某系列飛機中央翼第三墻外置機匣接耳應力腐蝕裂紋的成因與預防

趙旭，滿常厚，崔文峰（大連長豐實業有限公司，遼寧 大連 116038）

某系列飛機中央翼第三墻外置機匣接耳應力腐蝕裂紋的成因與預防

趙旭，滿常厚，崔文峰
（大連長豐實業有限公司，遼寧 大連 116038）

目的 分析某系列飛機中央翼第三墻外置機匣接耳應力腐蝕裂紋的成因，并進行有針對性的預防。方法 對發生裂紋的接耳進行端口檢測，并對應力腐蝕條件和腐蝕環境進行分析。結果7B04鋁合金在Cl-、超過應力腐蝕門檻值的應力和鍛件夾雜的共同作用下，在表面氧化膜破裂的酸性環境下發生應力腐蝕。結論 應當改進飛機修理過程中的工藝方法，并對接耳設計進行適當的修改。

接耳；應力腐蝕裂紋；中央翼

某系列飛機已服役使用20余年，中央翼第三墻外置機匣接耳裂紋屬于多發性常見故障，在該系列飛機全壽命中的各個時間點幾乎都有發生。外置機匣接耳位于中央翼第三墻上，中央翼第三墻是飛機的核心承力構件之一。該故障通過影響外置機匣拉桿張力影響到外置機匣與發動機的連接振動特性，同時也威脅到中央翼第三墻的結構完整性，危險性較大。因此，分析外置機匣接耳裂紋的形成原因、機理和影響因素，提出針對性的預防措施對提高飛機的修理質量，保證飛機正常使用維護和飛行安全具有重要意義。

1　故障件斷口分析

1.1故障飛機及故障的基本信息

以往的修理經驗表明，該故障的發生頻次與服役地環境和裝配質量密切相關。文中抽取了該故障的一個典型案例，對裂紋產生的原因進行分析。故障飛機和故障件的基本情況如下。

該機自服役起分別駐于遼寧沿海某地和廣東沿海某地，服役地環境較為嚴酷。20XX年X月X日，該機更換外置機匣，3日后某團質控室報告發現中央翼第三墻左發動機外置機匣垂直接耳的左側耳片裂紋。裂紋長度約15 mm，從孔邊向下、沿近似內孔徑向方向延伸至接耳邊緣，穿透耳片厚度，如圖1所示。

圖1　發生裂紋的接耳Fig.1 The attachment with cracking

外置機匣接耳位于中央翼第三墻上。中央翼第三墻由7B04 T6狀態的50 mm厚模鍛件機加工制成，準許使用厚板機加工制成，材料纖維方向沿飛機翼展方向。中央翼第三墻表面處理狀態為表面陽極化、重鉻酸鹽填充并噴涂TB06-9底漆兩遍，但接耳內孔壁表面不噴涂底漆。接耳內嵌14Cr17Ni2襯套，孔軸配合公差H9/u8，為過渡配合。

1.2失效分析報告

依據GB/T 17359—1998《電子探針和掃描電鏡X射線能譜定量分析通則》和GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》對樣品采用卡爾·蔡司Supra55場發射電子顯微鏡進行斷口檢測。

斷口表面放入含洗滌劑的熱水中進行超聲波清洗。在洗滌熱水中浸泡、刷洗斷口表面，并在超聲波攪動的丙酮中清洗，然后進行干燥處理。

斷口形貌為典型的Cl-環境下應力腐蝕斷口上的泥狀花樣，其特征為干裂的泥塊（如圖2所示），是應力腐蝕的典型金屬顯微組織特征。

圖2　500倍掃描電子顯微鏡下的泥狀花樣斷口Fig.2 Mud-like fracture under 500X scanning electron microscope

能譜定量分析結果（見表1）表明，斷口含有石英、鈉長石、二硫化亞鐵、硅灰石等冶煉雜質，屬于中央翼第三墻的鍛件夾雜。這些雜質不僅導致構成接耳的母材原有抗拉強度下降，而且在含有Cl-的服役環境下，會使接耳沿夾雜物的界面發生應力腐蝕開裂的傾向性大幅度增加。

表1　能譜定量分析結果Table 1 The result of energy spectrum analysis

2　應力腐蝕裂紋主要條件成因分析

應力腐蝕是指合金材料或構件在靜應力（主要是拉應力）與腐蝕介質的共同作用下發生的脆性斷裂。從機匣接耳的環境條件、材質和應力狀態等情況分析，該故障具備應力腐蝕開裂的所有條件。

2.1Cl-的來源

Holroyd等[1]認為7XXX鋁合金在NaCl溶液中發生應力腐蝕，Cl-是裂紋縫隙中Al3+發生水化反應的特定介質。通常濕度高、含鹽量大的海洋大氣是Cl-的主要來源。

不同組別的實驗表明[2]：以海南萬寧和青島團島為代表的海洋大氣環境中的鋁合金，應力腐蝕敏感性遠高于以北京為代表的大陸大氣環境。海洋大氣中含有的鹽霧顆粒，落在飛機結構表面極易吸潮，在金屬表面形成的水膜中含有大量的Cl-。圖3給出了大氣中的Cl-含量對2A12和7A04鋁合金腐蝕速度的影響[3]，曲線1，2分別是2A12，7A04在潔凈大氣中的腐蝕曲線，曲線3是7A04在含1%Cl-大氣中的腐蝕曲線，曲線4是2A12在含1%Cl-大氣中的腐蝕曲線。作為7A04的改型合金，7B04的成分與7A04接近，圖3中7A04的結論對7B04在Cl-作用下的腐蝕速度具有參照意義。

圖3　大氣中Cl-含量對2A12和7A04腐蝕速度的影響Fig.3　The influence of Cl-content in atmosphere on the corrosion rates of 2A12 and 7A04

該故障機在沿海地區服役，經常在潮濕的海洋大氣環境中飛行，長期處于Cl-含量較高的腐蝕環境中。另外，在飛機維修工藝中，脫漆劑作為另一個Cl-的來源不容忽視。該系列飛機特檢、大修和專檢工作時，脫漆工序中使用的脫漆劑中，CH2Cl2的含量占75%。CH2Cl2長期與水接觸會發生緩慢分解，亦會在大氣中發生快速光解，產生CO和光氣，進而產生CO2和HCl。CH2Cl2作為脫漆劑的主要成分，其分解產物殘留在接耳內孔表面與襯套之間的縫隙內難以排除。加之故障部位距發動機的啟動機排氣口較近，發動機啟動時產生的高溫火焰和氣體加速了殘留的CH2Cl2分解。

可見，海洋大氣是斷口表面層中Cl-的主要來源，脫漆劑分解也會產生Cl-。發生裂紋的接耳內表面僅作硫酸陽極化和重鉻酸鹽填充處理，不噴涂底漆，而且接耳內嵌的14Cr17Ni2襯套與接耳內表面存在的微小間隙，使得附著于接耳內表面的含Cl-水膜難以排出，造成接耳長期直接與含Cl-的溶液接觸。

2.2工業大氣腐蝕

一般城市空氣中塵埃含量約2 mg/m3，工業區空氣中塵埃含量可達1000 mg/m3。另外，工業大氣中還含有大量的腐蝕性氣體。

落在金屬表面上的大氣塵埃，具有毛細管凝聚作用，特別容易在金屬表面結露，形成電化學腐蝕。工業大氣中的SO2對金屬的腐蝕影響最大，SO2對鋁合金大氣腐蝕的影響如圖4所示[3]。在干燥空氣中鋁合金受SO2的影響很小，但在高濕度的工業大氣中影響就很大，當相對濕度超過76%時，腐蝕速度急劇增快。

圖4　2A12的大氣腐蝕速度Fig.4 The corrosion rates in atmosphere of 2A12

相關實驗和研究指出[4—5]，工業大氣中的SO2及其產物對以Cl-為特定介質的7A04鋁合金腐蝕具有促進作用，而非兩種單一介質腐蝕作用的簡單疊加。在Cl-和H SO3-同時存在的情況下，Cl-能更加有效地產生點蝕源，破壞7A04表面的氧化膜，并形成表面積更大蜂窩狀結構，從而進一步容納更多的腐蝕介質。

根據國家環保局對遼寧某地20XX年X月以前的空氣質量監測結果，影響該地空氣質量的主要污染物按照出現頻度依次為SO2和可吸入顆粒物（主要為工業塵埃）。根據遼寧省氣象局每年發布的《大氣成分綜合評估報告》，自20XX年以來，遼寧省以SO2為污染源的酸雨發生頻率呈逐年增加趨勢。

該機服役地及周邊市縣的酸雨問題尤為嚴重。該地所處地區的氣候為溫帶季風性海洋氣候，全年至少一半的時間里其相對濕度超過70%。故障機自投入使用起，在該地服役近10年。以往的修理經驗表明，長期服役于遼寧某地的飛機，各類金屬零件表面的坑蝕和酸蝕比較嚴重，飛機故障的地域特性比較明顯。

2.3靜應力的來源

對于應力腐蝕類失效而言，通常存在一個觸發應力腐蝕的敏感值，這個敏感值稱為門檻值。零件的工作應力在門檻值內時，不會觸發應力腐蝕。因此，必然有一個超出應力腐蝕門檻值的恒定拉應力作用于接耳的裂紋位置。有研究表明[6]，7B04鋁合金在T6狀態下的應力腐蝕門檻值僅為120 MPa，但T74狀態的門檻值為300 MPa，T73狀態的應力腐蝕敏感性最小，且T74狀態和T73狀態的應力腐蝕裂紋擴展速率明顯低于T6狀態。

發生裂紋的耳片孔與內嵌襯套外徑的尺寸配合為Φ17 H9/u8，配合性質為過渡配合。在飛機制造階段開始，襯套即對孔壁向外形成均勻的擠壓應力，實質上降低了耳片用于承載的剩余可用應力值。

通過外場服務人員的走訪得知，該故障機在最近一次更換發動機外置機匣時，機組人員曾經將與裂紋接耳相連的拉桿強制裝配，在調整外置機匣柔性軸振動特性時又再次將該拉桿調整螺母擰緊，導致作用在單個耳片上的拉應力遠大于120 MPa。

相關研究表明[7]，7B04在C型應力腐蝕試件中，各項要素滿足時，最短100 h即可發生目視可以檢出的裂紋。該機最近一次更換外置機匣的時間為20XX年X月X日，此后第3天檢查時即發現目視可見裂紋。比對其他未見故障的飛機可見，在超出門檻值的靜應力中，發動機外置機匣拉桿的裝配應力起到了重要作用，成為最終觸發應力腐蝕的條件。

2.4鍛件的設計缺陷

通常情況下，在鍛件的設計中應注意鍛造纖維方向的設計。在一般情況下，受拉（壓）力的方向應與纖維方向一致，受剪力的方向應與纖維方向垂直。接耳類零件的正確設計如圖5所示[3]。

圖5　正確的模鍛件機加工接耳設計Fig.5　The correct design for attachment machining from stamp forgings

受限于整個飛機的核心承載結構，中央翼第三墻的鍛件纖維方向只能平行于飛機翼展方向，而接耳承受的拉應力方向只能違背這一基本設計準則、垂直于整個中央翼第三墻的鍛件纖維方向。鍛件在垂直于纖維方向上的拉應力承載能力通常低于平行纖維方向約10%～15%。這一不得以而為之的設計缺陷，降低了發生裂紋處接耳的抗拉強度，也導致裂紋成核后在垂直纖維方向上的拉應力作用下迅速擴展。

該故障的排除措施采用了帶接耳的30CrMnSiA加筋盒形件，代替了原有的故障接耳和與接耳相連的垂直筋條。盒形件通過密封螺接的方式與中央翼第三墻腹板連接，將垂直于鍛件纖維方向的拉應力通過螺栓轉變為垂直于鍛件纖維方向的剪應力，從而滿足了鍛件纖維方向的基本設計要求，從根本上解決了這一設計缺陷。

2.5冶煉夾雜物

7B04為可熱處理強化的Al-Zn-Mg-Cu合金，失效分析報告中斷口表面夾雜了石英、鈉長石、二硫化亞鐵、硅灰石等成分。

7XXX鋁合金中的Fe元素和Si元素雜質形成的粗大相，因為與基體間存在電位差而形成電偶腐蝕，導致陽極溶解、陰極析氫[8]。陽極溶解為應力腐蝕提供裂紋源，而陰極析氫促進裂紋發展。

3　應力腐蝕機理與腐蝕環境成因

鋁合金的應力腐蝕過程復雜而且影響因素眾多，如應力狀態、熱處理狀態、表面處理狀態和環境條件等，幾十年來的研究尚未對其機理達成一致。目前較為常見的理論有氫至破裂理論、鈍化膜破裂理論、陽極溶解理論和Mg-H相互作用理論[9]等。對于7B04等高強鋁合金，氫至破裂理論和陽極溶解理論得到了比較普遍的認同。

任廣軍等[10]認為高強鋁合金的應力腐蝕機理是電化學性質的，合金在應力和腐蝕介質的作用下，表面的氧化膜被破壞，破損處的合金基體相對于氧化膜為陽極，金屬原子溶解為離子形成裂紋。接耳內孔鑲嵌的襯套與內孔的配合性質為過渡配合，襯套壓入接耳時的刮擦可能導致接耳內孔表面的陽極化保護膜發生破損；在脫漆工序中，反復使用鋼絲刷或鋼絲球對狹小空間內漆層清除，會直接導致陽極化保護膜破損。陽極化保護膜破損后，合金基體暴露形成陽極，電化學腐蝕開始、裂紋形成。

Gruhl等[11]認為7XXX系列鋁合金會在水溶液介質中因氫脆產生應力腐蝕，在水溶液介質中陰極反應產生H，H通過晶界在合金內部擴散，導致晶界強度下降。同時，Holroyd等[2]認為，裂紋內部的介質條件與調質處理無關，而與溶液的酸堿度有關，水化反應在酸性條件下于裂紋側壁上生成Al（OH）2Cl和Al（OH）3· H2O之類的凝膠，從而形成鈍化保護，使得陽極溶解只能在裂紋尖端發生，從而促進了內部裂紋的發展。脫漆劑的溶劑CH2Cl2發生分解反應產生HCl形成H+，工業大氣中的SO2在海洋大氣中溶解，共同形成酸性水膜環境，形成了氫至破裂理論中腐蝕環境。因此，脫漆工序中脫漆劑的成分、工業大氣形成的酸性水膜和工藝方法與腐蝕環境的成因直接相關。表面陽極化工序完成后，對接耳內孔表面產生可能的非預期加工的其他工序也可能產生腐蝕環境。

4　預防措施

脫漆工序中殘留的CH2Cl2分解和海洋大氣產生了Cl-，強制裝配在不盡合理的熱處理狀態、鍛件設計缺陷和冶煉雜質的共同作用下產生了超過應力腐蝕門檻值的過大拉應力。這些是構成應力腐蝕的兩個必要條件，而且工業大氣中的SO2促進了應力腐蝕。

壓入襯套時的非預期加工、脫漆工序中對氧化膜的刮擦、脫漆劑中CH2Cl2的分解和工業大氣與海洋大氣共同形成的酸性水膜，共同組成了應力腐蝕的外部腐蝕環境。因此，有必要對上述觸發應力腐蝕的條件和環境采取有針對性的措施，改進飛機修理過程中的工藝方法和對接耳設計進行適當的修改。

1）在外置機匣的安裝過程中，強制裝配對機體結構和拉桿的連接安全危害性較大，應在工作中避免。

2）外置機匣通過5個連接點和6根拉桿固定在飛機上，調整外置機匣柔性軸的振動特性時，不能只調整其中的某兩三個點或拉桿，應當使用限力扳手限制調節螺母的預緊力，從而限制單一拉桿的拉力。

3）在保證結構安全的前提下，將熱處理狀態由T6改為T74。

4）適當加大耳片的厚度，降低耳片上承受的應力值。

5）在滿足發動機外置機匣接耳連接要求和柔性軸振動特性的情況下，適當改動接耳內孔和內嵌襯套之間的公差帶，以降低內孔和襯套之間的干涉量，從而消除因過緊的配合帶來的附加擠壓應力。

6）參照故障排除方案，改變接耳的加工方式，改整體機加工模鍛件為兩個不同的零件的螺接，改接耳短橫向受拉為第三墻腹板短橫向受剪。

7）更換脫漆劑，使用易揮發或分解不產生Cl-的脫漆劑。

8）安裝襯套前在接耳內孔表面涂TB06-9底漆或其他功能性涂料，封閉接耳內孔表面。

9）在脫漆工序中禁止使用鋼絲刷或者鋼絲球，改為擦除效果較好的聚氨酯泡沫等柔性材料。

此外，近年來出現的非等溫時效處理[12]、稀土轉化膜處理[13]、合金表面激光處理[14]、回歸再時效工藝[15]和刷涂水置換型緩蝕劑[16—17]等新技術和新工藝，有效地改善了7XXX系列鋁合金的抗應力腐蝕能力，值得深入研究和進行工業化生產的嘗試。

5　結論

該故障機中央翼第三墻發動機外置機匣接耳裂紋的成因為：在氯離子和超過應力腐蝕門檻值的靜應力以及鍛件夾雜的共同作用下發生的應力腐蝕；同時，修理過程中的工藝過程在海洋大氣和工業大氣的共同作用下形成了腐蝕環境。該故障件的產生原因在某系列飛機同類故障中具有代表意義，該故障在日常維修中予以關注并采取適當的措施是可以預防的。

必須指出的是，以7B04為代表的Al-Zn-Mg-Cu合金在第三代戰斗機的核心結構件上大量使用，相信有更多的結構件具備觸發應力腐蝕的基本條件。因此，需要在修理實踐中對應力腐蝕問題給予足夠的重視，并采取適當的前置性措施，以預防災難性失效的發生。

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Causes and Prevention of Stress Corrosion Cracking in the
Accessory Gearbox Attachment on Central Wing Box′s Third Wall for a Series of Aircraft

ZHAO Xu，MAN Chang-hou，CUI Wen-feng
（Dalian Changfeng Industrial Co.，Ltd.，Dalian 116038，China）

Objective To analyze the causes for stress corrosion cracking in the accessory gearbox attachment on central wing box′s third wall for a series of aircraft and to propose corresponding precautions.Methods Fracture detection on the external casing attachment and analysis of the stress corrosion conditions and corrosive environments were conducted.Results With the combined action of Cl-,stress that exceeded K1SCC and slag inclusions in the forgings,stress corrosion of the 7B04 aluminium alloy occurred under the acidic condition when the surface oxide film broke.Conclusion The techniques and ways of repairing aircrafts should be improved and moderate modifications on the design of the external casing attachment should be conducted.

accessory gearbox attachment；stress corrosion cracking；central wing

2015-10-22；Revised：2015-12-02

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.014

TJ07；TG174

A

1672－9242（2016）01－0073-06

2015-10-22；

2015-12-02

趙旭（1985—），男，遼寧大連人，本科，助理工程師，主要研究方向為飛機結構修理技術。

Biography：ZHAO Xu（1985—），Male，from Dalian，Liaoning，Bachelor′s degree，Assistant engineer，Research focus：structure repairing technologies for airplane.