某直升機傳動軸連接螺栓裂紋故障分析

胡超，楊愛華，段鋮

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

某直升機傳動軸連接螺栓安裝于傳動軸連接法蘭盤與柔性聯軸節之間，起連接緊固、傳遞功率和轉速的作用，螺栓如在使用中發生斷裂，會對直升機飛行安全造成極大的危害。某型直升機傳動軸上共計有21件螺栓（材料為30Ni4CrMoA），在隨機飛行200小時定檢時，目視檢查發現1件螺栓（序列號：2012177）12角頭部的槽底部出現裂紋，見圖1，其余20件螺栓均未見異常。

圖1 故障件螺栓裂紋照片

1 故障定位

將故障件螺栓返廠進行失效分析。對故障件進行了外觀檢查，并進行了裂紋及斷口宏微觀觀察、金相檢查、硬度檢測及能譜分析，發現：

（1）螺栓裂紋位于頭部，大致沿圓周方向分布，約占整個圓周的2/3，縱向剖開后發現裂紋最深處深度約為3.2mm、3.0mm，未見明顯機械損傷。

（2）制取高倍金相試片，觀察螺栓裂紋兩側、表面及心部組織，裂紋兩側存在明顯氧化物，但未見脫碳，而螺栓頭部表面存在脫碳跡象。

（3）螺栓硬度合格，整體組織未見異常，為回火索氏體+少量鐵素體。

（4）能譜分析表明，該材料主要合金元素符合30Ni4CrMoA。

由此得出結論：

（1）螺栓頭部裂紋性質為淬火裂紋。

（2）螺栓頭部與凸臺轉角處以及頭部棱角的應力相對集中是裂紋萌生的一個重要影響因素。

根據生產廠家的檢查結果，并結合設計、試制、試驗情況，確定該螺栓12角頭部裂紋故障原因為：

（1）螺栓在熱墩之后進行熱處理前，12角頭部尖角位置已存在熱墩微裂紋趨勢或已出現微小裂紋源，在熱處理（淬火、回火）過程中產生熱應力與組織應力，促使螺栓12角頭部開裂并造成裂紋拓展。

（2）后續的磁粉探傷檢驗出現漏檢、誤檢，未及時發現產品缺陷，使不合格品下轉出廠。

2 機理分析

螺栓的12角頭部為熱墩成型，在熱墩過程中，12角頭部存在熱墩成型應力，尖角位置應力集中，易造成12角頭部在熱墩成型后已存在熱墩微裂紋的趨勢或已出現微小裂紋源；由于在熱墩工序和熱處理（淬火、回火）工序之間缺少磁粉探傷檢驗要求，導致操作者將熱墩之后12角頭部已存在熱墩微裂紋趨勢或已出現微小裂紋源的螺栓提交到了下一道的熱處理工序，在后續的熱處理淬火應力作用下，即在淬火加熱時產生的熱應力和淬火加熱之后的冷卻過程中產生的組織應力作用（熱處理油淬組織轉變應力作用）下，促使12角頭部開裂，并造成裂紋拓展。

螺栓的加工路線為車工→熱墩→熱處理（淬火、回火）車工→磨工→車工→車工→滾絲→車工→磁粉探傷→總檢驗表面處理試驗→稱重→最終檢驗；由于每次進行磁粉探傷檢驗的螺栓數量較多（多達上百件），磁粉充磁后，螺栓放在一起，螺栓之間相互接觸，容易造成磁瀉，形成干擾顯示，造成檢驗員誤判、漏檢，導致螺栓12角頭部可能產生的裂紋沒有被發現。

3 故障復現

為了驗證螺栓12角頭部裂紋產生的原因，進行了4組工藝試驗。序號1、2螺栓工藝試驗中所采用的熱處理工藝與產品螺栓實際生產中熱處理所采用的工藝一致；序號3、序號4螺栓工藝試驗中所采用的熱處理工藝（冷卻過程為水冷）是為了驗證當未按產品螺栓實際生產中熱處理工藝要求（冷卻過程為油冷）進行時，對螺栓熱處理性能的影響，試驗結果見表1。

同時，對工藝試驗件也進行了外觀檢查、裂紋及斷口宏微觀觀察、金相檢查、硬度檢測及能譜分析，在熱處理前原始狀態中12角頭部已存在裂紋的螺栓，在兩種熱處理工藝后（淬火后）裂紋均出現了拓展，裂紋形態：頭部局部可見沿圓周方向分布，裂紋形態與故障件螺栓相似。在熱處理前原始狀態中12角頭部無裂紋的螺栓，在兩種熱處理工藝后（淬火后）均無裂紋出現，試驗結果表明：熱處理前，在螺栓12角頭部已存在熱墩微裂紋趨勢或已出現微小裂紋源情況下，經過熱處理后，促使了螺栓12角頭部開裂并造成了裂紋拓展。

表1 螺栓工藝試驗結果

4 糾正措施及驗證

4.1 糾正措施

根據故障原因，進行了工藝驗證試驗，找到了出現淬火裂紋的原因，并采取了如下糾正措施。

（1）完善工藝規程，在熱墩工序中，補充增加熱墩之后的消除應力處理，消除熱墩成型應力。

（2）完善工藝流程卡，在熱墩工序與熱處理（淬火、回火）工序之間增加磁粉探傷工序。

（3）磁粉探傷檢驗現場采用電木板制作專用工裝，零件充磁后按一字型擺開，互相之間不疊放，避免產生干擾顯示，提高檢測結果的可靠性，避免漏檢、誤檢。

4.2 驗證

對螺栓在熱墩之后進行熱處理（淬火、回火）前，采用改進后的磁粉探傷檢驗方法進行了檢查，即用電木板制作了專用工裝，螺栓充磁后按一字型擺開，互相之間不疊放，見圖2，檢查結果發現，有約1%的螺栓其12角頭部已存在熱墩裂紋。將存在熱墩裂紋的螺栓送理化部門進行了分析，結論如下：“螺栓12角頭部頂端熱處理前存在裂紋，深度約1.2mm。在后續的熱處理過程中，尤其是淬火時，該裂紋有進一步拓展導致頭部開裂的可能”。

圖2 整改后的磁粉探傷檢驗方法

5 結語

經過分析排查，確定了某直升機傳動軸螺栓12角頭部裂紋故障原因，采取了相應的工藝改進措施，并通過了工藝試驗驗證。