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

(中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽 110043)

主軸承是燃氣輪機傳動件中最重要的部件，其加工質量對燃氣輪機影響較大，一旦失效，輕則導致更換軸承，重新磨合試車，增加生產成本，延誤交付周期；重則導致燃氣輪機相關機件損壞，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，并提出相應的預防措施。

1 故障現象

對燃氣輪機磨合試車后分解檢查時，發現主軸承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動機分解檢查記錄，除常規壓劃傷超標報廢外，未發現滾子裂紋故障。

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，靠近外徑面一側有分叉(圖2b)。

圖2 1#滾子裂紋微觀形貌

放大裂紋形貌發現，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，結果均符合圖紙及GJB 269A—2000《航空滾動軸承通用規范》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，結果見表1。由表可知，滾子硬度均符合GJB 269A—2000規定的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，說明裂紋內含有氧化物。

表2 滾子裂紋能譜檢測結果

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 熱處理技術條件》中規定為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，兩側組織與內部未見明顯差異，主要為針狀馬氏體組織，未見燒傷組織和脫碳現象；從解剖面看，裂紋內部存在氧化填充物，裂紋尖端圓鈍。

圖5 1#滾子裂紋金相組織形貌

3 裂紋原因

以上檢查結果說明裂紋在磨削加工之前已經存在[2]，可能發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，裂紋內表面被氧化物覆蓋，裂紋端部圓鈍，裂紋兩側未見明顯聚集或大尺寸夾雜物及燒傷組織和脫碳現象等特性分析，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導致表面開裂，而是軸承鋼在冶煉過程中產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，導致裂紋在后續檢測過程中很難發現；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 預防措施

1)鋼材生產廠應改進冶煉工藝，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驗時應增加探傷檢驗程序，加強成品探傷檢驗的過程控制。

3)發動機裝配廠在軸承裝機前應增加目視和滾子渦流探傷檢查工序。