某型飞机发动机卡箍失效分析

李瑶（中航飞机股份有限公司，陕西 西安710089）

纠永军(中航西飞民用飞机有限责任公司，陕西 西安710089）

摘要：某型飞机在使用过程中发动机卡箍发生断裂，厂内普查也发现此类现象。针对此种情况，对失效卡箍开展了外形观察、断口宏观观察、化学成分分析、金相组织检查和晶间腐蚀倾向性验证等手段。经分析发现卡箍在生产过程中的焊接工艺对卡箍断裂产生直接影响。焊接热影响区存在晶间腐蚀倾向性，致使卡箍在使用过程中产生沿晶裂纹最后导致断裂。

关键词：卡箍；断裂；晶间腐蚀；失效分析

Fracture Analysis of Aero-engine Clamp

LI Yao(AVIC Aircraft Corporation Ltd. Xi’an Aircraft Company , Shan’xi  Xi’an 710089)

JIU Yong-jun(AVIC XAC Commercial Aircraft CO.,LTD. , Shan’xi  Xi’an 710089)

Abstract: The clamp in an aero-engine fractured during service. In our factory have finding this phenomenon. Have appearance observation, fracture surface observation, chemical composition analysis, metallurgical structure examination and intergranular corrosion analysis were carried out to find out the failure mode. At the end of, we find this clamp has welded. The weld have an effect on the fracture. The welding heat affected zone has intergranular corrosion tendentiousness. The clamp has intergranular fracture, finally the clamp has breakdown.

Key words: Clamp; fracture; intergranular corrosion; failure analysis

1. 引言

某型号高强度卡箍在某型发动机上使用，起辅助固定功能。在飞机使用过程中卡箍发生断裂，厂内普查也发现有部分飞机存在此类情况。调查发现，失效卡箍和厂内普查断裂卡箍为同一炉批号的原材料加工制造而成。卡箍材料为2Cr13Mn9Ni4, 规格为δ1.5mm，制造工艺为坯料、初锻、焊接及冷轧，加工工艺为下料、冲孔、弯曲、成型、点焊。通过进行多种手段分析，并用原材料和失效卡箍断裂附近试样做晶间腐蚀对比试验，发现失效试样有晶间腐蚀现象，未加工的原材料试样无晶间腐蚀，说明卡箍材料组织不均匀，且失效与卡箍加工工艺有关。分析卡箍制造过程中的焊接工艺导致失效，确定卡箍在焊接热影响区存在晶间腐蚀倾向性，且失效卡箍在使用过程中发生晶间腐蚀并产生沿晶裂纹，最后在使用过程中发生断裂。为了验证分析结果，特对厂家出厂卡箍在热影响区取样做晶间腐蚀倾向性试验，试样产生晶间腐蚀现象，证实了分析结果。为避免此类问题的发生，对此次卡箍失效原因进行分析，并针对存在问题提出建议和措施。

2. 实验

2.1 宏观断口观察

对失效卡箍进行宏观观察。卡箍表面整体颜色一致，无明显变化，断裂位置距卷边端头32.1mm，断口附件颜色与其他部位颜色一致，断口平齐，断面平坦且呈横向断面，无明显塑性变形。断面表面粗糙，有轻微磨损迹，特别在横截面外边，相比较磨损较为严重。源区、扩展区、瞬断区如图1所示。

图1. 宏观断口形貌

               Fig.1 Macro morphology of corrosiojn fracture

2.2 微观断口观察

通过扫描电镜对断口进行微观观察。断口源区呈沿晶特征，且晶面干净，上无夹杂物存在，如图2所示，属脆性断裂^[1] 。扩展区与瞬断区交界处呈现沿晶加韧窝断裂特征如图3所示，且交界处分界线较为清晰。瞬断区为韧窝特征，且图中显示断口存在不同程度上的等轴韧窝和少量拉长韧窝特征，并具有一定方向性，但方向性并不明显。如图4所示。

图2.沿晶特征                           图3.沿晶＋韧窝特征

Fig.2 Intergranular feature        Fig.3 Intergranular add dimple feature

图4.韧窝特征

Fig.4 Dimple feature

2.3 化学成分检查

对卡箍断口附近材料进行化学成分分析，其主要合金元素的质量分数在技术标准的2Cr13Mn9Ni4奥氏体不锈钢化学成分要求范围内，如表1所示。

表1.卡箍化学成分（wt%）

Table 1.The clamp of chemical composition（wt%）

2.4 金相组织检查

分别在失效卡箍的断口处和远离断口处取金相试样，对两组试样金相组织进行对比如图5所示。图（a）为断口附近试样，图（b）为远离断口试样。两组金相试样未腐蚀前均无晶间腐蚀特征，经Viella’s腐蚀后，组织均为等轴奥氏体晶粒，组织中的碳化物沿轧制方向分布，且图（a）的晶粒尺寸略大于图（b），并存在轻微被拉长现象。

     图（a）断口附近取样                        图（b）远离断口取样

Fig.a Sample of near fracture             Fig.b Sample of far from fracture

                        图5. 两组试样的金相组织

                Fig.5 Two groups of metallurgical structure

2.5 晶间腐蚀倾向性验证

对原材料、失效卡箍断口附近和远离断口处分别取样，并进行晶间腐蚀倾向性对比。断口附近取样，试样编号为1。远离断口取样，编号为2。原材料上取样，编号为3。实验均按照GB/T4334.5-2000不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法对以上3组试验同时进行晶间腐蚀倾向性试验。试验后检查发现1试样有晶间腐蚀情况，2和3试样均无晶间腐蚀情况。

3. 实验结果综合分析

通过化学成分分析确认材料为2Cr13Mn9Ni4，用料正确；对断口宏观分析，断口边缘有不同程度磨损现象，但断口源区较平齐，扩展区不同程度的呈现塑性变形特点，但变形量不大；在扫描电镜下观察断口，源区显示沿晶脆性特征，瞬断区有韧窝特征，有塑性变形特点；做金相组织检查，断口附近晶粒尺寸有被拉长且粗大现象，说明此处组织相比其他区域性能有偏差；晶间腐蚀倾向性试验结果显示，在断口附近取样出现晶间腐蚀，远离断口附近的试样未出现晶间腐蚀现象，这表示在同一卡箍上晶间腐蚀倾向性有差异，且卡箍材料组织不均匀。原材料2Cr13Mn9Ni4是低镍亚稳定奥氏体不锈钢^[2]。该钢具有较高强度及良好的耐腐蚀性能，但耐均匀腐蚀性能稍差，特别是在敏化状态下具有晶间腐蚀倾向。检查发现在制造中，卡箍制造是对2Cr13Mn9Ni4板材的原材料进行拼接，在对接口进行焊接后轧制成薄板，后对薄板进行剪裁制成。在微观观察下断口的扩展区出现韧窝特征。由于卡箍焊接后经过冷轧及热处理工序后，焊接区域已无法凭借肉眼区别，且晶间腐蚀试验表明卡箍断口附近区域晶间腐蚀倾向性严重，其他区域无晶间腐蚀倾向性。焊接温度在1200ºC以上，但是在冷却过程中的某个时间段内，热影响区材料温度达到敏化状态温度，材料中过饱和碳就会全部或部分从奥氏体中析出，形成铬的碳化物[主要是（Cr,Fe）23C6型]，分布在晶界上。碳化铬的含铬量比奥氏体基体的含铬量高很多，碳化铬的析出使周围的晶界区缺乏铬，形成晶界贫铬区^[3]。贫铬区有着与晶粒本体不同的极化行为。在活化、钝化过渡的电位区段，晶界贫铬区的溶解电流密度都比晶粒本体大得多，即造成晶间腐蚀^[4]。在后续的使用过程中，材料受到晶间腐蚀影响，出现沿晶裂纹，后续外力加载超过卡箍受载极限，卡箍发生断裂。

4. 结论与改进措施

卡箍断裂的主要原因是由于材料的制造工艺存在焊接现象，而焊接热影响区温度达到材料敏化温度，材料在敏化状态下具有晶间腐蚀倾向。卡箍在使用过程中发生晶间腐蚀，出现沿晶裂纹，最后导致卡箍断裂；建议材料制造过程中改善或规避焊接工艺。

参考文献：

[1]廖景娱. 金属构件失效分析[M]. 北京：化学工业出版社，2003.64.

[2]《中国航空材料手册》编辑委员会. 中国航空材料手册[K]. 第二版. 第一卷 结构钢 不锈钢. 北京：中国标准规范社，2003. 588

[3]魏宝明. 金属腐蚀理论及应用[M]. 北京：化学工业出版社，1984，156.

[4]化学工业部化工机械研究院. 腐蚀与防护手册——腐蚀理论试验及监视[K]. 北京：化学工业出版社，1987. 138

作者简介：1、李瑶（1987-），女，陕西合阳，现任职于中航飞机股份有限公司质量管理部，工程师，硕士，主要从事航空产品失效分析与预防等方面工作。

          2、纠永军（1986-），男，河南开封，现任职于中航西飞民用飞机有限责任公司项目管理部，工程师，本科，主要从事飞机结构设计及项目管理等方面工作。