鈦合金螺栓與自鎖螺母咬死故障原因分析

李東東，谷勝民，劉 濤，韓 露，李阿妮，馬瑞忠

(1.中國運載火箭技術研究院，北京 100076;2.航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

鈦合金緊固件由于具有密度小、強度高、比強度大，且高低溫性能與抗疲勞性能優異等特點，故非常適合在火箭、導彈、飛機等高速飛行器上使用［1-2］。鈦合金螺栓與鈦合金自鎖螺母作為重要的“航天緊固件”，兩者配合使用，其工作原理是鈦合金螺母一端制成橢圓形收口，螺栓擰入螺母體內后，收口張開，利用收口的回彈力使旋合螺紋間壓緊，產生鎖緊力矩，達到防松鎖緊的目的。鈦合金螺栓與鈦合金自鎖螺母擰緊時，螺紋發生粘連、咬死現象是設計與使用過程中遇到的較大難題，大大限制了其在航天領域的應用。大量試驗研究證明，結合基體表面強化和表面潤滑2項技術措施，有效地解決了粘連、咬死問題，使得鈦合金螺栓及自鎖螺母在航天領域得到了更為廣泛的應用［3］。

某型號試驗件拆卸過程中，連接支架和井字梁用的TB3鈦合金螺栓與TB3鈦合金自鎖螺母發現相互咬死，隨后于庫存分別抽取2件故障批螺栓和2件故障批自鎖螺母進行擰入擰出工裝試驗，結果分別在擰入擰出5次循環、6次循環后發生咬死故障，均不符合標準要求(標準規定擰入擰出15次循環不發生咬死故障)。此自鎖裝置裝配在彈體的重要連接處，一旦被裝配的零件在使用過程中發生咬死故障，將直接影響飛行任務的順利進行，后果十分嚴重;因此，對咬死故障進行分析研究以避免此類故障的再次發生具有非常重要的意義。

本研究通過對故障螺栓的形貌分析、金相分析以及對3種狀態螺栓的對比分析研究，確定咬死故障的形成原因，為避免此類故障的發生提供有利依據。

1 試驗過程與結果

1.1 故障影響因素排查與驗證試驗

取故障批螺栓、合格批螺栓(庫存已完成飛行任務、未發生咬死故障批次)與故障批自鎖螺母進行擰入擰出工裝試驗，對故障源進行初步排查，結果見表1。

表1 故障影響因素初查Table 1 Factors analysis of the failure

對故障批螺栓與故障批自鎖螺母的生產工藝過程進行復查:故障批自鎖螺母為正常工藝生產，未發現異常;故障批螺栓為非正常工藝生產，存在異常。

正常的螺栓生產工藝流程為:備料→下料→車→無心磨→上涂層→冷鐓→噴砂→車→銑方→去毛刺→熱處理→噴砂→上涂層→滾絲→噴砂→涂覆MoS2→驗收。故障批螺栓為廠家庫存黃色陽極化螺栓改鍍生產，改鍍生產的正確工藝流程應為:黃色陽極化螺栓退膜→噴砂→涂覆MoS2→驗收;而故障批螺栓的實際工藝流程:螺栓產品退膜→涂覆MoS2→驗收。

可見，正常的螺栓生產工藝與正確的改鍍生產工藝在涂覆MoS2之前都應進行噴砂處理，而故障批螺栓未按照工藝要求進行生產，在涂覆MoS2之前未進行“噴砂”處理，黃色陽極化螺栓退膜后直接涂覆了MoS2。

按正常生產工藝(非改鍍)、正確改鍍工藝及缺少噴砂處理的非正確改鍍工藝生產3種狀態螺栓，與故障批自鎖螺母進行擰入擰出工裝試驗，進而對故障源進行驗證，試驗結果見表2。

表2 故障影響因素驗證Table 2 Results of verification test

上述試驗結果表明，此次咬死故障源于螺栓未進行噴砂處理。

1.2 故障螺栓分析

1)形貌觀察。

采用機械方法將故障自鎖螺母進行分解，采用掃描電鏡對分解后螺栓的形貌進行觀察，螺栓形貌如圖1所示。可以看出，螺栓前三道螺紋的螺齒均存在不同程度的軸向磨損，部分齒尖被磨平，螺紋頂端局部區域存在塊狀的物質轉移及堆積。

圖1 故障螺栓形貌Fig.1 Morphology of the failed bolt

2)金相觀察。

對分解后的故障螺栓取樣并制成金相試樣進行金相分析，金相形貌如圖2所示。

從剖切面的金相形貌上可以看出，螺栓的三道螺紋螺齒損傷嚴重，螺齒被磨平或斷裂，可見明顯的變形流線及塊狀堆積物，堆積物與螺齒的局部區域形成冷焊，能譜分析表明堆積物的主要成分:Ti、Mo、Al、V 及少量的 Fe 元素。

1.3 對比分析

1)涂層形貌觀察。

采用掃描電鏡對3種螺栓表面涂層形貌進行觀察，微觀形貌如圖3所示。

從圖3可以看出，改鍍未噴砂螺栓表面涂層主要以片狀物質為主;改鍍噴砂螺栓及非改鍍螺栓表面涂層除片狀物質外，還存在球狀物質(能譜分析表明，球狀物質主要含有 C、O、Ba、Ti元素)。其中，改鍍噴砂螺栓表面涂層存在的球狀物質數量較少、尺寸較小，直徑約為3 μm;非改鍍螺栓表面涂層的球狀物質數量較多，直徑較大，直徑約為 7 μm。

2)涂層截面分析。

沿3種螺栓的縱向剖開，制備金相試樣，對涂層的截面形貌及涂層厚度進行觀察，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，3種螺栓表面涂層的截面形貌特征基本一致，均可見片狀、塊狀物質的堆積形態。三者涂層的厚度存在一定的差異，改鍍噴砂螺栓與非改鍍螺栓的表面涂層厚度接近，均明顯大于改鍍未噴砂螺栓表面涂層的厚度。

3)附著力分析。

使用電工膠布對3種螺栓表面的MoS2涂層進行剝離試驗［4］，試驗結果見表3。

剝離試驗結果表明，改鍍噴砂螺栓及非改鍍螺栓表面MoS2涂層與基體的結合力明顯優于改鍍未噴砂螺栓表面MoS2涂層與基體的結合力，也就是說，改鍍噴砂螺栓及非改鍍螺栓表面MoS2涂層的附著力明顯優于改鍍未噴砂螺栓表面MoS2涂層的附著力。

4)硬度分析。

對3種螺栓的基體表面顯微硬度(HV0.2)進行測試，測試結果見表4。

圖4 螺栓表面涂層截面形貌Fig.4 Section morphologies of the coating

表3 剝離試驗結果Table 3 Results of the peeling test

表4 螺栓基體硬度 /(HV0.2)Table 4 Microhardness test results of the bolt/(HV0.2)

結果表明，三者基體表面硬度接近，沒有明顯區別。

5)化學成分分析。

對3種螺栓基體化學成分進行分析，結果如表5所示。結果顯示，螺栓基體化學成分均符合技術標準要求。

2 分析與討論

故障螺栓的螺紋螺齒損傷嚴重，部分螺齒幾乎被磨平，甚至發生斷裂，螺栓螺紋局部區域存在塊狀的物質轉移及堆積，堆積物與螺齒局部區域形成冷焊。通過對改鍍未噴砂螺栓、改鍍噴砂螺栓和非改鍍螺栓3種螺栓的對比研究表明:改鍍噴砂螺栓與非改鍍螺栓表面涂層的厚度明顯大于改鍍未噴砂螺栓表面涂層的厚度;改鍍噴砂螺栓與非改鍍螺栓表面涂層的附著力明顯優于改鍍未噴砂螺栓表面涂層的附著力。

表5 螺栓基體化學成分(質量分數 /%)Table 5 Composition analysis results of the bolt(mass fraction/%)

鈦合金自鎖螺母和鈦合金螺栓擰緊時，螺紋常發生粘連、咬死現象，是設計與使用過程中遇到的較大難題，研究表明，結合基體表面強化和表面潤滑2種措施，可以有效地消除鈦合金螺紋的粘連、咬死現象［3］。航天用鈦合金緊固件，常采用MoS2潤滑劑對強化后的鈦合金表面進行表面潤滑，液態的潤滑劑混合物涂覆在強化后的鈦合金表面上，經過高溫粘結劑固化，潤滑膜牢固地附著在螺紋表面上，顯著地降低了摩擦系數，從而有效地消除螺紋間的粘連、咬死現象，達到多次拆卸、重復使用的要求。

研究表明，MoS2涂層的潤滑效果及持久性關鍵取決于MoS2涂層的附著力及厚度［5］。

涂層附著力是指所防護的基體表面與MoS2涂層的結合能力。MoS2涂層為多孔性、堆積結構，其附著力的大小與基體表面的粗糙度有密切的關系［5］。工藝上，常采用噴砂處理作為涂覆前零件表面的預處理，以獲得理想的表面粗糙度。噴砂處理是借壓縮空氣驅動砂粒，使用專用噴嘴以較高的速度噴射到結構表面上，通過高速砂粒的沖擊和摩擦，達到除銹、清理表面的作用。零件在表面涂覆之前進行噴砂處理的目的和作用主要有2個方面:1)使用物理方法對零件表面進行清理，清除掉零件表面的氧化物、附著物等，使其完全裸露基體，減少涂覆前的酸腐蝕，從而起到降低鈦合金零件的滲氫以及增加涂覆層的結合力的作用;2)獲得理想的表面粗糙度。噴砂處理不僅可以使基體表面活化，使之顯露出新鮮的金屬表面，而且會使表面處于壓應力狀態，有利于涂層與基體表面的結合。同時，由于粗化后表面凹凸不平，可打亂涂層部分收縮力的方向，減小沿基體表面方向的應力，從而使涂層與基體表面的結合強度高于光滑表面的結合強度［7］。大量試驗已經證實，理想的基體表面粗糙度可以大大提升基體與表面涂層的結合強度，可以顯著提高涂層的附著力［8］。鈦合金基體表面的MoS2涂層的形成是依靠粘料和固化劑起化學反應，如環氧涂層中的環氧基與固化劑分子結構的氨基(－NH2或NH－)起化學反應，生成網狀立體結構產物，把填料等網絡固定下來，同時涂層分子向被粘涂基體表面移動，涂層與基體形成物理化學和機械結合。研究表明，噴砂處理后，隨著表面粗糙度的增大，涂層與基體接觸面積成倍增加，有利于在接觸界面上發生各種物理和化學等作用［9］。另外，噴砂處理后的基體表面上均勻地分布著許多不規則形狀的凹坑，沒有固定的取向，方向各異，這有利于打亂基體表面涂層形成時內部收縮力的方向;在高速砂粒的沖擊下，基體表面發生很強的塑性變形，晶體晶格同時發生滑移、畸變以及間距的變化，導致晶粒內位錯密度增加，這都大大有利于涂層在基體表面的附著［9］。其次，由于噴砂處理使得表面凹凸不平，使得涂層分子到基體表面后，易形成相互鑲嵌連鎖的疊層結構。以上這些均有利于形成較厚的MoS2涂層。

結合本例咬死故障，故障螺栓涂覆MoS2之前未進行噴砂處理，使得基體表面MoS2涂層的厚度及其附著力顯著降低，從而，過早喪失MoS2涂層的潤滑作用，導致螺栓螺齒基體與螺母螺齒基體在擰入擰出過程中裸露并發生粘著磨損，產生磨損產物、形成物質轉移及堆積并在局部區域形成冷焊，螺齒發生塑性變形，螺栓與螺母之間的配合關系被破壞，從而發生咬死故障。

3 結論

1)咬死故障為螺栓涂覆MoS2之前未進行噴砂處理所致;

2)螺栓涂覆MoS2之前缺失噴砂處理，使得螺栓基體表面MoS2涂層的厚度減小、MoS2涂層的附著力顯著降低，致使MoS2涂層過早喪失潤滑作用;

3)缺少MoS2涂層的潤滑作用，螺栓螺齒基體與螺母螺齒基體在擰入擰出過程中裸露并發生粘著磨損，螺齒發生塑性變形，螺栓與螺母之間的配合關系被破壞，致使發生咬死故障。

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