某活塞式航空發動機汽缸斷裂分析

柴志剛

（北京航空工程技術研究中心，北京 100076）

航空裝備長期存放帶來的腐蝕問題影響飛行安全，特別是在裝備長期存放后的啟用大修檢查過程中未能檢查到的腐蝕問題，是影響飛行安全的重大故障隱患。

某機在飛行途中發現座艙前風擋玻璃被霧狀滑油遮蓋，座艙內有較大油煙氣味，發動機劇烈震動，飛機經緊急處置后降落臨時機場。地面檢查發現飛機螺旋槳、蒙皮、上下機翼和機體均有滑油痕跡；檢查螺旋槳未見異常；檢查發動機發現六號汽缸的缸頭和缸體連接處有一周向裂紋，裂紋長度約為缸體周長的4/5。該型發動機為20 世紀70 年代初制造，1997 年末大修后一直存放在航材庫，2006 年末啟封大修后交付某部使用，僅使用68 h 就發生了缸體斷裂故障。

1 外觀檢查

送檢的發動機失效汽缸如圖1a 所示，缸頭與缸體連接處已經斷開，斷口形貌如圖1b所示。斷口與缸體軸線垂直，表面大部分顏色灰暗、無金屬光澤、有清晰疲勞弧線及臺階[1]，疲勞起源于退刀槽邊緣的螺紋起始處（如圖2所示）。缸頭一側斷口的疲勞源區位于進、排氣搖臂室螺紋孔之間接近航向的位置（如圖3 所示）。將疲勞源區擺放于圖4a 所示位置，觀察看到疲勞由源區按順時針和逆時針分別沿退刀槽擴展，最后斷裂。疲勞源區形貌如圖4b 所示，圖中可見清晰疲勞弧線；最后斷裂區形貌如圖4c所示。

圖1 斷裂汽缸形貌Fig.1 Morphology of Cylinder Fracture

圖2 斷口疲勞源區位置Fig.2 Morphology of fatigue fracture origin region

圖3 疲勞源區位置Fig.3 Morphology of fatigue fracture origin region

圖4 斷口宏觀形貌Fig.4 Morphology of fracture

與缸頭配合部分的缸體內徑為155.3 mm，符合設計不大于155.65 mm的技術要求，缸體內壁磨損情況未見異常，汽缸外觀未見異常。

2 微觀檢查

在掃描電子顯微鏡下觀察斷口，疲勞源區的微觀形貌如圖5a 所示；放大觀察可見疲勞源區及螺紋表面均有較嚴重的腐蝕現象，如圖5b 所示；源區附近螺紋表面的腐蝕呈典型晶間腐蝕特征[2]，如圖6 所示。觀察疲勞擴展區可見如圖7a 所示的疲勞弧線，進一步放大觀察可見如圖7b 所示的清晰疲勞條帶[1]；瞬斷區主要為解理和韌窩混合形貌（如圖8 所示）。

對汽缸基體進行能譜分析，能譜譜線如圖9a 所示，疲勞源區的能譜譜線如圖9b 所示，譜線對應的合金元素含量見表1。由表1 可知基體的合金元素與疲勞源區材料38GrMoAlA 相符，疲勞源區的腐蝕元素主要是氧。

圖5 疲勞源區微觀形貌Fig.5 SEM of fatigue fracture origin regin

圖6 源區附近螺紋工作面的腐蝕形貌Fig. 6 SEM micrographs of corrosion near the fatigue fracture origin region

圖7 疲勞形貌Fig.7 SEM micrographs of the fatigue striations

表1 能譜譜線合金元素及其質量分數Table 1 Alloy elements composition and mass fraction showed by energy spectra%

圖8 瞬斷區形貌Fig.8 SEM micrographs of the fast fracture region

圖9 汽缸基體和疲勞源區能譜Fig. 9 EDX of the cylinder matrix and fatigue fracture origin regin

3 分析與討論

缸體斷口上放射棱線和疲勞弧線清晰，具有典型疲勞斷口特征。根據放射棱線收斂的方向可以判斷疲勞裂紋起源于退刀槽邊緣的螺紋起始處，由外表面向內沿周向擴展，最后瞬斷區較小，疲勞擴展充分。放射棱線起始于螺紋底部的腐蝕坑，源區腐蝕嚴重，疲勞擴展區也有較明顯的腐蝕特征。能譜分析發現源區及擴展區均有較高的含氧量，疲勞源區與其附近螺紋表面的含氧量接近。擴展區疲勞條帶細密，瞬斷區呈解理和韌窩混合特征。根據以上斷口分析可以確定缸體的斷裂為從腐蝕部位起始的疲勞斷裂。

能譜分析表明，源區腐蝕部位的腐蝕元素主要為氧，屬于大氣腐蝕，其產生與使用、保存的時間密切相關。斷口疲勞源區以及源區附近螺紋表面的腐蝕痕跡較重，由此可以推斷其產生的周期較長，腐蝕可能是長期停放期間產生的。據工廠介紹，第5 次大修時對腐蝕狀況僅作目視檢查，但由于汽缸結構限制，目視檢查不能看到缸體退刀槽邊緣的螺紋起始部位，導致僅使用68 h就發生了疲勞斷裂故障。

該型發動機的汽缸主要由活塞、缸體、缸頭組成，缸頭上有2 個分別控制汽缸進、排氣的搖臂室，每個搖臂室都有1 個用來旋緊推桿套的螺紋孔，推桿的往復運動控制進、排氣活門的開合。觀察送檢的汽缸斷口看到疲勞源區位于2個推桿之間缸體退刀槽邊緣的螺紋起始處，可見推桿對缸體的交變作用載荷對疲勞源的萌生位置有直接影響。

4 結論

1）某發動汽缸缸體的斷裂性質是疲勞斷裂，疲勞起源于缸頭與缸體連接部位的螺紋起始處。

2）缸體螺紋起始處的晶間腐蝕是疲勞裂紋萌生的直接原因。

3）腐蝕是在發動機長期存放過程中產生的。

[1]鐘群鵬，趙子華. 斷口學[M]. 北京：高等教育出版社，2006：270—278.

[2]張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國防工業出版社，2004：187—189.