某型飛機液壓導管平管嘴裂紋故障分析與預防

■ 謝曙光 張小輝/國營蕪湖機械廠

1 故障描述

某型飛機在外場使用過程中多次出現液壓系統擴口導管連接部位的平管嘴裂紋故障,嚴重時出現液壓油滲漏,影響飛機液壓系統工作的密封性。典型平管嘴裂紋故障如圖1所示。對收集到的平管嘴裂紋故障進行分類統計,如表1所示,可知出現裂紋的平管嘴均安裝于飛機三個起落架支柱上的不同位置,平管嘴規格均為HB 4-44FB2-d,該零件所用材料為不銹鋼1Cr11Ni2W2MoV。選取部分裂紋平管嘴進行斷口失效分析,其斷裂性質均為應力腐蝕開裂,而且裂紋源都來自于平管嘴內表面。

圖1 平管嘴外觀圖

表1 平管嘴裂紋故障統計表

2 裂紋斷口失效分析

2.1 外觀檢查

觀察圖1中1#、2#平管嘴,裂紋均從大頭端沿軸向向小頭端開裂,并存在分叉現象,呈現樹枝狀,從外表面觀察裂紋附近均無明顯外傷；觀察平管嘴內表面,裂紋已穿透平管嘴壁厚,表面附有明顯的黃褐色銹跡,內表面還可見較為明顯的車削加工痕跡。人工打開裂紋,取下斷口置于低倍顯微鏡下觀察,可見斷口較為平直,顏色灰暗,無明顯塑性變形,表面有深色腐蝕物覆蓋。

2.2 斷口分析

裂紋斷口經超聲波清洗后,置于掃描電鏡下觀察,其低倍形貌見圖2,裂紋斷口較為粗糙,斷面局部有腐蝕物質覆蓋；高倍下可觀察到斷面在平管嘴內表面有明顯的腐蝕形貌特征,擴展區為龜裂現象的沿晶脆性斷裂形貌,見圖3；在斷口附近對平管嘴內外表面進行觀察,可見內表面有點蝕現象,見圖4。

2.3 能譜分析

用能譜儀對平管嘴斷口表面進行能譜分析,分析結果如圖5所示。可以看出,斷口表面除了基體元素外,含有較多的腐蝕性元素S和Cl,表明平管嘴的腐蝕介質元素為S、Cl。

2.4 分析結論

上述分析表明,平管嘴斷口為沿晶脆性斷裂形貌,斷面上可見明顯腐蝕產物并可檢測出腐蝕元素S、Cl；工作時螺帽壓在平管嘴上,使其貼緊在導管的擴口上,裝配狀態下平管嘴長期受到環向拉應力作用。因此,推斷斷裂性質為應力腐蝕開裂。

3 裂紋故障的原因分析及討論

3.1 工作環境分析

圖2 裂紋斷口低倍形貌

圖3 裂紋斷口高倍形貌

從表1統計的出現裂紋的平管嘴使用服役情況中了解到,出現裂紋的平管嘴具有以下共性：

1） 均安裝于飛機三個起落架支柱上的不同部位,平管嘴長期處于外露狀態,與外界環境直接接觸。而飛機上其他封閉部位均未發現該材料制成的平管嘴出現裂紋。

2） 以海軍服役飛機為主,或是常年服役于中國沿海地區的飛機,工作環境為海洋性氣候,平管嘴具備了與海水及其他腐蝕性物質接觸的條件。

上述兩個共性工作條件造成了起落架上的平管嘴長期暴露在海水及海洋性氣候環境腐蝕性介質中,飛機在外場復雜多變的工作環境下受到腐蝕影響,最終導致產生腐蝕裂紋。

3.2 制造工藝分析

平管嘴材料1Cr11Ni2W2MoV為馬氏體不銹鋼,制造技術條件規定其硬度要求為HRC 25～35,依據GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》換算強度σb為837～1074MPa。按航空行業標準HB/Z 80-2011《航空用不銹鋼熱處理》,為滿足強度σb為880～1080MPa,該材料零件在淬火后需在640～680℃溫度下進行回火處理。《工程材料實用手冊》中不銹鋼回火溫度與鹽霧腐蝕失重影響如圖6所示,可以看出在600~700℃回火溫度下1Cr11Ni2W2MoV零件耐腐蝕性差,其中約在640℃時耐腐蝕性能最弱。《工程材料實用手冊》中對不同回火溫度的試件在3.5%NaCl介質、溶液溫度35±1℃、試驗100天條件下的耐鹽霧腐蝕試驗對照情況見圖7。從對比試驗中發現,在530～680℃回火的1Cr11Ni2W2MoV試件表面均存在重腐蝕現象,在620℃回火的1Cr11Ni2W2MoV試件表面出現嚴重腐蝕現象。實際零件熱處理生產過程中,為保證加工零件較優的強度和硬度,一般按規定回火溫度范圍的下限標準設定實際回火溫度（設為640℃左右）,但在此回火溫度下零件的抗腐蝕性能最差。因此,為改善1Cr11Ni2W2MoV材料零件的抗腐蝕性能,可考慮適當降低零件硬度和強度技術要求,提高回火溫度。同時,平管嘴內表面與導管管體之間的縫隙結構易構成縫隙性腐蝕條件,而1Cr11Ni2W2MoV馬氏體不銹鋼則對孔蝕和縫隙腐蝕更為敏感。在現服役工作環境無法改變的條件下,可以通過改善平管嘴的腐蝕防護來避免零件與腐蝕介質接觸。

斷口失效分析中提到平管嘴內表面有較為明顯的車削加工痕跡,表面易附著腐蝕物質。若平管嘴表面鈍化不佳或因導管摩擦、外界損傷造成平管嘴內表面鈍化層不完整,會使其表面抗腐蝕性能力變差。

3.3 材料分析

從圖6和圖7中可以看出,三種不銹鋼材料中,1 C r 11 N i 2 W 2 M o V的耐鹽霧腐蝕性能明顯差于1Cr12Ni2W2MoVNb和1Cr17Ni2,因此可以考慮選擇使用抗應力腐蝕性能更強的材料,從根本上減輕或避免應力腐蝕現象。例如,選用不銹鋼材料1Cr12Ni2W2MoVNb,其強度與1Cr11Ni2W2MoV相當。根據《中國航空材料手冊》,在35±1℃、3.5%NaCl溶液中、施加應力為各材料自屈服強度的80%的條件下,1Cr12Ni2W2MoVNb的抗應力腐蝕性能遠遠高于1Cr11Ni2W2MoV和1Cr17Ni2,具體見表2。

圖4 內表面點蝕現象

圖5 平管嘴斷口表面能譜分析結果

圖6 回火溫度對鹽霧腐蝕失重的影響圖

圖7 1Cr12Ni2W2MoVNb、1Cr11Ni2W2MoV和1Cr17Ni2回火溫度對鹽霧腐蝕失重對照

3.4 應力分析

平管嘴處于導管擴口和外套螺母之間,可以有效傳遞外套螺母的壓緊力,使導管擴口與管接頭充分貼合,保證管路連接部位的密封性。正常工作狀態下,平管嘴大頭端長期受到環向拉應力作用。為避免平管嘴發生應力腐蝕開裂,還需降低環向拉應力。從裝配上分析,平管嘴的拉應力主要是由螺母將平管嘴壓緊在導管擴口上引起的,適當減小螺母的擰緊力矩可降低平管嘴的環向拉應力。另外,若裝配時平管嘴與管體不同心或帶應力裝配勢必造成環向應力分布不均勻,出現應力集中。從結構上分析,在不影響正常使用的情況下,可適當提高平管嘴結構的厚度,增加結構的承載能力,也可降低平管嘴的環向拉應力。

4 糾正措施

通過以上分析和討論,為有效降低或避免該類平管嘴應力腐蝕開裂,可從以下幾個方面采取措施。

1）在平管嘴加工時,需避免零件內表面出現明顯車削加工痕跡,控制其內表面粗糙度,或將其粗糙度要求提高到Ra1.6μm及以上,并控制零件表面鈍化處理質量。

2）對零件熱處理淬火后進行低溫回火時,適當遠離640℃的回火溫度,可按規定回火溫度的上限進行控制,提高零件抗腐蝕性能；同時,向零件供應商提出該回火溫度的控制要求。

3） 在導管制作和修理時,需重點檢查平管嘴內表面外觀,發現有腐蝕、損傷或明顯加工痕跡的應停止使用。

4） 在飛機上裝配導管時,應保證導管管體兩端為直線段,避免帶應力對接導管或強行擰緊螺母,防止對平管嘴內外表面造成損傷。為保證連接部位密封性及降低平管嘴環向拉應力,對擰緊力矩按HB 4-1《擴口管路連接件通用規范》進行控制。

表2 1Cr12Ni2W2MoVNb、1Cr11Ni2W2MoV和1Cr17Ni2三種材料抗應力腐蝕性能

5） 對該型飛機外露部位各管路的連接件（包括平管嘴）露出部分刷涂防銹漆,分別刷涂一層H06-076底漆和兩層TS70-60磁漆,特別是對平管嘴與導管之間的縫隙進行涂漆防護；外場使用維護時應定期對表面腐蝕物質進行擦洗去除,發現漆層不完整時應及時補漆。

6） 在允許更換材料的前提下,建議更換為強度性能接近、抗腐蝕性更強的1Cr12Ni2W2MoVNb材料。

［1］《工程材料實用手冊》編輯委員會編.工程材料實用手冊（第2版）［M］.北京.中國標準出版社,2002.

［2］天華化工機械及自動化研究設計院主編.腐蝕與防護手冊（第二版）［M］.北京.化學工業出版社,2009.

［3］《中國航空材料手冊》編輯委員會編.中國航空材料手冊（第2版）[M].北京.中國標準出版社,2002.