GH4169螺栓螺钉应用技术研究

摘要：GH4169螺栓螺钉在美标和航标中设计为同一材料具有两种类型：抗应力断裂型和抗疲劳型。相对的，法国宇航标准及国内部分企业标准对两种类型未做区分。因此需要对抗应力断裂型和抗疲劳型螺栓螺钉的划分机理进行系统性的探索分析。

关键词：GH4169螺栓螺钉;抗应力断裂型;抗疲劳型;试验

1概述

在航空发动机上万零件中，螺栓螺钉虽小，但它是构成发动机的基本元素，使用量大面广，起着重要的紧固及传递载荷的作用，其可靠性直接影响到发动机整机的寿命和安全。

航空发动机常用耐高温材料螺栓螺钉有： GH4169、GH4141、GH500、GH4738、GH6159等。其中GH4169材料螺栓螺钉，是航空发动机中使用最广泛的、综合性能较好的紧固件之一。GH4169材料螺栓螺钉在美标和航标中设计为同一材料具有两种类型：抗应力断裂型和抗疲劳型。这两种类型螺栓螺钉的加工工艺差异在于：抗应力断裂型螺栓，固溶后滚螺纹再时效；抗疲劳型螺栓固溶时效后再滚压螺纹。然而，法国宇航标准及国内部分企业标准对两种类型未做区分，要求同一个螺栓螺钉同时满足这两种类型的性能要求。

为系统性的探索分析抗应力断裂型和抗疲劳型螺栓螺钉的划分机理，研究其制造工艺的特殊性与性能、服役状态、温度变化与失效模式的关系，指导企业在型号研制中正确的制造和选用，本文就相关应用进行技术研究。

2试验方案

1）选择国产材料与进口材料的抗疲劳型螺栓和抗应力断裂型螺栓，进行不同温度下的抗疲劳性能和抗应力断裂性能对比试验。

2）要求四种产品必须使用同批次国产或进口原材料，按同样的热处理制度同炉进行热处理。

3）要求四种产品在加工过程中，确保相同工序的加工方法和加工参数一致。

3试验方法

1）高温拉-拉疲劳试验

按GJB715.30A进行高温拉-拉疲劳试验，试验过程要求不能因为对紧固件施加力矩或其它安装程序而使紧固件内产生拉应力。

试验参数：

高载：9.43KN

低载：0.943KN

频率：90HZ±5HZ

寿命：单件寿命不低于45000次，平均寿命不低于65000次，130000次按130000次计算平均值。

2）应力断裂试验

按GJB715.29进行应力断裂试验，将试验件装入试验装置，安装时要求不能产生非轴向力并保证至少有2扣完整螺纹不旋合。

4试验数据

1）高温拉-拉疲劳试验

对两种类型的螺栓螺钉，按不同材料及温度进行对比试验，试验结果如表1，结果表明：550℃以下，无论是国产材料还是进口材料，抗疲劳型螺栓螺钉的抗疲劳性能均优于抗应力断裂型。

2）应力断裂试验

对两种类型的螺栓螺钉，按不同材料及温度进行对比试验，试验结果如表2，结果表明：无论是国产材料还是进口材料，抗应力断裂型螺栓螺钉的抗应力断裂性能整体优于抗疲劳型。

5晶粒对比分析

通过对两种类型螺栓的牙顶及牙底的晶粒对比分析，我们可以发现抗疲劳型牙顶及牙底晶粒组织细腻、均匀，更有利于抗疲劳；抗应力断裂型牙顶及牙底晶粒度组织较粗，反映出其抗应力断裂性能更好。

6显微硬度梯度和表面残余应力变化规律分析

为进一步分析两类螺栓的表面应力状态，开展了不同热暴露条件下的残余应力和显微硬度测试。

6.1硬度梯度分布

选取两件抗疲劳型螺栓并编号1#、2#。先采用显微硬度计测量1#和2#螺栓热暴露前的根部R角硬度梯度分布。再将1#螺栓先后经历500℃/1h和500℃/10h的热暴露后，分别测量根部R角硬度梯度分布；将2#螺栓先后经历600℃/1h和600℃/10h的热暴露，分别测量根部R角硬度梯度分布。

1#螺栓热暴露前，根部R角的显微硬度随着深度的增加逐渐减小，硬化层的深度约为1.80mm。500℃热暴露1h后，硬化层的深度仍然保持在1.80mm；而500℃热暴露10h后，硬化层深度约为1.60mm，衰减了11.1%。

2#螺栓热暴露前，根部R角的显微硬度随着深度的增加逐渐减小，硬化层的深度约为1.50mm。600℃热暴露1h后，硬化层的深度约为1.20mm，衰减了20%；而600℃热暴露10h后，硬化层深度约为0.999mm，衰减了33.4%。

6.2残余应力分布

选取两件抗疲劳型螺栓并编号3#、4#。采用X射线残余应力测试仪，测量热暴露前后螺栓根部R角表面的残余应力值。

3#螺栓热暴露前表面处于残余压应力状态，经500℃热暴露1h后，表面残余应力值由-243MPa衰减到-220MPa，衰减9.4%；经10h后，表面残余压应力值衰减33.3%；经25h后，表面残余压应力值由-243MPa衰减到-133MPa，衰减45.2%。

4#螺栓热暴露前表面处于残余压应力状态，经600℃热暴露1h后，表面残余应力值由-280MPa衰减到-203MPa，衰减27.5%；经600℃热暴露10h后，表面残余应力值衰减到-121MPa，衰减56.8%；经600℃热暴露25h后，表面残余应力值衰减到-2MPa，衰减99.3%。

通过两项分析，可以发现：抗疲劳型螺栓的表面硬化现象在热暴露后，会发生显著的衰减，其抗疲劳性能也会随之降低。

7结论

通过上述试验、检测的对比分析，不难看出抗应力断裂型螺栓螺钉在高温环境下的抗应力断裂性能整体优于抗疲劳型，而抗疲劳型螺栓螺钉的抗疲劳性能整体优于抗应力断裂型，但是在高温环境下其原有的抗疲劳性能会随时间延长及温度升高不断降低，其抗应力持久性能也随之下降且低于抗应力型。而目前所有的相关标准规定的疲劳性能考核指标均是在室温下的考核，即使制造出来的螺栓螺钉同时满足了抗应力和抗疲劳的性能要求，在高温工作状态下，其疲劳性能也会随之消失，因而说明美标及航标划分抗疲劳型和抗应力型是有其科学依据及合理性的。

因此，对于 GH4169螺钉螺栓，应该根据工作环境的实际情况，按需选择抗应力断裂型或抗疲劳型螺钉螺栓其中之一，而不是为了 “保险起见”盲目要求满足所有性能。