與回油管末端與發(fā)動機上其他導(dǎo)管相連固定，存在一定的裝配應(yīng)力；且在發(fā)動機工作過程中，回油管組件會隨整機振動承受一定的動應(yīng)力[13]，因此，在安裝座附近則會有較大的應(yīng)力集中。斷口A 區(qū)壁厚嚴(yán)重超薄，導(dǎo)致該處實際受力面積顯著減小，承受的實際應(yīng)力明顯增大，因此裂紋會在壁厚最薄處先開裂。疲勞萌生和擴展后，油管未開裂部分承受的實際應(yīng)力不斷增大，而油管基體壁厚隨著裂紋的擴展周向在逐漸增厚，釬焊焊縫則變?yōu)樽畋∪醯牟课籟14-15]，因此裂紋后期沿著焊縫迅速擴展，導(dǎo)致了回油管組件漏油故障的發(fā)生。另外，回油管組件管壁內(nèi)外表面加工刀痕引起的應(yīng)力集中和焊縫處的焊接殘余應(yīng)力，對回油管組件的疲勞開裂也有促進作用[16]。

3 結(jié)論與改進建議

故障發(fā)動機回油管組件裂紋性質(zhì)為沿接頭處管壁內(nèi)外表面雙向起始的多源疲勞，且以內(nèi)壁起始的疲勞裂紋擴展為主?；赜凸芙宇^焊接處局部壁厚嚴(yán)重偏薄是導(dǎo)致回油管組件過早萌生疲勞裂紋的主要原因；回油管接頭焊接處壁厚不均、回油管組件裝配狀態(tài)產(chǎn)生的裝配應(yīng)力、工作過程中承受的動應(yīng)力、管壁內(nèi)外表面加工痕跡引起的應(yīng)力集中以及焊縫處的焊接殘余應(yīng)力對回油管組件的疲勞開裂有促進作用。

根據(jù)上述分析結(jié)果，建議在回油管組件加工過程中調(diào)整部分加工工藝。由于零件單件機加工藝性優(yōu)于組件機加工藝性，故將回油管組件接頭焊接處在組件中加工的尺寸改為在單件中加工，φ20內(nèi)孔與φ22外圓可在單件加工過程中可在一次裝夾中完成，能夠有效保證零件壁厚均勻。同時，在單件加工完成后，增加零件壁厚尺寸測量的工序，保證焊接處壁厚符合設(shè)計要求。