鋁合金高鎖螺母褪色故障原因分析

曾馨靚，蔣智華

（航空工業成都飛機工業(集團)有限責任公司工程技術部，四川 成都 610091）

鋁合金高鎖螺母是一種航空用緊固件，具有自鎖、高強度、高抗疲勞性、抗振動、耐腐蝕、易安裝等優良特性，因此近幾年來被越來越多地應用于新型飛機[1]。按產品技術規范，鋁合金高鎖螺母需要進行陽極氧化、電解著色及封閉，最終生成具有一定光澤、耐蝕、耐磨的氧化膜，使鋁合金具有優異的裝飾和保護功能[2-6]。某型飛機上的鋁合金高鎖螺母多達20 000顆，主要是著綠色和著橙色2種，占螺母總數的23%及高鎖螺母總數的80%，分布于飛機機身壁板、骨架結構、外罩貯箱等輕量化結構中[7]。本文運用故障樹分析方法對該型飛機上的鋁合金高鎖螺母褪色現象進行原因分析，并提出了改進措施。

1 故障情況

某型飛機上的鋁合金高鎖螺母在出庫、安裝及裝配完成后均為正常的綠色，飛機在后續擦洗時也無褪色情況，但擱置約1個月后出現大面積褪色(見圖1)?，F場未安裝和庫存的同批次產品均無褪色現象，操作人員分別用丙酮、汽油和乙酸乙酯清洗后也無明顯的褪色現象。

圖1 高鎖螺母褪色現象Figure 1 Discoloration on high lock nuts

于是操作人員將裝配現場拆卸下來的4件褪色螺母進行了外觀、原材料成分、膜厚和耐蝕性檢測。

1.1 外觀

如圖2所示，4件褪色產品的支撐面及內螺紋仍有綠色，其余部位出現不同程度的褪色，表面有明顯的拆卸痕跡和涂覆的鋅黃底漆。

圖2 現場已安裝產品拆卸后的外觀Figure 2 Appearance of installed nuts after removal

1.2 原材料成分

基體是7075鋁合金材質，T73狀態，入廠復驗合格。采用S1 TITAN600手持式X熒光光譜儀對褪色產品進行分析，并用HVZ-30T維氏硬度計測量鋁合金高鎖螺母的硬度，按HB 0-94–1977《黑色金屬硬度及強度換算表》進行換算，結果列于表1?？梢娀牡慕M分和硬度都符合要求。

表1 高鎖螺母基體的組成和硬度Table 1 Composition and hardness of high lock nut substrate

1.3 產品膜厚

隨機取1件褪色產品進行金相檢測，如圖3所示，陽極氧化膜完整，膜厚約10.33 μm，符合HB 5055–1993《鋁及鋁合金硫酸陽極氧化 膜層質量檢驗》規定的膜厚在4 ～ 20 μm范圍內的要求。

圖3 陽極氧化膜的截面金相照片Figure 3 Metallographic images of cross-section of anodization film

1.4 耐蝕性檢測

取2個拆機件和同批次庫存件，按GJB 715.1–1989《緊固件試驗方法 鹽霧》，懸掛于35 °C的試驗箱中，用5% NaCl溶液連續噴霧336 h。如圖4所示，拆機故障件表面有灰黑色腐蝕產物，同批次庫存件無腐蝕。

圖4 故障件和同批次庫存件中性鹽霧試驗后的表面狀態Figure 4 Surface states of the defective parts and the unused ones produced in the same batch after neutral salt spray test

2 故障排查

如圖5所示，采用故障樹分析法可以確定導致鋁合金高鎖螺母褪色的中間事件有2個，分別為表面處理工序和產品使用環境。陽極化及著色主要由表面處理工序完成，可能的影響因素有表面處理工藝、表面處理生產過程及染料。另一方面，產品在實際使用過程中的丙酮擦洗和工作環境是直接原因。

圖5 高鎖螺母褪色故障樹Figure 5 A tree showing the causes of discoloration of high lock nut

2.1 表面處理工藝

鋁合金高鎖螺母采用的表面處理工藝參考了HB/Z 233–1993《鋁及鋁合金硫酸陽極氧化工藝》、HB 5055–1993《鋁及鋁合金硫酸陽極化膜層質量檢驗》、MIL-A-8625Anodic Coatings, for Aluminum and Aluminum Alloys和HB 5362–1986《飛機常用金屬防護層耐蝕性質量檢驗》進行的。主要生產流程為：下料→數車→去毛刺→制標→滲透探傷→表面處理。其中表面處理的主要工序有堿腐蝕、出光、陽極化、著色和固色處理(封閉)。

經復查，表面處理工藝要求與產品要求對標一致，滿足生產要求，故排除該因素。

2.2 表面處理生產過程

表面處理所用的堿蝕槽、出光槽、陽極化槽等都按規定進行了周期性檢查，槽液濃度都符合工藝要求，生產所用溫度控制儀表也按要求進行檢定，均在有效期內，故不能判斷表面處理過程是否存在造成褪色的因素。

2.3 染料

著色使用的綠色染料為GN414，橙色為OR214，均屬于酸性偶氮類染料。HB/Z 233–1993中規定了染色染料為酸性染料，但并未規定具體的牌號，未對染料的色牢固度作出要求，也沒有規定相應的檢測方法，但產品在正常生產制造及貯存過程中并無褪色現象，因此所用的綠色、橙色染料可以滿足正常的使用要求，它們并不是造成螺母褪色的原因。

2.4 產品實際使用環境

根據現場反饋得知，該鋁合金高鎖螺母在裝配時要用丙酮擦洗，而現場未裝配的產品及庫存產品均未發生褪色現象，推測丙酮擦洗對高鎖螺母褪色可能有較大的影響。

3 故障復現

為了追溯原因，復現問題，提取與故障件同批次、同規格并已陽極氧化和著色處理入庫的T1(染綠色)和T2(染橙色)2個批次的鋁合金高鎖螺母進行試驗，以驗證不同封閉方法、丙酮接觸與光照對染色陽極氧化膜的影響。根據HB/Z 233–1993第5.9.3條，固色處理可選擇熱水處理、蒸汽處理或鎳鹽處理中的任意一種。因蒸汽封閉原理與熱水類似，故本次驗證不進行。

用丙酮浸泡不同試驗件20 min，敞開放置后觀察褪色情況。結果顯示，除了采用熱水封閉的著綠色試驗件在放置第5天開始明顯褪色外，其余試驗件均無明顯變化(見圖6和圖7)。這說明熱水封閉的著綠色產品在浸泡丙酮后光照對褪色影響顯著。因此，進一步采用不同溶液對熱水封閉的著綠色試驗件進行擦洗和浸泡，結果見表3。

圖6 染綠色產品浸泡丙酮前、后的表面狀態Figure 6 Surface states of green colored products before and after immersion in acetone

圖7 染橙色產品浸泡丙酮前、后的表面狀態圖7 Surface states of orange colored products after immersion in acetone

表3 不同溶液浸泡或擦拭后的褪色情況Table 3 Discoloration after being immersed in or wiped with different solutions

從表3可知，著色后產品有一定的耐溶劑性，丙酮、苯甲醇、乙酸乙酯這些溶劑在短時間內都不會使產品褪色；但不耐酸和堿，采用除油液和活化液浸泡或擦洗會立刻發生嚴重褪色現象。在堿性除油液中浸泡為均勻褪色，用蘸堿性除油液的脫脂棉擦洗后明顯掉色，表面發霧；在酸性活化液中浸泡為不均勻褪色。但安裝現場并沒有酸、堿性物質，況且樣品是現場安裝一段時間后才褪色，因此可排除因接觸酸堿引起的褪色。

4 原因分析

陽極氧化膜屬于多孔膜，未封閉時易受到大氣及其他有害物質的侵蝕，使著色成分遭到破壞而褪色，因此封閉是提高陽極氧化膜顏色穩定性的關鍵。本次故障的原因是樣品在熱水封閉后表面微孔沒有被完全封閉，加上安裝過程中用丙酮擦洗時有丙酮滲入孔內，引起染料溶解脫附，光照下染料分解而緩慢褪色。

5 建議

(1) 改進固色工藝，所有產品均改用鎳鹽封閉，并對產品進行鎖緊力、擰斷力矩、預緊力、松脫力矩等性能測試，以檢驗鎳鹽封閉是否會影響產品性能。

(2) 增加耐溶劑性試驗，如產品可能接觸的丙酮、乙酸乙酯等，及時更換不合適的溶劑。