航空發動機滑油箱支架斷裂失效分析

喬 志，劉博志，韓振宇，蘭海強

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

滑油系統是航空發動機的重要組成部分，其功用是提供發動機滑油，降低發動機內部零件之間的摩擦與磨損，并減少高溫零部件傳遞到滑油的熱量，確保發動機內部潤滑條件與環境，凈化由于磨損而產生的微粒[1]。支架作為航空發動機的重要零部件，主要起到支撐、承力、定位以及減振等作用，支架結構形式多樣，受力因素復雜，在使用過程中經常發生故障。其故障的失效模式及影響因素也是復雜多樣的。Thil?likkani S 等[2]利用線彈性有限元分析、斷口分析、化學成分分析以及硬度測試等方法對空客懸架的吊耳支架失效模式進了研究，表明支架變截面和振動是導致疲勞的主要原因，在支架截面引入加強筋可大大提高支架的疲勞壽命；Vandersluis 等[3]采用宏觀和微觀斷口分析、化學分析、光學顯微鏡觀察和硬度測試對斷裂監護支架失效原因進行了研究，表明支架的失效歸因于支架臂長期承受的低應力幅以及單向動態彎曲高周疲勞。失效原因包括：（1）線切割產生大量夾雜物、鋸齒狀邊緣和熱影響區；（2）構件幾何形狀設計不佳，導致破壞位置應力集中；（3）材料強度裕度不足。劉天文等[4]利用有限元方法對燃油總管支架進行了模態計算分析，表明燃油總管系有多階固有頻率落在發動機共振頻率范圍內，嚴重不滿足設計要求，存在極大的共振可能性，其提出增加燃油總管支架剛度和支架數量的改進建議，將燃油總管的最低共振頻率調在發動機共振頻率范圍之外，支架高周疲勞故障得以排除；佟文偉等[5-6]通過斷口分析、表面微觀檢查、截面金相檢查以及材質分析等方法對散熱器支架進行了失效分析，表明支架尖銳棱角和結構設計不足造成了應力集中，從而導致支架過早發生疲勞斷裂，振動載荷也加速了支架疲勞斷裂故障的發生。

滑油箱通過箍帶及支架固定在發動機機匣上，支架一旦發生破壞故障，將有可能造成滑油箱脫落，嚴重影響發動機正常運轉，其質量在很大程度上決定了發動機系統的穩定和安全[5]。某發動機在試車過程中，滑油箱支架多次發生斷裂，極大影響了發動機的試車安全以及研制進度。滑油箱支架采用優質TC4鈦合金鍛造而成，工藝流程主要為：毛料鍛件→機械加工→線切割→化學法去重熔層→熒光檢查等。

本文通過外觀檢查、斷口分析、磨損痕跡對比分析、材質分析等手段對故障前支架的斷裂原因進行了深入分析，并采用ANSYS 軟件計算支架應力應變分布情況，找出了導致支架發生斷裂故障的主要原因，并提出了改進措施。

1 失效分析與結果

1.1 宏觀檢查

支架局部裝配如圖1 所示。滑油箱通過箍帶固定在發動機風扇機匣上方，箍帶通過螺栓和小軸與支架連接，并通過螺栓施加擰緊力矩。斷裂支架局部宏觀圖像如圖2 所示。斷裂部位位于支架一側吊耳根部區域（圖中紅色圓圈及箭頭所指處）。

圖1 支架局部裝配

圖2 斷裂支架局部宏觀圖像

1.2 斷口分析

故障支架吊耳斷口的宏觀形貌如圖3 所示。從圖中可見，斷口表面呈灰白色，有明顯的疲勞弧線及放射棱線特征，表明支架吊耳斷口性質為疲勞。根據疲勞弧線及放射棱線的方向判斷，疲勞起源于吊耳內弧表面（圖中紅色圓圈所示），距離吊耳內側棱角約為1.6 mm。該斷口主要分為3 個區域：疲勞擴展區、快速擴展區以及瞬斷區[6]，斷口擴展較為充分，擴展區面積約占整個斷口的80%。

圖3 斷口宏觀圖像

在掃描電鏡中觀察，斷口疲勞源區放大形貌如圖4 所示。根據疲勞弧線及放射棱線的方向判斷，疲勞起源于吊耳內弧表面，位置為圖4（a）中箭頭所指處，呈單源特征，源區未見明顯的冶金缺陷。斷口疲勞擴展區可見清晰、細密的疲勞條帶形貌（如圖5 所示），條帶間距約為0.3～0.4 μm，進一步表明該支架吊耳斷口為高周疲勞斷口[7]。瞬斷區為典型的韌窩形貌（如圖6所示）。

圖4 疲勞源區放大形貌

圖5 擴展區疲勞條帶形貌

圖6 瞬斷區微觀形貌

1.3 源區附近表面檢查

對支架吊耳斷口疲勞源區附近側表面放大觀察，形貌如圖7 所示。未見明顯的機械加工痕跡。

圖7 源區附近側表面形貌

1.4 磨損痕跡對比檢查

對支架內弧表面進行觀察，可見明顯的摩損痕跡，形貌如圖8 所示。其中未斷裂吊耳內弧表面磨損痕跡相對較為均勻，偏摩斷裂吊耳存在偏摩現象，磨損區域靠近內側。

圖8 支架吊耳內弧磨損痕跡

在小軸螺栓孔內壁表面與螺栓外表面同樣存在明顯的偏摩痕跡，偏摩位置位于圖2（a）圓圈處，磨損痕跡如圖9 所示。通過對上述部位表面磨損痕跡的檢查與分析結果可知，支架與小軸、小軸與螺栓之間配合面均存在偏摩現象，說明支架2 個吊耳在工作過程中受力不均[8]。

圖9 小軸與螺栓配合處磨損痕跡

1.5 成分分析

對故障支架基體進行能譜分析，結果見表1。主要合金元素質量分數基本符合技術標準要求[9]。

表1 基體能譜分析結果 wt/%

1.6 組織檢查

在故障支架基體取樣進行金相組織檢查，結果如圖10 所示。故障支架基體主要為α+β 雙態組織，未見明顯異常[10]。

圖10 故障支架基體組織形貌

1.7 重熔層檢查

故障支架吊耳源區附近表面為線切割加工面，為分析線切割重熔層微裂紋對本次故障的影響[11-12]，對故障支架進行解剖取樣，磨拋腐蝕后的放大形貌如圖11 所示。未見明顯的重熔層形貌。

圖11 支架截面組織形貌

1.8 強度分析

為確定支架是否滿足靜強度要求，對支架進行強度分析[13]。根據有限元分析結果結合現場裝配實測數據換算出與施加的擰緊力矩對應的預緊力，在預緊力載荷下支架變形、應力分布分別如圖12、13 所示，強度儲備見表2。從圖、表中可見，滑油箱支架滿足靜強度設計要求，但支架2 吊耳變形差（0.642 mm）較大，表明支架在工作過程中存在偏載；在支架螺栓處施加一定載荷后，計算出支架2 個吊耳載荷的分配比例為

圖12 支架變形分布

圖13 支架應力分布

表2 強度分析結果

2 分析與討論

通過斷口分析結果可知：該故障支架為疲勞斷裂失效；疲勞起源于吊耳內弧表面，疲勞源區未見明顯的冶金缺陷，疲勞擴展較為充分，擴展區可見清晰、細密的疲勞條帶形貌，說明故障支架斷口為高周疲勞斷口；支架吊耳斷口疲勞源區附近側表面未見明顯的機械加工痕跡，表明支架的疲勞斷裂與機械加工無直接關系。

通過材質分析結果可知：支架基體成分符合技術要求，基體組織為α+β雙態組織，未見明顯異常，表明支架斷裂與冶金缺陷和材質無關[14]。故障支架吊耳采用線切割加工，而線切割重熔層往往存在微裂紋，會大大降低工件的疲勞性能[15]，由于故障支架在線切割后采用了酸洗去重熔層工序，對支架截面進行重熔層檢查，未見明顯的重熔層形貌，排除了鈦合金重熔層微裂紋對本次故障的影響。

通過對支架吊耳、小軸以及螺栓3 個部位表面磨損痕跡的檢查與分析結果可知：支架與小軸、小軸與螺栓之間配合面均存在偏摩現象。有限元結果表明，支架2 吊耳變形差（0.642 mm）較大，2 個吊耳載荷的存在分配比（2.65∶1），進一步證明支架2 個吊耳受力不均，存在偏載，使故障支架出現偏斜，通過應力云圖可以確定最大受力點在本次故障發生位置。

綜上所述，故障支架存在懸臂結構，當對螺栓施加擰緊力矩時，支架的懸臂結構會產生明顯的變形不協調，使支架的2 個吊耳出現偏載，從而使斷裂側的吊耳局部受力，支架的受力不均勻導致支架局部應力集中[16]。此外，在發動機試車時，支架承受了較大的振動應力，在裝配應力和振動應力綜合作用下，在支架應力集中區域產生了裂紋，疲勞擴展導致最終斷裂[17]。

3 改進建議

根據故障原因分析，解決故障方法應為降低振動應力/靜應力、消除偏載問題。綜合考慮各種方法可行性，提出了以下改進建議：

（1）合理設計結構形式，將支架結構改為跨安裝邊的橋型結構，取消懸臂結構以盡量消除變形不協調引起的偏載，從而解決支架原結構2 個吊耳載荷分配不均勻的問題；

（2）降低擰緊力矩，從而減小裝配應力；落實排故措施的改進結構隨發動機長試通過了考核驗證，故檢檢查支架狀態良好，未再發生故障，證明了排故措施有效。

4 結論

（1）發動機滑油箱支架斷口為起源于吊耳內弧表面的高周疲勞斷口。

（2）故障支架存在懸臂結構，受力時2 個吊耳變形不協調而出現偏載，使得支架局部應力集中，是導致過早萌生疲勞裂紋的主要原因。

（3）支架受到的振動載荷對疲勞裂紋的萌生起到了促進作用。

（4）合理設計結構形式，解決偏載問題，降低擰緊力矩，可有效避免類似故障再次發生。