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 ，
7、应力李 欣，等：钢高压涡轮轴裂纹形成原因图设计状态下高压涡轮轴应力分布图设计状态下高压涡轮轴凸台根部截面等效应力云图集中系数为；锁片槽根部倒圆位置截面平均应力为 ，应力集中系数为。图 高压涡轮轴偏转示意图 偏转状态下高压涡轮轴应力分布图 偏转状态下凸台根部截面等效应力云图根据对比设计与偏转状态下的应力分布，由于弯矩载荷的存在，设计状态下凸台根部倒圆处截面应力分布不均匀，但差别不大，而受试验件偏转的影响，凸台倒圆处应力分布不均匀程度进一步增大。高压涡轮轴凸台根部截面设计状态与偏转状态下各方向应力分布如图 所示。高压涡轮轴凸台根部截面设计状态与偏转状态下应力计算结果如表所示。表高压涡轮轴凸台根部截
8、面设计状态与偏转状态下应力计算结果 应力类型试验设计状态偏转状态平均应力 最大等效应力 最大轴向应力 最大周向应力 最大径向应力 图 高压涡轮轴凸台根部截面设计状态与偏转状态下各方向应力分布综合分析高压涡轮轴的裂纹源区呈多源特征，源区轴体表面的机械加工刀痕完整，在断口上发现严重磨损痕迹，轴体变形较大。高压涡轮轴的化学成分分析结果和力学性能测试结果均正常。复查零件的生产、装配和试验过程，发现上、下支撑板轴承安装孔同轴度偏差较大。涡轮轴偏转后最大应力位置变为凸台根部倒圆拐角处（与实际裂纹产生位置吻合），该处截面的平均应力由 增大至 ，应力集中系数由 增大至，相比试验设计状态，应力集中改变使零件的疲
9、劳寿命出现大幅下降。试验器安装时，上、下支撑板的轴承安装孔不同轴，使得高压涡轮轴与高压压气机传动轴不同轴，进一步引起轴向力加载方向与高压涡轮轴试验件不同轴，从而造成高压涡轮轴凸台根部倒圆拐角处周向应力不均匀；在较高的低周应力和高周应力共同作用下，应力集中区域的抗疲劳性能降低，导致裂纹萌生；裂纹持续扩展达到一定长度后，涡轮轴在持续载荷的作用下发生扭曲变形，导致应力进一步分布不均，断口快速撕裂扩展。结论根据分析结果，制订了改进和预防措施：在试验器设计图中增加上、下支撑板轴承安装孔的同轴度 的要求，增加试验装配过程中的检测工装，保证装配过程中同轴度的实时调整。（下转第 页）王晓兰，等：钢油缸断裂原因
10、化物的形状、数量及分布，使其往越短、越窄、越少及分散状的方向发展。油缸内壁组织不均匀，各部位组织及硬度相差较大，说明油缸整体热处理存在问题。材料在淬火时未完全淬透成马氏体，导致有些区域为贝氏体、铁素体，回火不充分导致有些区域为回火马氏体、回火屈氏体，即未全部得到回火索氏体，故组织状态不满足要求。凹坑、裂纹破坏了表面的连续性，在工作载荷的作用下，材料表面极易产生应力集中而成为裂纹源，裂纹进一步扩展发生断裂；热处理不充分导致组织不理想且不均匀，易产生组织内应力，在受力变形过程中促使裂纹进一步扩展而发生断裂。因此，要严格控制油缸的表面状态及热处理工艺，确保获得较好的表面质量及均匀的回火索氏体组织。结
11、语油缸断裂主要与硫元素质量分数超标、硫化物聚集、表面凹坑缺陷及热处理不均匀有关。硫元素易产生“热脆”现象，降低钢的延展性与韧性，在后期钢材的轧制或锻造过程中萌生出裂纹。聚集的条状夹杂物破坏了基体的连续性，在后期加工变形过程中，因夹杂物与基体变形不一致而产生微裂纹。表面凹坑缺陷易产生应力集中，成为裂纹源。油缸热处理淬火、回火不充分导致整体组织不均匀，各部位硬度相差较大，易产生组织内应力。油缸在使用过程中反复受力，尤其靠近钎杆与销孔内壁部位，萌生的微裂纹或表面凹坑会不断扩展，并在组织内应力的作用下扩展速率加快，直至发生断裂。参考文献：王辉，张勇，梁斌，等 泵轴断裂失效分析石油化工设备技术，（）：，
12、崔约贤，王长利金属断口分析哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社：李杰，邓云哲，何志辉，等 油缸用 钢销轴断裂的原因机械工程材料，（）：朱苗勇 现代冶金学（钢铁冶金卷）北京：冶金工业出版社：黄镇，顾铁 钙处理非调质钢的夹杂物控制 现代冶金，（）：郑浩，刘丽华，张中武，等热加工对硫化物及氧化物夹杂 的 影 响 材 料 导 报，（）：何玉东 改质 钢中硫化物的工艺研究特钢技术，（）：甘美露，张强，王书强，等油缸活塞杆断裂原因分析理化检验（物理分册），（）：谢文婷，祁红璋，任蓓蕾，等某风电机组行星齿轮断齿原因理化检验（物理分册），（）：陆慧，孙明正船用柴油机拉缸故障失效分析理化检验（物理分册），（）：櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥（上接第 页）参考文献：孙奇，张立新，韦廷立，等 回火温度对 钢冲击性能的影响理化检验（物理分册），（）：孙小岚，杨堃 模锻件耐蚀性改进工艺电镀与涂饰，（）：徐杏杏，何军刚，胡锴，等 不锈钢冲击性能不合格原因探讨理化检验（物理分册），（）：黄春峰 航空 钢叶片的热加工工艺与力学性能航空精密制造技术，（）：陆山，陈倩，陈军 航空发动机主轴疲劳寿命预测方法航空动力学报，（）：王通北，陈美英军用航空发动机主轴疲劳寿命的试验验证航空发动机，（）：，
