GH2696彈簧失效原因分析

袁鵬

（中航工業南方航空工業集團有限公司，湖南株洲 412000）

GH2696彈簧失效原因分析

袁鵬

（中航工業南方航空工業集團有限公司，湖南株洲 412000）

通過對某型燃氣輪機上使用的高溫合金GH2696彈簧的失效分析，了解到原材料的組織對彈簧性能的影響。

GH2696 彈簧 失效 金相 屈服強度

1 前言

某型燃氣輪機上使用的放氣活門彈簧在使用甚至裝配過程中發現零件壓縮后無法恢復原始高度，彈力嚴重衰減。這種現象嚴重影響了該型燃氣輪機的交付。

放氣活門彈簧材料為GH2696。GH2696是一種以Fe-25Ni-12Cr為基體的高溫合金，在650℃以下具有高的屈服強度和持久、蠕變強度，以及良好的高溫彈性性能、抗燃氣腐蝕性能和加工塑性。適合于制造在650℃以下長期工作的渦輪和壓氣機緊固件、盤件和工作葉片、渦輪殼體、環形零件，以及在400～650℃工作的圓柱形螺旋彈簧等。高溫合金彈簧在航空發動機及燃氣輪機等發動機上使用較多，對該類零件的失效原因分析有重要的現實意義。

2 失效零件的檢測及對比結果

2.1 問題描述

放氣活門彈簧使用材料為直徑為φ2mm的GH2696圓鋼絲，供應狀態為冷拉、固溶。 材料標準為HB5467-90。工藝路線為：繞簧——時效（730℃±10℃，3-3.5h）—鉗工校正—回火。零件設計參數見表1。

存在問題：當彈簧壓縮至H1時，彈力檢測符合設計要求，自由高度不發生變化，彈簧壓縮至Hlim時，彈力符合設計要求。當負荷卸除后，彈簧自由高度縮短1-3mm。重復檢測彈力，彈力1衰減3-7N，極限彈力衰減5-10N。對彈簧進行5-10次立定試驗后，自由長度穩定在44-46mm，不隨立定試驗次數的增加而發生變化。

表1 放氣活門彈簧參數表

2.2 不同批次零件分析

放氣活門彈簧的彈力衰減現象是彈簧在彈性范圍內的一種微塑性變形，是彈簧失效的最常見的表現形式。所以一切影響材料塑性變形的因素，如熱處理制度，顯微組織結構，晶粒度，析出相的形態和分布等都將影響彈減性。

零件彈力衰減現象出現在部分批次，考慮工藝方法沒有發生過變化，熱處理原始記錄檢查也沒有發現問題。因此主要從材料方面尋找原因。選取了四個批次零件進行對比分析。這四個批次零件使用的原材料批次均不同。購買一批新件外，其余批次零件均沒有庫存件，所檢查的零件為發動機上分解下來的。對比結果可看出，進口彈簧使用750小時后彈力及自由高度均未發生變化。國產件中零件彈力及自由高度發生了微小變化，另一部分國產批零件彈力嚴重衰減，自由高度下降了.不同批次的零件性能差異很大，但是國產件中也有零件與進口件性能較接近。

2.3 金相分析及硬度檢查

通過對各批次原材料性能及成分復查及分析均未發現異常。決定對零件進行金相分析。

將進口件、13-1批新件、12-1批、11-1批、10-1批零件及13-1批原材料剖切進行金相檢查：拋光態狀態下觀察，碳化物分布彌散，均相當于GB/T14999.5中A類的1級圖片；腐蝕后觀察（相同腐蝕溶液及腐蝕時間），零件顯微組織及晶粒度結果見表2。

對進口件、13-1批（新件）、12-1、11-1、10-1批使用件及13-1批原材料進行硬度分析，結果見表3。

從表2和表3可看出：（1） 進口件、11-1批、10-1批發動機使用的放氣門彈簧顯微組織及晶粒較為均勻，顯微組織比較接近。但進口件晶粒度等級較國產件高。（2）13-1批（新件）及13-1批原材料存在混晶現象。（3）12-1批放氣活門彈簧雖然晶粒均勻細小，晶粒度等級較高，但為等軸晶，且其晶內無滑移變形特征，硬度相對其他彈簧較為偏低。

表2 顯微組織

表3 硬度結果

3 失效原因分析及討論

由于13-1批彈簧與13-1批原材料顯微組織相同，因此分析認為彈簧加工過程中的繞簧及時效不是造成顯微組織差異的原因，顯微組織差異的原因是由于批次間原材料本身存在差異。

彈簧彈力的大小一般使用彈性極限來衡量。但由于在拉伸試驗中很難精確地測出其彈性極限，因此在工程上通常以屈服極限來衡量彈性極限。鋼絲或鋼帶在退火或固溶條件下，彈性極限和屈服極限很接近。理化分析結果表明原材料與進口樣件相比，成分及機械性能均符合HB5467技術條件要求。但在晶粒等級、晶粒均勻性及顯微組織存在差異，導致屈服強度存在差異，這是國產件在使用或裝配過程中，自由高度及彈力均有所衰減的主要原因。

4 結語

本文通過對GH2696高溫合金彈簧失效原因分析，可以得出以下結論：（1）原材料的晶粒度等級影響材料的屈服強度。混晶及等軸晶等顯微組織對材料屈服強度影響很大。（2）HB5467對原材料要求過低，沒有對晶粒度等級提出要求，不適應生產要求。（3）國內的高溫合金鋼絲制備工藝與國外存在較大差距。