1Cr11Ni2W2MoV钢高压涡轮轴裂纹形成原因_李欣.pdf
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1、 :钢高压涡轮轴裂纹形成原因李欣,詹平,全琼蕊(中国航发航空科技股份有限公司,成都 )摘要:某 钢高压涡轮轴在进行疲劳试验后,其涡轮轴端面和轴体转接处存在沿圆周方向的长度为 左右的穿透性裂纹。采用宏观观察、金相检验、断口分析等方法分析裂纹形成的原因。结果表明:该裂纹性质为疲劳裂纹,涡轮轴的材料正常,裂纹产生的主要原因是涡轮轴的上、下支撑板轴承安装孔同轴度偏差较大,导致涡轮轴在疲劳试验过程中呈偏转状态,最大应力位置发生改变,在端面和轴体的拐角处产生应力集中,促使裂纹形成。关键词:航空发动机;涡轮轴;疲劳寿命;同轴度中图分类号:;文献标志码:文章编号:()收稿日期:作者简介:李 欣(),女,本科,
2、工程师,主要从事航空发动机材料研究工作,(,):,:;钢具有良好的强度、韧性和一定的抗腐蚀性,经常用于航空发动机中 下工作的盘件、叶片和轴等零部件。航空发动机中的压气机转子轴、涡轮转子轴等是发动机中传递功率的重要部件,通常称为主轴,主轴失效会产生极其严重的后果。由于航空发动机的工作特点,主轴需承受扭矩、轴向力、弯矩及振动扭矩等多种载荷,因此对主轴在复合载荷下的疲劳寿命提出了极高要求。发动机的台架在试车过程中很难实现主轴的真实工作状态,通常是设计专门的试验器对主轴施加复合载荷,以估算其疲劳寿命。某型航空发动机的高压涡轮轴在试验器中进行疲劳试验,涡轮轴结构如图所示。在完成了 次低循环、次高循环疲劳
3、试验后,弯矩载荷不稳定,加弯轴异常偏转,试验暂停,检查轴试验器后,发现高压涡轮轴产生裂纹。笔者采用一系列理化检验方法分析了裂纹产生的原因,提出了改进意见。图涡轮轴结构示意理化检验宏观观察高压涡轮轴断裂的特征为:凸台与轴身拐角处产生穿透性裂纹,轴体出现了较大扭转变形,不能将李 欣,等:钢高压涡轮轴裂纹形成原因轴体从试验器中正常拆卸,因此在裂纹附近对轴身进行了切割,裂纹宏观形貌如图所示。裂纹基本沿转接拐角处周向分布,裂纹尾部与主裂纹呈 角,沿轴体扩展,裂纹两侧外形吻合,可见明显的二次裂纹。裂纹两侧在轴体拐角处有明显变形。轴体外表面可见沿圆周方向的磨损烧蚀特征 见图),裂纹区域台阶上的销子均有不同程
4、度磨损 见图)。图高压涡轮轴裂纹宏观形貌图轴体外表面烧蚀区和连接销磨损区宏观形貌在裂纹处剖开试样,可见断面有两种差异较大的特征,断面中部区域(区域)平坦,该区域裂纹扩展路径均沿轴体和端面台阶的圆周分布,该区域长度约为,占裂纹长度的;断面两侧区域(区域)起伏明显,且可见沿圆周和壁厚方向的大应力撕裂特征,区域为人工打断区(见图)。图断口宏观形貌通过宏观断口的放射棱线可判断裂纹起源于区,裂纹产生于轴体外表面与端面台阶转接拐角处圆周表面,裂纹源区呈多处点源或线源形式。断口分析在扫描电镜()下观察断口形貌,可见断面磨损严重(见图)。断口区可见解理河流状花样,区可见大应力撕裂快速扩展和磨损特征,区呈现韧窝
5、特征。断口个区域的 形貌如图所示。图断面裂纹源区及裂纹附近轴体表面的 形貌沿裂纹附近的拐角处纵向取样,观察拐角处截面与轴身的显微组织(见图),由图可知:材料的显微组织正常,为板条状马氏体。李 欣,等:钢高压涡轮轴裂纹形成原因图断口个区域的 形貌图轴体拐角处截面与轴身的显微组织形貌化学成分分析、硬度测试和力学性能测试在轴体裂纹附近取样,并进行化学成分分析、硬度测试和力学性能测试,结果如表,所示。由表,可知,结果均符合锻件的验收要求。表试样的力学性能和硬度测试结果项目抗拉强度 屈服强度 断后伸长率断面收缩率硬度试样实测值 试样实测值 标准值 应力分析检查涡轮轴试验器的上、下支撑板轴承安装孔的同轴状
6、况,测得其同轴度为,对涡轮轴进行设计状态和偏转状态的应力分析。在试验设计状态下,高压涡轮轴等效应力分布如图,所示,高压涡轮轴最大应力位置在锁片槽根部倒圆位置,此时凸台根部倒圆位置截面的平均应力为 ,应力集中系数为;锁片槽根部倒圆位置截面平均应力为 ,应力集中系数为。表试样的化学成分分析结果项目质量分数 实测值 标准值 根 据 上、下 支 撑 板 轴 承 安 装 孔 同 轴 度 为(上 支 撑 板 相 对 于 下 支 撑 板 轴 线 偏 离),高压涡轮轴偏转如图 所示,对偏转状态下的高压涡轮轴进行应力分析(见图,),高压涡轮轴最大应力位置变为凸台根部倒圆处,此时凸台根部倒圆位置截面平均应力为 ,
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