某燃气涡轮起动机火焰筒外体裂纹问题研究

陈雪 刘萌 刘爱阳 曾慧敏

摘要：某小型燃气涡轮起动机在厂内试车后分解检查时发生燃气涡轮燃烧室火焰筒外体止裂口裂纹。围绕该故障，从分析起动机燃烧室结构着手，进而从设计、零件加工质量、加工工艺等方面进行分析、验证，找出裂纹可能原因。在大量工艺试验的基础上，确定了裂纹原因，从根本上解决该系列起动机火焰筒外体裂纹问题。

关键词：燃气涡轮起动机；燃烧室；火焰筒外体；止裂口

1. 概述

某小型燃气涡轮起动机在厂内试车、录取性能后，分解检查发现火焰筒外体底部Φ2止裂孔槽处出现裂纹。

2. 燃烧室功能与结构

2.1燃烧室组成

燃烧室为折流环形燃烧室，由火焰筒内体、火焰筒外体、燃烧室机匣等组成。

2.2火焰筒外体组成

某型燃气涡轮起动机火焰筒由高温合金板材制造并由火焰筒外体和火焰筒内体组成。

火焰筒外体由定位环和外环组合等零组件组成。

3. 工艺分析

经对火焰筒外体工艺进行复查，具体工艺路线如下：

火焰筒外体的加工：配套→钳工→点焊(钳工配合)→钳工→点焊（焊接正面环和外环组合）→钳工→车工→铣工→钳工→检验

2018年1月进行工艺调整，将冲工冲切底面内孔（Φ122处），车工去除法兰边和激光加工Φ2止裂孔槽的内容，改为一次激光切割加工，同时在激光切割后增加止裂孔槽去重熔层的要求，φ2孔先加工至φ2，再用钻头φ2扩孔。经分析，增加扩孔要求是为了消除重熔层，合并工序主要是提高加工效率和加工质量，止裂孔槽处的加工工艺无更改，仍为激光切割。因此，更改对Φ2止裂孔槽处产生裂纹无影响。

4. 实物质量分析

对故障批及火焰筒外体涉及到的材料入厂复验时进行了成分、零组件加工质量等进行复查，各项均符合要求。

5. 冶金分析

5.1外观检查

火焰筒外体头部共有6个均布的小孔，其中荧光检查标记存在裂纹的小孔有5个，将未标记小孔编号为1#，沿顺时针方向将其余5个小孔依次编为2#~6#，经体式显微镜放大观察，1#、2#小孔未见明显裂纹，3#~6#小孔在与开口槽呈180度方向均存在1条裂纹，裂纹均已穿透板厚方向，呈平直状，长度分别约为：1.9mm，2.8mm，3.5mm、0.7mm，6个小孔靠火焰筒外体外表面一侧孔边存在轻微打磨痕迹，靠火焰筒外体内表面一侧孔边及孔壁表面未见打磨痕迹及机加缺陷，火焰筒外体整体外表面呈浅棕色，局部呈蓝色。

5.2断口分析

分别将3#~5#裂纹打开后进行断口观察：裂纹断面均较平整，断面颜色呈浅棕色；断面上可见较多的小平面，可见明显的疲劳台阶和放射棱线，呈典型的疲劳断口特征，由棱线的收敛方向判断，裂纹起始于火焰筒外体小孔孔壁部位，为点源及线源，裂纹起始后沿径向扩展；裂纹起始部位源区未见机加及冶金缺陷，扩展区可见明显的疲劳条带特征。

5.3金相分析

分别对2#、6#小孔进行金相检查，符合相应技术条件要求。

5.4成分分析

对火焰筒外体基体进行能谱分析，结果未见异常。

5.5硬度检测

对1#、2#、6#小孔孔边、激光切割槽及正常基体进行硬度检查，孔壁表面存在深度约0.4~0.5mm的硬化层，显微硬度值明显高于其余部位。

5.6冶金分析结论

（1）火焰筒外体基体材料化学成分符合相关技术条件要求；

（2）火焰筒外体裂纹性质均为疲劳开裂，疲劳起始于激光孔内壁表面。

6. 工艺试验

根据冶金分析裂纹处孔口硬度异常现象，进行工艺试验，查找孔口局部硬度偏高的原因以便消除硬化现象。工艺试验主要内容如下：

6.1调整止裂孔加工工序的顺序

先切孔试件状态：试件为火焰筒组件状态，按照现有工艺路线进行加工的零件，φ2止裂孔槽在第一/第二外环中激光切割, 同时在激光切割后增加止裂孔槽去重熔层的要求。取止裂孔槽进行硬度检查。

后切孔试件状态：试件仍为火焰筒组件状态，在原有φ2止裂孔槽相应位置附近重新激光切割φ2止裂孔槽，去除飞溅后检查硬度。

先切孔与后切孔孔口A部位硬度对比情况见图2。

1. 切孔顺序硬度对比折线图

从图2可以明显看出在成检前一道工序加工止裂孔可有效消除孔口硬度异常偏高现象。

6.2焊接正面环的硬度变化情况

试件状态：从现场抽取一件加工的火焰筒外体半成品，进行时效→修配→焊接正面环。

经分析，组合焊接正面环后孔壁表面硬度略有变化，因此可判断焊接正面环对孔壁部位硬化现象影响较小。

6.3校正高度前后的对比情况

试件状态：对焊接了正面环的火焰筒外体进行校正，保证总高95.4。焊接正面环后，零件总高比实际工艺文件中要求的95.4±0.2高1~1.5mm，校正前后孔壁部位硬度变化情况见图2。

2. 校正影响对比折线图

从图2中可以看出，校正总高后孔壁部位硬度会升高约18.7%，因此可判断钳工校正总高对孔壁部位硬化现象存在较大影响。

工艺试验结论：通过工艺试验，对孔壁硬度影响较大的是火焰筒外体组件校正高度，焊接正面环及热处理也会产生一定的影响。将止裂孔先加工为Ф1孔再在火焰筒外体校正后安排钳工扩孔至Ф2可以有效去除硬化层。

7. 原因分析

综上，通过对燃烧室结构分析，以及往年长试起动机试车检查结果、外场起动机返厂检查情况，起动机工作后该处容易出现裂纹。

1）通过加工质量、装配情况、试车情况等复查，未发现异常。

2）通过对工艺规程复查，增加扩孔要求等的工艺更改可有效去除激光加工引起的重熔层。火焰筒外体外环加工工艺路线合理，工艺成熟稳定。

3）依据冶金分析结论，火焰筒外体裂纹性质均为疲劳开裂，疲劳起始于止裂孔内壁表面。裂纹处无冶金和加工缺陷，但存在硬化现象。

4）根据工艺试验结果，造成孔口硬化现象的是火焰筒外体中校正总高工序。由于第一/第二外环经模具成型时有一定的回弹，角度尺寸6°±2°实测只有4°~5°，间接导致组合成火焰筒外体后长度尺寸95.4mm变长，为确保机加后定位环厚度尺寸3min合格，需钳工校正长度尺寸。校正时孔口沿气膜槽方向受力最大，冷作硬化，导致硬度局部增大。

8. 结论

分析认为可能是由于起动机试车过程中气流振动作用下，硬度较高的部位达到疲劳极限引起开裂。造成孔口硬化现象的主要原因是：火焰筒外体中校正总高工序，校正量约1~1.5mm，校正时孔口沿气膜槽方向受力最大，冷作硬化，导致硬度局部增大。

参考文献

[1]陈光 编著.《航空发动机构造》〔M〕北京：北京航空航天大学出版社 2006.

[2]廉筱纯 吴虎 编著.《航空发动机原理》〔M〕西安：西北工业大学出版社 2006.

[3]刘长福 邓明 编著.《航空发动机结构分析》〔M〕西安：西北工业大学出版社 2006.

作者简介：陈雪（1987-11），女，汉族，籍贯：湖南省岳阳市，当前职务：技术质量主管，当前职称：助工，学历：本科，研究方向：航空发动机技术质量控制

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