發動機高溫合金緊固件高溫粘結研究

隋明麗 張 輝

（中航工業綜合技術研究所，北京 100028）

飛機發動機連接，大量采用高溫合金材料的緊固件，經過初步統計，國外飛機發動機選用高溫合金螺栓的材料主要是Inc.718、A286、MP159、Rene41和Wasploy ，其中對于螺栓90%以上采用的是Inc.718材料；對于螺母和自鎖螺母，以自鎖螺母居多，其材料主要是Wasploy和A286。

發動機緊固件使用環境嚴酷，其連接件要求具有耐高溫、高強、高抗疲勞性，并要求具有良好的防松性等特點。另外，由于發動機經常需要拆卸、維修、檢查，要求發動機緊固件具有良好的可維修性和互換性。但是，在發動機日常維護分解過程中，經常遇到螺栓、自鎖螺母螺紋粘結，分解過程中導致螺栓擰斷、頭部變形、或螺母搬擰面變形，使扳擰工具無法正常工作，最終只能以破壞分解的形式完成拆卸緊固件的工作。這種結果不僅容易損傷發動機結構，而且發動機結構復雜、安裝空間狹窄，一旦出現螺栓螺母螺紋咬死現象，將給發動機檢修、維護分解帶來很多困難。

1 主要性能要求

為了防止在發動機使用過程中出現難以分解的問題，在螺紋緊固件標準中提出了各種性能指標，控制緊固件性能在滿足結構連接需要的同時，也能滿足使用要求。

如，抗扳擰試驗考核自鎖螺母的扳擰面抗扳擰的能力。高溫自鎖螺母，要求5次加載加溫試驗，加載精度要求達到±1μm，考核高溫自鎖螺母在高溫、高載條件下，反復裝拆能力和放松性能；如，材料為Wasploy 的MJ螺紋自鎖螺母，抗扳擰力矩與振動試驗施加的力矩比較見表1。

表1 抗扳擰力矩與振動試驗施加的力矩比較

從表1中可以看出，抗扳擰力矩遠高于一般的安裝力矩。

5次加載加溫試驗，試驗要求：

用中性潤滑油潤滑螺母和螺栓螺紋，裝上襯套后，組裝螺母和螺栓。當螺栓伸出至少2倍螺距（包括倒角）時，測量最大鎖緊力矩應符合產品技術條件的規定。擰緊螺母以便獲得螺栓的伸長量△L，按公式（1）計算得到（該測量要精確到±1μm）：

式中：σ—螺栓的軸向強度，MPa；

L—襯套長度，L＝34mm；

E—螺栓的彈性模量，MPa；

M—螺栓桿的長度（不包括不完整螺紋），mm；

H—被試螺母的總高度，mm；

d3—螺紋部分最大的根部直徑，mm；

D—被試螺栓桿的實際直徑（在M范圍內測量），mm。

組合件加載后，在室溫下保持1h；再測量伸長量，必要時，重新調整伸長量，以便獲得要求的預載荷（該測量要求精確到±1μm）。

加溫組合件到730℃±5℃，保溫6h±15min，然后空冷到室溫，測量最小鎖緊力矩。擰出螺母。

重復這個周期5次，每次擰出螺母后，螺栓應清刷干凈和潤滑，每一周期在相同條件下測量最大、最小鎖緊力矩，均應符合產品技術條件。

2 對比試驗分析

在實際試驗過過程中，5次加載、加溫試驗經常出現試驗結果不合格的現象如下：

加載加溫并保溫6h后，螺栓螺紋與自鎖螺母螺紋粘結咬死，無法拆卸時，試驗只能終止。

自鎖螺母拆卸力矩過大，使自鎖螺母扳擰面變形，試驗組合件無法分解，只能終止試驗；

拆卸組合件時，拆卸力矩過大，對自鎖螺母收口變形區有沖擊作用，最小鎖緊力矩減小，導致自鎖螺母鎖緊性能不合格；

最小鎖緊力矩不合格。

高溫自鎖螺母5次加載加溫一項試驗需要進行一周的時間，此項試驗，經常反復給鑒定試驗單位帶來巨大壓力。另外，零件生產廠的產品不能及時通過產品鑒定試驗，也帶來巨大經濟損失。

針對試驗經常出現不合格的情況，國內有單位曾經懷疑，是否是我們的標準要求過嚴？但是通過分析國內外所有可能搜集到的十多份高溫自鎖螺母標準，都有5次加溫5次加載試驗要求，而且技術要求和試驗方法高度統一，完全相同。

2010年，結合某型號發動機自鎖螺母問題分析，有機會將相同型號的國外進口的鍍銀自鎖螺母與國產的自鎖螺母進行鑒定試驗對比，結果顯示：

國外進口件5次加載加溫試驗試驗順利完成，鎖緊力矩滿足標準要求。試驗后剖開自鎖螺母，檢查鍍銀層情況見圖1，鍍銀層仍然完好。

國內自鎖螺母繼續進行5次加載加溫試驗，其中生產廠A的產品，螺紋粘結無法拆卸，用線切割去掉夾層，拆下自鎖螺母，剖開檢查鍍銀層情況圖2。

其中生產廠B的產品，完成了5次加載加溫試驗后，試驗結果合格（但是每一批之間試驗結果不穩定，有時合格，有時不合格），剖開螺母檢查鍍銀層情況見圖3。

3 結論和建議

從國內外高溫自鎖螺母鍍銀層情況分析可以看出，影響5次加載、加溫試驗結果的關鍵因素之一是鍍銀層質量。良好的鍍銀層能防止自鎖螺母螺紋高溫粘結，提供良好的螺紋連接的潤滑性能。

另外，發動機自鎖螺母，一般都要求螺紋鍍銀。從圖4 可以看出，國外零件僅在內螺紋上有鍍銀層，而外部扳擰面上無鍍銀層。但是，國內生產的零件，整個自鎖螺母內外都有鍍層，見圖5。

鑒于目前國內自鎖螺母鍍銀技術現狀，要提高高溫自鎖螺母產品鑒定試驗合格率，提高自鎖螺母產品質量，保證發動機緊固件連接的順利進行，建議盡快開展自鎖螺母鍍銀技術攻關工作。

圖1 國外進口零件

圖2 生產廠A零件

圖3 生產廠B零件

圖4 國外樣件

圖5 國內樣件

首先，針對發動機高溫自鎖螺母的鍍銀要求，在結構尺寸標準中增加鍍銀標準、鍍銀層質量檢查標準，在進行自鎖螺母鑒定試驗之前，先進行鍍銀層鑒定試驗，對鍍層厚度、結合力、耐高溫粘接力、抗硫性、氫脆性、耐高溫性等進行鑒定。

第二，目前國內航標鍍銀標準有HB/Z 5074-1993《電鍍銀工藝》、HB 5051-1993《鍍銀層質量檢驗》，但是缺少相關高溫性能的要求，只是HB7686-2001《使用溫度高于425℃的MJ螺紋自鎖螺母通用規范》中對鍍銀自鎖螺母的高溫粘接力提出了考核技術要求和試驗方法。建議標準主編單位參照AS2411《電鍍銀—用于高溫環境》，盡快修訂HB系列鍍銀標準，滿足高溫緊固件產品生產和使用的需要。

第三，提高自鎖螺母鍍銀層質量的同時，必須對內螺紋鍍銀的技術和工藝進行攻關，徹底解決自鎖螺母外部不能有鍍銀層的工藝技術，滿足發動機安裝使用要求。