鉚釘頭作為一類最為常見的緊固件，其連線方式具有工藝簡單、抗震、耐衝擊、傳力均勻、牢固可靠等優點，被廣泛在機械構件上所使用。鉚釘頭的斷裂性質屬於微動疲勞; 渦輪結構明顯存在被鉚接件較薄、且硬度遠高於鉚釘的設計缺陷; 鉚釘頭脫落的主要原因可能與渦輪結構設計不合理及選材不當有關。採用最佳化渦輪結構、選取抗疲勞強度更佳的鉚釘等措施可以預防類似故障再次發生。
基本介紹
渦輪結構,試驗過程,改進措施,修復工藝,製作過程,
渦輪結構
斷裂鉚釘的渦輪主要由渦輪葉輪、輪箍、鉚釘、測速裝置 4 部分組成，渦輪葉輪與輪箍通過 35 個鉚釘鉚接在一起，使相鄰兩葉片間形成腔體，成為空氣流入、流出的通道。工作時高溫、高壓空氣從渦輪外徑邊緣，沿葉片導向流入，推動渦輪壓縮空氣做功，使空氣溫度和壓力降低，徑向流出渦輪，通過管道等部件輸送到飛機需要冷氣的各個部位。渦輪葉輪由機械加工製成，材料為 2A70 鋁合金，T6 狀態; 輪箍由 GH4169 高溫合金鈑金衝壓成型，時效處理，厚度 0． 3 mm; 鉚釘為採購的標準件，材料為 2A01 鋁合金，T4 狀態; 測速裝置由機械加工製成，材料為 1Cr18Ni9不鏽鋼，固溶狀態。
試驗過程
無損檢測
拆下渦輪對未發生斷裂的鉚釘進行螢光檢測，發現有8 根鉚釘在鉚釘頭與鉚釘桿相接的轉角 R處存在裂紋( 與斷裂位置相吻合) 。拆下新加工、鉚接好的渦輪( 未裝配到渦輪冷卻器上工作過) 鉚釘進行螢光檢測，未發現鉚釘有裂紋存在。
斷口檢查
斷裂鉚釘斷口附近無明顯的塑性變形，斷口較平坦，裂紋由兩側起裂，向心部擴展。一側擴展區域較大，另一側擴展區域較小，基本無瞬時破斷區。斷裂源區有摩擦痕跡，未見初始裂紋痕跡及夾雜等缺陷形貌存在; 斷裂源區附近側表面有明顯的機械摩擦損傷痕跡。擴展區呈羽毛狀花樣形貌，有明顯的疲勞台階和疲勞條帶形貌存在。
對螢光檢測出有裂紋的鉚釘人工打斷，觀察裂紋斷口與人工斷口形貌。裂紋斷口形貌與斷裂鉚釘斷口形貌相同，存在明顯的疲勞斷口特徵( 疲勞條帶)。對拆下已經過螢光檢測，未發現有裂紋缺陷的新加工、鉚接好的渦輪鉚釘( 未裝配到渦輪冷卻器上工作過) ，進一步在掃描電子顯微鏡下對其鉚接變形 R角處進行檢查。R角處只留下了變形產生的滑移帶形貌，未發現鉚接成型缺陷。
金相組織與化學成分
對斷裂鉚釘進行金相組織檢查，金相組織正常，未見過燒現象。
對斷裂鉚釘進行化學成分分析，其結果符合 GB /T 3190—2008 規定的2A01 鋁合金的化學成分要求。
改進措施
1)改用抗疲勞性能更高的鋁合金鉚釘，如2A11 鋁合金鉚釘;
2)在滿足或允許條件下，不使用鉚接結構，可嘗試鑄造整體葉輪;
3)在滿足或允許條件下，增加輪箍厚度，並更換硬度與鋁鉚釘硬度更為匹配的材料，如固溶態的1Cr18Ni9 類的不鏽鋼材料。
修復工藝
（1）鉚釘頭堆焊前的清理①堆焊前鉚釘頭表面磨擦面要清理乾淨，摩擦附著層要打磨掉，並測量復環厚度。②將打磨後的葉片鉚釘頭表面用放大鏡巨觀檢查是否有缺陷。③實際施焊之前，焊工、加熱回火人員應進行焊前練習，在材質為1Cr13鋼的葉片上鑽一些深3mm、φ12mm盲孔，焊工練習時應在盲孔上堆焊，孔既要焊滿又不能和孔壁焊在一起，目的是保證現場焊接時不將鉚釘頭和圍帶焊在一起，以保證堆焊後機組的安全運行。練習合格後，方可施焊。④正式捻鉚施工前，需在堆焊試樣上進行試捻鉚。捻鉚後巨觀檢查應無表面裂紋缺陷，試鉚合格後，方可進行鉚釘頭現場實際鉚接。
（2）堆焊工藝①焊接方法選用全氬弧焊接。②焊接電源選用逆變焊機，用直流正接。③焊接電流選用40～50A，在保證焊接的情況下儘可能選用較小的電流。焊接工件接線應在本級葉輪上，連線需良好，嚴禁接線不良而打火。④焊接前用丙酮對鉚釘頭進行清洗。⑤預熱採用火焰加熱的方法，預熱溫度250～300℃，預熱採用小號火焊把低火焰對葉片鉚釘頭部進行緩慢加熱，加熱時採用遠紅外測溫儀進行測溫。⑥焊絲在使用前將焊絲表面的油、銹清理乾淨，在鉚釘頭一側放置一塊與鉚釘頭材質相同的引弧板，其高度與鉚釘頭相平齊。⑦在引弧板上引弧。為保證堆焊成形好，堆焊時採用短弧焊，周向運弧，焊接電弧應穩定，控制堆焊層形狀，收弧時電弧逐漸移到引弧板熄弧，堆焊厚度為2mm左右，堆焊金屬與母材應圓滑，堆焊過程分為多層焊接，層與層之間溫度控制在200℃左右，焊接時儘可能不與復環焊在一起。⑧鉚釘頭堆焊完畢後用石棉保溫緩冷到室溫。
（3）焊後熱處理①堆焊完鉚釘頭用石棉保溫緩冷到室溫後，進行焊後回火熱處理，回火採用小號火焊把火焰加熱，小的熱能率，中性火焰加熱，加熱範圍包括焊縫和焊縫的熱影響區。②回火溫度為700～720℃，恆溫5min後空冷。加熱時升溫速度要緩慢，回火最高加熱溫度應嚴格控制，嚴禁超溫。
（4）質量檢查①堆焊鉚釘頭修復後進行焊縫表面硬度檢查，硬度合格。②堆焊完成後，將鉚釘頭堆焊層表面用砂紙打磨呈現金屬光澤，對堆焊鉚釘頭表面進行著色無損檢測，合格。
製作過程
（1）捻鉚前將熱處理完畢的鉚頭加熱至700～720℃，使用紅外線測溫儀測溫。
（2）加熱至溫度範圍後立即用1.5磅（0.68kg）重的手錘進行捻鉚。
（3）每個鉚釘頭捻鉚時首先捻鉚軸向兩面，然後再鉚切向兩面。
（4）每一組應首先捻鉚兩端葉片，然後由中間向兩端鉚。以保證鉚接時圍帶可自由延伸。
（5）每個面的鉚接錘擊次數不宜過多，以免冷作硬化。每面一般不要超過2～3錘。
（6）捻鉚後的鉚頭，應能把圍帶裝鉚釘頭的孔覆蓋住，鉚頭表面至圍帶表面平滑過渡。
（7）捻鉚完畢用放大鏡巨觀檢查，無裂紋。有裂紋時應磨除裂紋重新補焊。
