某燃氣渦輪發動機螺栓斷裂失效分析

佟文偉

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

某燃氣渦輪發動機螺栓斷裂失效分析

佟文偉

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

針對某燃氣渦輪發動機發生的G H 4169合金螺栓斷裂故障，通過對故障螺栓進行斷口宏微觀觀察、化學成分分析、硬度檢測和金相組織分析，以及對未發生斷裂失效的螺栓和螺母進行檢查與分析，確定了該燃氣渦輪發動機螺栓斷裂性質為鎘脆斷裂；與螺母表面的鍍鎘層緊密接觸、受到拉應力的作用以及工作溫度較高，是導致螺栓發生鎘脆斷裂的主要原因。為此，提出了在渦輪后機匣連接部位選用G H 4169合金螺母，并在發動機熱端零部件連接件中避免使用鍍鎘層進行表面防護等建議，可供排除類似故障時借鑒。

燃氣渦輪發動機；螺栓；斷裂；失效分析；鎘脆

0 引言

在燃氣渦輪發動機結構中，存在著大量各種形式的螺栓連接。一旦螺栓發生斷裂故障，輕則必須停機維修，重則造成機毀人亡的事故。而在燃氣渦輪發動機螺栓連接件發生斷裂故障后，僅僅簡單地更換無法完全排除再次發生斷裂的風險，必須對導致斷裂的影響因素進行深入分析，并采取措施加以改進。

GH4169合金是Ni-Cr-Fe基時效硬化型高溫合金，在650℃以下具有較高的強度和塑性、良好的抗疲勞和耐腐蝕性，用于制造在650℃以下工作的航空機械零部件[1]。作為燃氣渦輪發動機中重要的緊固件，GH4169合金螺栓在熱端結構部件中得到了大量應用。某燃氣渦輪發動機渦輪后機匣連接使用了GH4169合金螺栓（表面鍍銅）。在經歷較短時間試車后，連接螺栓發生斷裂故障。

本文針對故障螺栓，進行了螺栓斷口宏微觀觀察分析、故障螺栓成分分析、硬度檢測和金相組織分析，并對同期使用的未發生斷裂失效螺栓和與故障螺栓配套螺母等相關件進行了檢查與分析，明確了螺栓斷裂失效的主要原因，提出了相應改進建議。為制定改進措施、避免類似故障的重復發生提供了重要的技術依據。

1 檢查與分析結果

1.1 斷口宏觀觀察

故障螺栓斷口宏觀形貌如圖1所示。斷面在螺紋牙底的最小截面處。從圖中可見，斷口表面較粗糙，大部分呈黑褐色，中心局部呈灰白色，斷口表面部分區域可見磨損痕跡；斷口平齊，無明顯的塑性變形，斷裂面與螺栓的軸線垂直。

圖1 螺栓斷口宏觀形貌

1.2 斷口微觀觀察

螺栓斷口的掃描電鏡低倍形貌如圖2所示。從圖2（b）所示的背散射圖像中可見，螺栓斷口邊緣存在1層環狀白亮色區域。進一步放大觀察，該區域呈現典型的沿晶斷裂形貌特征（如圖3所示）[2-3]；斷口表面黑褐色區域主要呈熔融狀物覆蓋的沿晶斷裂形貌（如圖4所示）；斷口中部灰白色區域為典型的韌窩（如圖5所示）；整個斷口表面未見疲勞斷裂形貌特征。

圖2 螺栓斷口低倍形貌

圖3 斷口邊緣的沿晶斷裂形貌

圖4 斷口中部的沿晶斷裂形貌

圖5 斷口中部的韌窩形貌

對故障螺栓斷口表面微區成分進行能譜分析，結果表明：斷口邊緣的白亮區存在大量的金屬鎘（能譜分析結果見表1）；斷口中部表面熔融狀覆蓋物為金屬鎘（能譜分析結果見表2）；斷口心部韌窩形貌區為GH4169合金螺栓基體成分。

表1 斷口表面邊緣能譜分析結果 w/%

表2 斷口表面中部能譜分析結果 w/%

1.3 化學成分分析

在故障螺栓基體取樣進行能譜分析，結果見表3。故障螺栓基體的主要合金元素質量分數與技術標準規定的GH4169高溫合金成分[4]相符。

表3 故障螺栓能譜分析結果 w/%

1.4 硬度檢測

在故障螺栓基體取樣進行硬度測量，結果見表4。從表4中測量結果可知，故障螺栓基體的硬度符合技術標準的要求。

表4 故障螺栓硬度（HRC）測量結果

1.5 金相組織分析

在故障螺栓基體取樣進行金相組織檢查，結果如圖6所示，未見明顯異常現象。

圖6 螺栓顯微組織

1.6 相關件的檢查與分析

選取同期使用且未發生斷裂失效的螺栓在掃描電鏡中放大觀察，可見該螺栓與螺母配合部位的螺紋表面大部分區域較粗糙，存在明顯的附著物，在個別部位的螺紋牙底可見明顯的微裂紋形貌，如圖7所示。對該螺栓表面進行能譜分析，結果如圖8所示。表明其表面附著物為金屬鎘（Cd）。

圖7 未斷裂失效螺栓表面形貌

圖8 未斷裂失效螺栓表面能譜分析曲線

在掃描電鏡中放大觀察與故障螺栓配套的螺母，其形貌如圖9所示。從圖中可見，螺母內表面較粗糙，有明顯的附著物。對螺母表面進行能譜分析，結果如圖10所示。表明螺母表面存在大量的金屬鎘（Cd）。

將與連接螺栓配套的螺母新件沿軸線解剖，制備金相試樣后在掃描電鏡中觀察，其縱截面的背散射形貌如圖11所示，螺母內、外表面均可見明顯的白亮層。對白亮層進行能譜分析，結果如圖12所示。表明該白亮層為金屬鎘（Cd），說明與故障螺栓配套的螺母表面有鍍鎘層。

圖9 螺母內表面形貌

圖10 螺母內表面能譜分析曲線

圖11 螺母縱截面形貌

圖12 縱截面邊緣區域能譜分析曲線

2 分析與討論

根據斷口宏微觀分析結果可知：故障螺栓斷口平齊，無明顯的塑性變形，斷裂面與螺栓的軸線垂直，為典型的脆性斷口[5]；斷口大部分區域呈黑褐色，中心局部呈灰白色，表明故障螺栓開裂過程中經受過高溫的作用，即螺栓斷裂故障應發生在燃氣渦輪發動機試車過程中；斷口邊緣及中間大部分區域均為沿晶斷裂形貌，僅在中部較小區域內呈現典型的韌窩形貌，整個斷口表面未見疲勞斷裂形貌特征，表明故障螺栓斷口為脆性沿晶斷裂斷口[6]。斷口表面微區成分分析結果表明，斷口邊緣沿晶斷裂區存在大量的金屬鎘，斷口中部表面熔融狀覆蓋物也為金屬鎘，而斷口中部韌窩形貌區主要為故障螺栓基體（GH4169合金）成分，進一步說明故障螺栓斷口為金屬鎘引起的脆性沿晶斷裂斷口。

故障螺栓基體主要合金元素質量分數符合技術標準的要求，金相組織未見明顯異常，硬度符合設計要求，表明本次斷裂故障與螺栓的材質無直接關系。

金屬鎘鍍層在一定溫度和應力的同時作用下，能夠從零件表面沿晶界擴散到零件內部，引起零件基體材料脆化而導致脆性斷裂——鎘脆[7-8]；這種脆化效應能在鍍鎘的零件上發生，也能在與鎘鍍層相接觸的零件上發生；鎘鍍層通常允許的最高使用溫度為230℃，對于強度較高的承力件和長壽命件，其允許使用溫度應降低至200～210℃。某燃氣渦輪發動機渦輪后機匣連接螺栓選用材料為GH4169合金，屬于高強度緊固件，在工作過程中主要受緊固拉伸應力作用，同時還受熱應力、剪切應力等作用[9]；螺栓工作溫度最高可達300℃以上，遠高于鍍鎘層的允許使用溫度；與螺栓配套的螺母表面存在鍍鎘層。上述因素使得該連接螺栓具備了發生鎘脆斷裂的全部條件。在發動機工作過程中，在溫度和應力的共同作用下，螺母表面的鎘鍍層與連接螺栓表面緊密接觸，使得金屬鎘擴散到螺栓基體中，最終導致螺栓發生鎘脆斷裂[10-12]。

3 結論

某燃氣渦輪發動機渦輪后機匣GH4169合金連接螺栓斷裂性質為鎘脆斷裂。經分析，螺栓斷裂故障的發生與其材質沒有直接關系；主要原因是故障螺栓配套的螺母表面有鍍鎘層、螺栓在工作過程中受拉應力作用以及螺栓工作溫度較高。

為了避免類似故障重復發生，提出以下改進建議：

（1）在渦輪后機匣連接部位選用抗氧化和耐腐蝕性能均較好的GH4169合金螺母；

（2）在燃氣渦輪發動機熱端零部件的各種連接件中，避免使用鍍鎘層對其緊固件進行表面防護[13]。

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Fracture Failure Analysis of Bolt in a Gas Turbine Engine

TONG Wen-wei
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

Aiming at the fracture fault of GH4169 alloy bolt of a gas turbine engine, the failure mode of bolt is Cadmium embrittlement by macro and micro observation of fracture surface,chemical composition analysis,hardness testing,metallurgical structure analysis,examination and analysis of fault-free bolts and nuts.The main causes of the Cadmium embrittlement fracture were that it contacted with Cadmium plating layer of nut,suffered loaded tension stress effect and high wok temperature.Some suggestions are proposed to provide references for eliminating similar fault, which the GH4169 alloy bolt are used in the connection of turbine rear casing and the Cadmium plating are avoided to use the surface protection in the connection of the hot section components and parts.

gas turbine engine;bolt;fracture;failure analysis;Cadmium embrittlement

佟文偉（1974），男，高級工程師，主要從事航空發動機材料應用、失效分析和三防技術研究工作。

2012-11-16