某型直升機起落架螺栓斷裂故障處理

姚有文,陳 忱,趙 云,肖 煒,方建義

(1.陸航駐景德鎮地區代表室, 江西 景德鎮 333000；2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

某型直升機起落架螺栓斷裂故障處理

姚有文1,陳 忱2,趙 云1,肖 煒2,方建義2

(1.陸航駐景德鎮地區代表室, 江西 景德鎮 333000；2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

對某型直升機起落架故障現象進行了闡述，并從外觀、斷口等多方面進行了原因分析，找出了螺栓斷裂的具體原因，結合該原因提出了該故障的處理方案，并總結了經驗教訓。

直升機；起落架；螺栓；故障處理

0 引言

某型直升機起落架采用的是前三點式布局，結構形式為構架式起落架。構架式起落架主要由減震器、撐桿以及輪軸和機輪組成。減震器和撐桿分別與機身鉸接，減震器與撐桿之間也采用鉸接。該起落架主要承受起落時不規則交變撞擊載荷，同時還承受在停放時支撐直升機的靜載荷，因此起落架材料應具有足夠高的強度和斷裂韌性以及足夠高的抗應力腐蝕性能。

1 故障現象

某型直升機某架機左主起落架滲油故障排查時，將左主起落架拆下后恢復安裝，當對斜撐桿與主起支撐構架連接螺栓進行定力時螺栓斷裂。此后現場檢查該型直升機其他架次機的相應螺栓，拆下時螺栓外觀無異常，恢復安裝時擰緊過程中(未定力)斷裂。因此，對相關型號斜撐桿上下連接螺栓進行了普查，發現多架次的直升機機均出現過螺栓斷裂情況，出現故障的直升機在役時間6～47個月不等，飛行時間118～833Fh。

1 故障原因分析

1.1 外觀檢查

根據外觀檢查發現，不同架次的直升機起落架螺栓斷裂位置有較大不同，其中B1螺栓在螺栓端部最后一道螺紋附近斷裂，B2螺栓在接近螺帽15mm處斷裂，B3螺栓宏觀觀察表面光滑，用手觸摸，有疑似劃痕，經顯微鏡觀察可見裂紋，裂紋在螺帽14mm處，擴展至圓周一半(見圖1)。因各螺栓表面未見明顯磕傷劃痕，螺栓斷裂位置各不相同且表面光滑，排除螺栓受載過大或外部磕傷導致斷裂的原因。

圖1 斷裂螺栓外觀

2.2 斷口分析

采用外力將B3架機螺栓打斷，三個螺栓的斷口宏觀形貌見圖2。B1螺栓瞬斷區約占斷口面積的1/6，B2螺栓瞬斷區約占斷口面積的1/7，B3螺栓瞬斷區約占斷口面積的3/5。斷口呈黑灰色和紅棕色，銹蝕明顯，瞬斷區呈銀亮金屬光澤。

圖2 斷口宏觀形貌

進一步對斷口進行微觀觀察發現，螺栓外表面一側斷口可見較厚的一層覆蓋物和大量的氧化物顆粒，顯“泥紋花樣特征”，為典型的腐蝕產物形貌，見圖3；從外向里，斷口的腐蝕產物逐漸減少，沿晶特征逐漸明顯，見圖4。

圖3 裂紋源區腐蝕形貌

圖4 裂紋源區微觀形貌

由于斷口存在明顯的腐蝕產物，沿晶特征明顯，螺栓工作中又持續受到拉應力，判斷螺栓開裂性質為應力腐蝕斷裂。

2.3 斷裂機理分析

應力腐蝕斷裂是指承受拉應力的材料在特定的腐蝕環境下產生滯后斷裂的一種腐蝕破壞形式[1]。根據應力腐蝕產生的機理，應具備三個條件：零件長期承受拉應力，材料具有應力腐蝕開裂敏感性，存在特定的腐蝕介質[2,3]。

1)螺栓受力情況分析

斜撐桿上下連接螺栓安裝時均有擰緊力矩要求，因此在使用過程中零件在擰緊力矩作用下一直承受拉應力。

2)螺栓使用環境分析

斜撐桿下接頭螺栓的安裝位置完全處于機體結構外，且無任何遮擋，螺栓容易受到腐蝕環境的影響。

3)螺栓應力腐蝕開裂敏感性分析

螺栓選用材料為1Cr17Ni2-φL19/GJB2294，熱處理后要求σb=1275±100MPa。按HB/Z 80-2011《航空用不銹鋼熱處理》規定，1Cr17Ni2可供選擇的回火溫度有以下兩種：480℃～540℃回火，σb=1080～1270MPa；300℃～360℃回火，σb>1270MPa。

由于1Cr17Ni2鋼的熱加工工藝復雜，化學成分的微小波動會對熱處理后的組織和性能產生顯著影響[4,5]。復查過程中發現， 2006年以前交付的螺栓原材料生產廠商為撫順鋼鐵廠，熱處理回火溫度均為300℃～360℃范圍。2006年以后生產廠商更換為寶鋼，此材料由于成分存在一定偏差，在300℃～360℃溫度范圍內回火，硬度會超過圖紙規定的硬度上限要求HRC43(1375MPa)，不滿足圖樣規定的σb=1275±100MPa的要求。因此航空生產廠采用提高回火溫度的方法(采用480℃～540℃這一檔)來降低其強度，而480℃～540℃正處于HB/Z 80-2011《航空用不銹鋼熱處理》說明的1Cr17Ni2脆性區間內，該材料狀態具有應力腐蝕敏感性特征。

因此，起落架斜撐桿螺栓具備了應力腐蝕的三個條件，為滿足強度要求選擇了處于回火脆性區的熱處理制度，使材料具有了應力腐蝕敏感性特征，降低了螺栓的抗腐蝕能力，且螺栓長期承受拉應力并存在一定的腐蝕介質，最終導致了螺栓斷裂。

3 故障處理

針對應力腐蝕斷裂的幾個存在條件，制定了以下故障處理措施：

1) 避開應力腐蝕敏感影響

零件和材料應力腐蝕敏感性是本次故障的主要原因，將圖樣中螺栓強度要求“σb=1275±100MPa”更改為“σb>1270MPa”，增加“熱處理檢驗類別按II類檢驗，回火溫度限定在300℃～360℃之間”的技術要求，有效避開熱處理回火脆性區間。

另外，針對螺栓芯部階梯孔結構，為避免在階梯面出現應力集中點，將其更改為通孔結構。

2)降低螺栓擰緊力矩

螺栓的拉應力是導致應力腐蝕的一個因素，它主要由擰緊力和安裝時斜撐桿偏心產生。經分析，起落架斜撐桿上、下連接螺栓主要受剪切載荷，對軸向載荷無特殊要求，其擰緊力矩主要起保險作用，而螺母另有開口銷進行保險，因此，適當調整了螺栓的擰緊力矩，降低其承受的拉應力。

3)增強表面防護措施

針對螺栓外觀檢查時發現的孔內存在紅銹現象，除進行不銹鋼零件的表面鈍化外，另對其通孔內壁進行底漆保護，提高其耐蝕性能。

4 經驗教訓及建議

從以上分析中不難看出，此次起落架螺栓應力腐蝕斷裂的直接原因是關鍵原材料生產單位更換、熱處理工藝變更而設計人員不清楚情況，因此，為避免后續出現類似問題，主要有以下經驗教訓及建議：

1) 加強原材料的管控：關鍵材料不可隨意更改原材料供應商，當由于材料的更改導致工藝參數發生變更時，應知會設計人員，共同協商解決措施。

2) 推動綜合性能更高的材料的應用：1Cr17Ni2為我國較早研發的馬氏體不銹鋼，受成分限制，其腐蝕敏感固有存在，且橫向性能較差，在480℃～560℃回火(強度在980～1270MPa)時會造成回火脆性，使用時應予回避。如設計需選用該材料時，推薦使用的強度范圍為785～980MPa、大于1270MPa兩檔。近些年，國內外研發了多種綜合性能優良的不銹鋼品種，如1Cr15Ni4Mo3N、PH13-8Mo不銹鋼，不但具有很高的強度，還具有很好的耐蝕性，非常適合制造重要螺栓，應開展新材料的應用替代工作。

3) 開展充分的試驗驗證：對于重要受力的零件用材，應開展多層次的性能測試和試驗驗證，目前對直升機復合材料的應用已建立了積木式的試驗驗證程序，建議構建金屬材料的試驗驗證程序，明確其應用研究的工作內容。

[1] 王 磊,費敬銀,辛文利.飛機起落架應力腐蝕斷裂及預防措施[J].材料加工工藝,2011，40(4)：186-189.

[2] 高 進,孫金廠.應力腐蝕斷裂的判斷及其防護[J].2001(7):45-47.

[3] 菜秀光.應力腐蝕的威海及其控制[J].化工工程與裝備,2006(2)：37-39.

[4] 李 威,李紅丹,劉 巍.1Cr17Ni2不銹鋼熱處理工藝試驗研究[J].大電機技術,2005(6)：31-33.

[5] 姚振華,徐玉松. 1Cr17Ni2鋼的熱處理工藝及性能研究[J].熱加工工藝,2005,(12)：38-39.

Experience and Lessons about the Fracture of Landing Gear Bolt of one Type of Helicopter

YAO Youwen1,CHEN Chen2,ZHAO Yun1,XIAO Wei2,FANG Jianyi2

(1.Army Aviation Department of the PLA General Staff Miliary Representative Office in Jingdezhen Region, Jingdezhen 333000, china；2.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001,china)

The failure phenomenon of landing gear of one type of helicopter was illustrated. Specific reason of the crack of the bolt was found by carrying out the failure analysis through appearance and fracture analysis. Measures were taken to solve the malfunction of landing gear. Experience and lessons were put forward.

helicopter; landing gear; bolt; fault handling

2016-06-02

姚有文：(1979-)，男，安徽蕪湖人，碩士，工程師；主要研究方向：直升機設計和生產質量監督。

1673-1220(2016)03-044-03

V229+.1

A