燃氣輪機主軸承滾子表面裂紋分析

梁存良，薛蘊鵬，王凱，郭穎

(中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，沈陽 110043)

主軸承是燃氣輪機傳動件中最重要的部件，其加工質(zhì)量對燃氣輪機影響較大，一旦失效，輕則導(dǎo)致更換軸承，重新磨合試車，增加生產(chǎn)成本，延誤交付周期；重則導(dǎo)致燃氣輪機相關(guān)機件損壞，增加重大的損失。燃氣輪機主軸承失效模式和故障特征多樣，通過開展主軸承故障分析，有利于提前采取控制措施，保證燃氣輪機使用安全[1]。現(xiàn)針對主軸承滾子裂紋原因，從宏觀形貌、微觀形貌、尺寸、硬度、能譜、金相等方面進行分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 故障現(xiàn)象

對燃氣輪機磨合試車后分解檢查時，發(fā)現(xiàn)主軸承2個滾子(1#和2#)工作表面存在目視可見的裂紋，燃氣輪機總工作時間不足4 h。

主軸承為圓柱滾子軸承，有36個φ10 mm×10 mm的滾子。套圈和滾子材料均為8Cr4Mo4V，保持架材料為40CrNiMoA(表面鍍銀)。復(fù)查燃氣輪機主軸承歷次試驗器試驗,磨合試車后的故檢記錄及到壽發(fā)動機分解檢查記錄，除常規(guī)壓劃傷超標報廢外，未發(fā)現(xiàn)滾子裂紋故障。

2 故障檢查

2.1 宏觀檢查

主軸承套圈、保持架、其他34個滾子表面工作痕跡及顏色正常，符合磨合試車后故檢要求。

1#滾子工作表面存在沿軸向成近乎貫穿的一條平直裂紋，裂紋尾部呈黑色氧化色，頭部與外表面相通，從一端倒角向另一端延伸，長約5 mm，寬約0.1 mm(圖1a)。2#滾子裂紋頭部與外表面相通，一條細直裂紋沿軸向貫穿整個工作表面(圖1b)。

圖1 滾子宏觀形貌

2.2 微觀檢查

2.2.1 1#滾子裂紋微觀形貌

觀察1#滾子裂紋橫截面形貌可知，裂紋頭部呈Y字形開口，自滾子表面呈連續(xù)狀且由寬變窄，裂紋總深度約0.34 mm，寬約0.008 mm(圖2a)；裂紋尾部與工作面基本垂直，中間粗兩頭細，靠近外徑面一側(cè)有分叉(圖2b)。

圖2 1#滾子裂紋微觀形貌

放大裂紋形貌發(fā)現(xiàn)，其尖端相對圓鈍，表面覆蓋有大量具有氧化物特征的填充物，且表面磨削痕跡明顯，裂紋兩側(cè)未見明顯聚集或大尺寸夾雜物(圖3)。

圖3 1#裂紋局部形貌

2.2.2 2#滾子裂紋微觀形貌

2#滾子裂紋自工作面向內(nèi)部延伸呈V字形，裂紋頭部深約0.2 mm，寬約0.002 mm(圖4a)；裂紋尾部與頭部相比，逐漸變淺變細并逐漸消失(圖4b)。

圖4 2#滾子裂紋微觀形貌

2.3 尺寸檢測

對軸承(更換2個滾子)的尺寸、精度和徑向游隙進行測量，結(jié)果均符合圖紙及GJB 269A—2000《航空滾動軸承通用規(guī)范》要求。

2.4 硬度檢查

利用HR-150G洛氏硬度計對故障滾子和正常滾子的硬度進行檢測，每個滾子隨機檢查3個點，結(jié)果見表1。由表可知，滾子硬度均符合GJB 269A—2000規(guī)定的8Cr4Mo4V硬度要求值(60～64 HRC)。

表1 滾子硬度

2.5 能譜檢測

利用X射線能譜儀對1#滾子裂紋剖面進行能譜檢測，結(jié)果見表2。由表可知，除基體本身含有的Cr，Mo，V外，O元素和其余非金屬元素相對較高，無其他外來成分，說明裂紋內(nèi)含有氧化物。

表2 滾子裂紋能譜檢測結(jié)果

2.6 金相檢查

從垂直于滾子裂紋方向的截面磨制金屬試樣，在金相顯微鏡下觀察滾子組織，其組織為3級(JB/T 2850—2007《滾動軸承 Gr4Mo4V高溫軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》中規(guī)定為2～4級)。以1#滾子為例，其裂紋金相組織形貌如圖5所示。由圖可知，裂紋深約0.29 mm，兩側(cè)組織與內(nèi)部未見明顯差異，主要為針狀馬氏體組織，未見燒傷組織和脫碳現(xiàn)象；從解剖面看，裂紋內(nèi)部存在氧化填充物，裂紋尖端圓鈍。

圖5 1#滾子裂紋金相組織形貌

3 裂紋原因

以上檢查結(jié)果說明裂紋在磨削加工之前已經(jīng)存在[2]，可能發(fā)生在淬火過程中或淬火之前。

主軸承滾子由φ10.5 mm圓形棒料磨削至φ10 mm。棒料成形工藝為：真空感應(yīng)爐熔煉→電渣重熔→退火→鍛造開坯→退火→探傷→熱軋→退火→探傷→拉拔→退火→探傷。由棒料加工成滾子的工藝為：磨光至φ10 mm→熱處理(鹽浴爐淬火+低溫回火)→研磨[3]。磨削加工過程中形成的裂紋可能是磨削或熱處理(淬火)裂紋，這2種裂紋尖端均較尖銳，與故障裂紋形貌不符。

滾子棒料生產(chǎn)工藝過程為方坯鍛造熱軋至φ13 mm圓形棒料，然后冷拉成φ10.5 mm圓形棒料，此工藝僅存在鍛造軋制過程中產(chǎn)生的表面折疊裂紋或冷拉過程中形成的表面劃傷這2種缺陷形式[4]。若是在鍛造軋制過程中形成的表面折疊裂紋，兩側(cè)必有嚴重脫碳甚至氧化皮，與金相組織形貌描述中未見脫碳現(xiàn)象不符；若是冷拉過程中形成的表面劃傷，其深度較淺且不可能分布在次表面，與裂紋微觀形貌描述不符。

從故障滾子表面具有開口特征，裂紋內(nèi)表面被氧化物覆蓋，裂紋端部圓鈍，裂紋兩側(cè)未見明顯聚集或大尺寸夾雜物及燒傷組織和脫碳現(xiàn)象等特性分析，其符合8Cr4Mo4V軸承鋼冶金缺陷中的皮下氣泡特征。裂紋可能在軸承鋼冶煉過程中的抽真空階段產(chǎn)生，由于真空程度不夠，使鋼中存在殘余空氣，氣泡在之后的凝固過程中來不及上浮逸出而滯留在鋼中，隨后的軋制過程中在鋼材近表面形成皮下氣泡[4-5]。

綜上所述，滾子裂紋并非由于工作原因?qū)е卤砻骈_裂，而是軸承鋼在冶煉過程中產(chǎn)生皮下氣泡形成的缺陷。裂紋端部表層金屬變形覆蓋在其表面，導(dǎo)致裂紋在后續(xù)檢測過程中很難發(fā)現(xiàn)；后道冷拉成品及滾子磨加工工序未能完全消除，成品表面檢驗漏檢；在后續(xù)使用中由于表面受力，覆蓋在裂紋表層的金屬脫落，使裂紋肉眼可見。與頭部相比，裂紋尾部逐漸變淺變細并逐漸消失，由此可判斷滾子表面裂紋處可能是原材料缺陷的尾部或頭部[4,6]。

4 預(yù)防措施

1)鋼材生產(chǎn)廠應(yīng)改進冶煉工藝，加強渦流探傷檢查，確保原材料出廠無缺陷。

2)軸承制造廠在原材料入廠復(fù)驗時應(yīng)增加探傷檢驗程序，加強成品探傷檢驗的過程控制。

3)發(fā)動機裝配廠在軸承裝機前應(yīng)增加目視和滾子渦流探傷檢查工序。