某小型航空發動機排氣錐裂紋焊接修復

陳　輝，張清貴，孫紅梅，李國娜

（襄陽航泰動力機器廠，湖北襄陽441002）

某小型航空發動機排氣錐裂紋焊接修復

陳輝，張清貴，孫紅梅，李國娜

（襄陽航泰動力機器廠，湖北襄陽441002）

某小型航空發動機排氣錐服役中產生大量裂紋，通過觀察裂紋斷口宏觀形貌、微觀組織及能譜分析，判斷裂紋為應力腐蝕裂紋。焊前采用固溶處理恢復母材為奧氏體組織，消除晶間貧鉻，采用脈沖鎢極氬弧焊修復裂紋，焊后對焊縫進行噴丸強化處理，成功修復排氣錐裂紋。

排氣錐；應力腐蝕裂紋；固溶處理；焊接修復；噴丸強化

0　前言

排氣錐是某小型航空發動機的排氣裝置，由錐體、支板、外環三個部分組成，主要作用是將渦輪流出的燃氣膨脹加速，將燃氣中的一部分熱焓轉變為動能，從排氣錐高速噴出，產生反作用推力[1]。其材料為1Cr8Ni9Ti，最高工作溫度不超過650℃。一個首翻期后熒光探傷發現，排氣錐支板轉角處有多處裂紋，有的可達到23處，裂紋最大長度15 mm。

根據排氣錐材料特性和服役環境，通過顯微鏡觀察裂紋斷口宏觀形貌、微觀組織，結合能譜分析裂紋斷口化學成分，分析裂紋產生的原因，并采用恢復組織熱處理、焊接、焊后強化的方法對裂紋進行修復。

1　裂紋原因分析

1.1裂紋表面及斷口表面形貌

裂紋主要發生在支板轉角處，如圖1所示。通過顯微鏡觀察，由圖2a可知，支板轉角裂紋方向大體一致，與應力方向垂直，裂紋沒有出現分叉。圖2b顯示裂紋斷口邊緣存在物質“起皮”和“剝落”現象。圖2c顯示斷口不平整，高低不平，但是不平部位并沒有明顯的過渡區域，而是由許多小平面組合形成，斷口上觀察到不同程度的氧化色。

通過上述現象，可以初步得到以下結論：a.材質在工作過程中處于低應力狀態；b.存在一定的晶界弱化現象；c.材料的裂紋處無明顯塑性變形，材料有脆性傾向；d.材料表面在工作環境中存在氧化現象，在應力集中區域有氧化加劇和剝落現象。

1.2顯微組織分析

在裂紋位置附近截取一部分制樣，經拋光后采用4％硝酸酒精腐蝕，在500倍金相顯微鏡下觀察試樣，如圖3所示，組織孿晶明顯，根據1Cr8Ni9Ti組織分析，其大部分應為孿晶奧氏體，也不排除其中有應變馬氏體的可能，采用磁鐵進行磁性檢測發現，樣品具有較強磁性，證實了應變馬氏體的存在，產生原因為支板加工過程中的大塑性變形產生[2]。

圖1　排氣錐裂紋

圖2　裂紋表面及斷口表面形貌

圖3　裂紋部位顯微組織

1.3裂紋位置化學成分分析

采用ZEISS EVO60掃描電子顯微鏡分析裂紋部位微觀形貌，如圖4所示，使用電子探針及附帶能譜儀進行成分分析，EDS分析結果見表1，裂紋附近成分主要為Fe、Ni、Cr、Ti、O、C等，但Cr含量只有2.29％，參考母材成分，可證實晶界貧鉻。

圖4　裂紋斷口形貌

表1　裂紋斷口能譜分析

通過分析裂紋的斷口形貌、微觀組織及成分，結合零件的使用工況可得出裂紋產生的主要原因為：排氣錐工作過程中，在高溫（650℃）環境下，材料中過飽和的C和Cr以Cr23C6的形式在奧氏體晶界析出，使晶界處自由的Cr減少，當Cr含量降低到小于12％時，材料失去抗氧化、耐腐蝕功能[3]。長期受到燃氣的沖蝕產生晶間腐蝕，在冷熱循環交變應力下產生應力腐蝕裂紋。

2　恢復組織熱處理

為改善材料的組織，使孿晶奧氏體和應變馬氏體組織恢復為奧氏體組織，消除晶間貧鉻，焊接前進行固溶處理。熱處理制度為1 050℃保溫20 min、水冷，熱處理后的組織如圖5所示，組織呈現典型的奧氏體組織，未發現孿晶奧氏體和應變馬氏體。

圖5　熱處理后的組織

在掃描電鏡觀察下采用電子探針及附帶能譜儀進行裂紋斷口成分分析，表面形貌如圖6所示，其成分主要為Fe、Ni、Cr、Ti、C等，Cr含量為17.84％，參見表2，晶界貧Cr現象消失。

圖6　熱處理后的裂紋斷口形貌

表2　熱處理后的裂紋斷口能譜分析

3　焊接修復

3.1焊接方法和裂紋排除

排氣錐支板厚度不超過2 mm，且焊接位置復雜，最好選擇鎢極氬弧焊。為了減小焊接變形，選擇熱輸入較小的脈沖氬弧焊進行焊接。

焊接修復前需將裂紋采用風動旋轉銼完全排除，裂紋排除不徹底會導致焊后X射線探傷不合格。通過熒光后保留故障件上的熒光液，然后邊打磨邊在黑光燈下檢查裂紋去除情況，并且使用20倍放大鏡檢查裂紋的長度和深度，以保證裂紋完全去除。

3.2焊接材料

1Cr8Ni9Ti為奧氏體不銹鋼，含有Ni、Cr等元素，因此要控制焊絲中的S、P含量，減少在焊接結晶時形成低熔共晶組織[4]，同時保證與母材的匹配性，選擇H0Cr20Ni10Ti焊絲進行焊接，焊絲成分見表3。H0Cr20Ni10Ti焊絲是低碳型奧氏體不銹鋼焊絲，對控制晶間腐蝕有一定的作用。

表3　H0Cr20Ni10Ti焊絲化學成分％

3.3焊接工藝參數

1Cr8Ni9Ti不銹鋼焊縫液態金屬黏度大，流動性較差，焊接時易在焊縫表面形成氧化鉻鈍化薄膜，其熔點高于母材熔點，易形成夾渣等缺陷[5]。為此，焊接采用脈沖鎢極氬弧焊，焊接時在焊縫反面通氬氣保護，并采用對稱焊對支板裂紋焊修，即焊接其中一個裂紋位置后，第二個部位焊接時要選擇距離第一個位置最遠距離的焊縫，對稱焊產生的變形量相對較小。焊接參數見表4。焊接后采用熒光探傷及X射線探傷檢查，焊縫均無裂紋。

表4　焊接工藝參數

4　焊后強化

因排氣錐自身結構復雜，焊接會產生較大的殘余應力，因此焊接后必須進行消除應力處理。焊后采用固溶處理和穩定化熱處理，在熱處理后發現零件焊接熱影響區域再次出現裂紋。分析認為高溫熱處理過程中，零件內部拉應力降低速度小于焊接熱影響區材料強度降低速度，當材料強度低于拉應力時，零件開裂。

為解決焊后熱處理開裂問題，在分析裂紋機理的基礎上，采用噴丸強化工藝改變零件表面應力狀態，使零件表面產生壓應力，這樣在后續使用中，即使表面殘余壓應力下降，也不會形成拉應力引起開裂。經試驗，排氣錐焊后噴丸處理弧高度值在0.08～0.15 A，解決了焊后開裂技術難題。

5　結論

通過觀察排氣錐裂紋斷口宏觀形貌及微觀組織，結合能譜分析，得知裂紋產生的原因為應力腐蝕裂紋。采用焊前固溶處理、制定合適的焊接工藝參數并對焊縫進行噴丸強化處理，成功修復排氣錐支板裂紋，為航空發動機熱端部件的裂紋焊修提供理論依據。

[1]廉筱純.航空發動機原理[M].西安：西北工業大學出版社，2005.

[2]程曉娟，王弘，康國政，等.304不銹鋼棘輪變形過程中應變誘發馬氏體相變行為研究[J].金屬學報，2009，45（7）：830-834.

[3]崔忠圻.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業出版社，2000.

[4]霍樹斌，陳佩寅，陳燕，等.核用Inconel 690焊絲TIG焊微裂紋產生機理研究[J].焊接，2012（9）：31-36.

[5]張彥旺.電廠超超臨界鍋爐Super304鋼焊接工藝[J].焊接技術，2008，37（3）：58-59.

Cracking analysis and welding repair of a small aircraft engine exhaust cone

CHEN Hui，ZHANG Qinggui，SUN Hongmei，LI Guona
（Xiangyang Hangtai Power Machinery Factory，Xiangyang 441002，China）

A small aviation engine exhaust cone produced a large number of cracks in service，macro morphology of the crack fractographs were observed by optical microscope（OM）and composition were analyzed by energy dispersive X-ray spectroscopy（EDS），judged the crack as the stress corrosion crack.Austenite structure of parent material was recovered by solution treatment process before welding and the intergranular chromium depleted was eliminated，exhaust cone crack was successfully repaired through using pulsed TIG welding to repair cracks and shot peening treatment after welding.

exhaust cone；SCC；solution treatment；welding repair；shot peening

TG457.2

B

1001－2303（2016）02－0082-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.18

2015－12－06；

2016－01－03

陳輝（1980—），男，安徽濉溪人，工程師，學士，主要從事焊接、熱噴涂工藝研發工作。