GH4698高温合金螺栓断裂原因
螺栓是航空发动机中的重要连接件，对发动机的稳定运行起着重要作用，航空发动机涡轮盘的固定螺栓不仅要承受较高的工作温度，还要承受高转速带来的高载荷。
某型航空发动机低压涡轮盘上的一颗螺栓发生断裂，该螺栓材料为GH4698高温合金，其生产工艺流程为:切割下料→热处理(一次固溶+二次固溶+时效)→机加工→滚螺纹→荧光检查。装配发动机时，该螺栓用于插入涡轮盘和挡圈通孔，并在涡轮盘另一面对应位置使用垫圈(材料为1Cr18Ni9Ti钢)和锁紧螺母(材料为GH4033高温合金)进行固定，工作温度为560~580℃，螺母拧紧力矩为7.84~9.8N·m，涡轮盘及其螺栓装配宏观形貌如图1所示。
为查明该螺栓断裂的原因，来自中国航发航空科技股份有限公司的李欣、詹平、全琼蕊三人对其进行了理化检验及分析。
1 理化检验 1.1 宏观观察 该GH4698高温合金螺栓断裂位置为螺栓夹层，基本位于垫圈与螺母的配合处，螺栓断裂前后宏观形貌如图2所示。将断裂的螺栓组件拆卸，在体视显微镜下观察，可见整个断面较为平坦，基本呈现出沿晶断裂形貌，螺栓断口的宏观形貌如图3所示。 由图3可知，裂纹源区(A区)在螺牙底部圆周范围内分布，裂纹向螺栓内部扩展；扩展区(B区)面积约占整个断面面积的60%，断面粗糙；中心区域(C区)为瞬断区，呈纤维状。 从螺栓侧面进行观察，螺栓断口附近未见明显的颈缩变形或微裂纹，断裂两侧断口能够完全吻合，裂纹一侧与无裂纹一侧的螺栓与挡圈配合段的圆周表面形貌有明显差异，裂纹侧圆周表面呈光亮金属色，而无裂纹一侧圆周表面的金属色已基本磨损(见图4)。对垫圈进行宏观观察，可见左右两侧压痕深度和压痕形貌有明显差异(见图5)。 1.2 断口分析 在扫描电镜(SEM)下观察螺栓断口形貌。裂纹源区附近未见明显的夹杂缺陷[见图6a)]，裂纹源区断口为类解理形貌,局部可见疲劳条带[见图6b)]，扩展区可见明显的沿晶二次裂纹[见图6c)]，瞬断区为类解理断裂形貌[见图6d)]。 1.3 金相检验 将螺栓断口沿纵向截面取样，用光学显微镜观察抛光态和腐蚀态的显微组织。在断面附近均未见夹杂缺陷，可见明显的沿晶二次裂纹，晶粒度为 0~1级(见图7)。 在断裂螺栓上取样观察螺纹的微观形貌，可见未断裂部分螺纹完整性较好，未见明显加工缺陷[见图8a)]。分析正常未断裂螺栓的显微组织[图8b)]，可见未断裂螺栓的晶粒尺寸要明显小于断裂螺栓，其晶粒度为3~4级。 1.4 化学成分分析 对断裂螺栓进行取样，采用ICP-OES(电感耦合等离子体发射光谱仪)进行化学成分分析，结果均符合技术要求。 2 分析与讨论 正常情况下装配螺栓时，螺母拧紧并锁定会对螺栓产生轴向拉应力，而螺栓挡圈配合段圆周两侧有明显的压痕差异。垫圈两侧不同的压痕形貌均表明：断裂螺栓在装配后产生了偏斜拉应力。当螺栓产生偏斜时，随着偏斜角度的增大，附加弯曲应力不断增大，螺栓的整体承载能力、疲劳寿命等均会出现 显著下降。 通常情况下，材料的晶粒越细小，其强度、塑性和冲击韧性就越高，而在高温条件下，粗晶材料的蠕变强度和持久强度较细晶材料的更高。一般在750~800 ℃时,GH4698高温合金的晶界强化作用增强，而粗大的晶粒会使晶界长度变短，晶界强化作用变弱，在应力作用下会产生沿晶断裂。GH4698高温合金螺栓的化学成分虽然满足技术要求，但与正常螺栓相比，其晶粒较为粗大。常温下，晶界能够阻止裂纹扩展，粗大的晶粒会降低材料的抗疲劳能力，因此晶粒粗大也会使螺栓发生断裂。 该发动机在试车过程中，螺栓受轴向应力、弯曲应力以及发动机振动的共同作用，在螺纹夹层处的缺口敏感性会增大，并产生裂纹源，材料晶粒粗大也会使得裂纹在扩展区快速沿晶扩展，最后在中心位置产生瞬断。 3 预防及改进措施 细化装配工艺可在一定程度上避免螺栓因装配不当而产生偏斜。由于现行工艺中没有对螺栓晶粒度的要求，因此螺栓各批次的晶粒度差异较大。将原热处理工艺(1120℃×8h，空冷+1000℃×4h，空冷+775℃×16h，空冷)调整为(1110℃×2h，空冷+1000℃×4h，空冷+775℃×16h，空冷)，不同温度下螺栓的力学性能和晶粒度检测结果如表1所示，从表1可以看出，由于晶粒细化，室温(23℃)下螺栓的力学性能有所提高，高温(750℃)下其力学性能有所下降，与上述分析结果相符。同时，对该螺栓进行了装机试验，螺栓均未出现裂纹或断裂。 表1 不同温度下螺栓的力学性能和晶粒度检测结果
