某型直升機TA2鈦合金平臺板燒蝕檢測評估

陳 忱，王 鵬，曹瑤琴，諶廣昌

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001;2.海軍駐景德鎮地區航空軍事代表室，江西 景德鎮 333000)

0 引言

熱損傷是飛行器結構損傷的主要形式之一，它是指飛行器結構遇到高溫造成的機體結構損傷。飛行器結構熱損傷不僅存在起泡、變形等顯而易見的外部損傷，而且還會因受熱而引起強度、剛度、硬度等機械性能的變化。飛行器結構的熱損傷是引起飛行器事故的隱患，因此準確地確定飛機結構熱損傷的范圍及程度，對保障飛行安全有著重要的作用。目前國內外對鈦合金的熱損傷評定進行了較多的研究。空軍第一航空學院的侯日立、于克杰、吳德新[1-3]，空軍航空維修技術學院的陳勇[4]等人對鈦合金的熱損傷檢測進行了大量研究，提出了鈦合金熱損傷檢測的準確度要求和經濟性要求。本文在借鑒其研究結果的基礎上，采用維氏硬度測試法及金相檢測法對燒傷的鈦合金板材進行檢測和評定。

1 燒傷情況描述

某型直升機由于發動機艙溫度過高，導致排氣口下方的二段平臺被燒傷。本次燒傷的區域主要為直升機動力艙的二段平臺，處于直升機發動機的正下方，為發動機的安裝平臺，同時在直升機中傳遞一定的載荷，在直升機中具有重要作用，其性能直接影響直升機的飛行安全。目前該平臺采用TA2-M-GJB2505A鈦合金板材制造，主要承受靜載荷的作用，其具體示意見圖1。

圖1 結構分布圖

因此，為保證型號的結構安全，盡量減少因此次燒傷造成的經濟損失，降低修理難度，需對燒傷的二段平臺鈦合金進行熱損傷檢測評估，以便準確判定其損傷程度并確定后續修理方式。

2 試驗過程及方法

2.1 試驗過程

對于燒傷的航空構件而言，其強度和組織均勻狀況是否受到熱損傷影響是工程應用中十分關心的問題。研究表明，目前航空結構件熱損傷檢測的方法主要有力學性能測試、硬度測試、表面顏色觀察、金相組織觀察等。由于此次燒傷區域不大，且力學性能測試會對構件產生破壞，實際操作困難，因此根據上述分析，可以通過維氏硬度測試法、金相法、表面觀察法對動力艙二段平臺鈦合金燒傷部位進行熱損傷檢測和評定。

2.2 試驗方法

對燒傷區域進行清洗，去除表面油污，觀察燒傷區域的顏色變化情況，初步判斷鈦合金的燒傷程度。

選取動力艙二段平臺順航向左側、順航向右側及防火墻鈦合金變色嚴重的部位進行檢測取樣，并且選取狀態完好且與裝機件完全一致的TA2-M-δ0.6 GJB2505A鈦合金進行維氏硬度檢測。試驗設備采用徠卡維氏硬度計。試驗方法為GB/T 4340.1-1999《金屬維氏硬度試驗 第一部分：試驗方法》。根據燒傷部位鈦合金硬度與狀態完好的鈦合金板材硬度之間的對比，判定此次受影響鈦合金板材的力學性能的變化情況。

此外采用徠卡金相顯微鏡，按照GB/T 5168.1-1985《兩相鈦合金高低倍組織檢測方法》對燒傷部位試樣及狀態完好的試樣進行金相檢測，判斷燒傷鈦合金的金相組織是否發生變化

3 檢測結果與分析

3.1 表面顏色觀察

通過對動力艙二段平臺TA2鈦合金板材的燒傷現場進行觀察，可見左、右發排氣口下方區域的平臺板(傳動平臺第二段)上下表面顏色發黃發黑。為去除平臺板表面的油污，采用清洗劑對平臺板發黃發黑表面進行清洗，清洗后其表面發黑程度降低，但仍存在發黃發藍現象。平臺板疑似燒傷區域如俯視圖所示(圖2，不顯示排氣罩)。

圖2 疑似燒傷區域

研究表明，鈦合金在高溫下通常會形成一層較薄、致密和穩定的氧化膜，它具有保護作用，可以阻止氧向內部擴散，防止進一步氧化。查閱相關手冊，鈦合金表面的氧化膜顏色與其具體的使用溫度見表1[5]。由表1可知，如鈦合金表面燒傷后出現發黃發藍的現象，則其燒傷溫度可能達到500℃，這與直升機設計中設定的發動機支撐點最高溫度300℃不符，所以不能判斷鈦合金板的燒傷程度，需進行進一步檢測分析。

表1 鈦合金氧化膜顏色與溫度的關系

3.2 硬度

硬度測試結果如表2所示。由測試結果可知，受熱影響的動力艙二段平臺順航向左側、順航向右側及防火墻鈦合金的硬度值與正常鈦合金的硬度基本相當，僅有輕微下降。其中正常TA2板材的維氏硬度在180左右，而受熱影響部位的TA2板材的維氏硬度均在170～180之間。

表2 鈦合金維氏硬度測試結果

3.3 金相檢測

對受熱影響的動力艙二段平臺順航向左側、順航向右側及防火墻鈦合金的金相組織進行檢測，其金相組織均為單相的α的組織，未見異常組織的產生。

4 結論及建議

1) 根據對熱影響鈦合金的硬度測試及金相組織觀察分析可見，受熱影響區域的鈦合金的硬度并未發生明顯改變，且金相組織也未發生改變，因此，可以判斷動力艙二段平臺順航向左側、順航向右側及防火墻鈦合金未過燒，材料狀態未發生改變，可以繼續使用。

2) 對于動力艙二段平臺順航向左側、順航向右側及防火墻鈦合金，建議選用強度更高、耐溫性能更好的TC1/TC2低強度鈦合金替代TA2。 TC系列鈦合金薄板具有強度相對較高、高溫性能保持率好等特點。TC1常溫下的強度為590～735 MPa，400℃仍有310MPa以上。TC4常溫下的強度為890～1100 MPa，400℃仍有590MPa以上。因此，建議后續型號改用推薦的鈦合金板。