卜嘉利，高志坤，韓振宇，佟文偉

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015)

0 引言

開口銷是一類重要的緊固件，在航空發(fā)動機固定銷軸上應用十分廣泛[1-3]。開口銷的主要功能是防止固定銷軸脫落，其工作狀態(tài)的穩(wěn)定性直接影響發(fā)動機的可靠性和使用性能，一旦開口銷發(fā)生失效，會使固定銷軸脫落，導致整個發(fā)動機出現(xiàn)故障，影響發(fā)動機的正常工作并帶來巨大的經濟損失；因此，對固定銷軸上的開口銷故障進行深入的研究十分必要。故障開口銷材料為1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼，該類不銹鋼具有高韌性、高塑性、工藝性優(yōu)異等特點[4-8]。

發(fā)動機在工作19 h后分解檢查，發(fā)現(xiàn)順航向左側α1作動筒與支架固定銷軸上的開口銷發(fā)生斷裂故障。由于發(fā)動機上的開口銷是新裝配上的且在較短服役時間內發(fā)生斷裂，因此對故障開口銷進行失效模式及機理研究。

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀檢查

故障開口銷宏觀形貌見圖1，由圖可見，開口銷表面磨損較重，局部區(qū)域有較重的劃痕，分開部位兩端存在高低差。

對故障開口銷附近的安裝零部件進行觀察可見，與開口銷接觸的作動筒支架側表面有周向的磨痕(圖2)，說明在試車過程中，開口銷隨作動筒支架固定銷軸發(fā)生轉動。開口銷隨作動筒支架固定銷軸發(fā)生轉動時，支架側表面會對開口銷回彎處表面產生彎曲應力。

圖1 故障開口銷宏觀形貌Fig.1 Macroscopic appearance of the fault split pin

圖2 作動筒支架側表面的磨痕Fig.2 Grinding on the side surface of the actuating cylinder bracket

1.2 斷口分析

故障開口銷斷口宏觀形貌見圖3，由圖可知：斷口表面高差較大，呈金屬光澤，磨損較重，局部有塑性變形現(xiàn)象；可見明顯的疲勞弧線和放射棱線特征，表明該斷口的性質為疲勞。根據(jù)疲勞弧線和放射棱線的方向判斷，疲勞起源于開口銷內弧側表面區(qū)域(圖3中紅色虛線)。

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macroscopic appearance of the fracture

斷口微觀形貌見圖4。源區(qū)可見清晰的疲勞弧線及放射棱線特征，根據(jù)放射棱線的方向判斷，疲勞起源于故障開口銷內弧側表面，源區(qū)未見明顯的冶金缺陷(圖4a)。對疲勞擴展區(qū)進行高倍觀察，可見疲勞條帶形貌(圖4b)，可進一步表明斷口性質為疲勞斷裂。

1.3 表面檢查

斷口源區(qū)附近表面微觀形貌如圖5所示，可見有明顯的磨損變形現(xiàn)象，且源區(qū)附近表面的磨損區(qū)與遠離源區(qū)的未磨損區(qū)之間有明顯的分界線。

圖5 斷口源區(qū)側表面微觀形貌Fig.5 Microscopic magnification of the source sidesurface of the fracture

故障開口銷只有一側發(fā)生斷裂，對沒有發(fā)生斷裂側開口銷回彎處外弧表面和內弧表面進行觀察，可見內弧和外弧表面都有不同程度的塑性變形，內弧和外弧表面都呈褶皺特征(圖6)。

圖6 故障開口銷回彎處外弧表面微觀形貌Fig.6 Microscopic appearance of outer arc surface ofthe fault split pin bending area

1.4 材料組織與性能檢查

對故障開口銷進行能譜分析，故障開口銷基體主要合金元素含量符合1Cr18Ni9Ti不銹鋼的標準要求。

故障開口銷組織形貌見圖7a，為鐵素體和珠光體組織，可知其沒有進行固溶處理或固溶處理不到位。對故障開口銷進行固溶處理后的組織形貌如圖7b所示，為奧氏體組織。

故障開口銷基體取樣后進行硬度檢查，硬度值偏高(HV 217～235)，不符合標準(HV≤200)的要求。

1.5 有限元分析

本研究使用Abaqus模擬仿真軟件對開口銷回彎部位的受力情況進行模擬計算。開口銷有限元模型見圖8?；貜澨幨前l(fā)生故障的部位，因此對該處進行網格細化處理。仿真中采用的單元類型為C3D8R(六面體線性縮減積分單元)，其優(yōu)點是：應力計算結果準確，適于模擬存在應力集中的實際問題；在彎曲載荷下不易發(fā)生剪切自鎖情況；對位移求解計算結果較精確。模擬中限定了開口銷X軸(1 mm)、Y軸(0 mm)和Z軸(1 mm)方向的位移。在開口銷回彎處表面施加100 MPa的壓強模擬固定銷軸旋轉時回彎處表面產生的彎曲應力。開口銷材料力學性能值為：ρ=7.9 g/cm3，E=184 GPa，σb=540 MPa，μ=0.3。

圖7 金相組織形貌Fig.7 Microstructure of split pin

有限元分析結果見圖9，由Von Mises應力分布云圖可知，最大應力位于開口銷平直段與回彎處的過度區(qū)域。

2 分析與討論

由斷口分析結果可知，故障開口銷斷口的性質為疲勞斷裂，源區(qū)位于內弧側表面，未見明顯的冶金缺陷。硬度檢查表明，故障開口銷的硬度值偏高，不符合標準要求，硬度值偏高會降低材料的斷裂韌性[9]。

從斷口源區(qū)附近表面的磨損痕跡可知，在發(fā)動機工作過程中，開口銷與固定銷軸孔發(fā)生了相對竄動。開口銷表面發(fā)生磨損會降低其表面完整性，使得抗疲勞性能下降，對疲勞裂紋的萌生起促進作用[10]。

圖8 開口銷有限元模型Fig.8 Finite element analysis model of split pin

圖9 開口銷有限元分析結果Fig.9 Finite element analysis results of split pin

故障開口銷只有一側發(fā)生斷裂，這說明在回彎處的分開部位兩側不在同一平面，導致受力不均。

對故障開口銷附近的安裝零部件進行觀察，與開口銷接觸的作動筒支架側表面存在周向摩擦痕跡，說明開口銷隨作動筒支架固定銷軸發(fā)生了轉動。固定銷軸轉動時，支架側表面會對開口銷回彎處表面產生彎曲應力。在固定銷軸不停的轉動過程中，開口銷回彎處表面會反復受到彎曲應力的作用，易在此處萌生疲勞裂紋。

故障開口銷回彎180°處的內弧側表面有基體堆積生成褶皺，褶皺處易產生應力集中，對疲勞裂紋的萌生起促進作用。

有限元分析結果表明，開口銷的最大應力集中處與故障開口銷斷裂位置相吻合，進一步證明了故障開口銷發(fā)生斷裂與(固定銷軸轉動時)開口銷回彎處表面產生的彎曲應力有關。

3 改進措施

1)嚴格控制熱處理加工工藝，確保開口銷基體的力學性能符合標準要求；

2)減小開口銷回彎處的角度，降低回彎處褶皺導致的應力集中；

3)開口銷分開部位應該保持平齊，避免因高低差導致開口銷兩側受力不均；

4)在開口銷和支架側表面之間增加墊片，緩解開口銷在工作過程中與作動筒支架側表面的周向摩擦。

4 結論

1)開口銷的斷裂性質為疲勞斷裂，疲勞源位于開口銷的內弧側表面，源區(qū)未見明顯冶金缺陷。

2)故障開口銷硬度值偏高；回彎處內弧表面褶皺易產生應力集中；同時，在發(fā)動機工作過程中，開口銷與固定銷軸孔之間的相對竄動破壞了開口銷的表面完整性，使得抗疲勞性能下降，再加上固定銷軸在轉動過程中會對開口銷內弧表面產生彎曲應力作用。在上述因素的共同作用下，最終導致開口銷過早發(fā)生疲勞斷裂。