轉彎卡箍裂紋失效分析及加工優化

曹翌軍，肖 文，李 博

(1.海裝駐漢中地區軍事代表室，陜西 漢中 723000；2.中航飛機起落架有限責任公司，陜西 城固 723200)

隨著航空工業發展，高機動性、大載量型飛機研發制造，高強度鋼、超高強度鋼在航空制造業中得到廣泛應用，飛機起落架的關鍵、重要受力構件大多選用超高強度鋼，但超高強度鋼強度增大使得材料韌性降低，隨之而來的是對缺口、氫脆及應力腐蝕問題更加敏感。同時，為了做到起落架與機體同壽命，一般均需要對起落架零件進行表面防護以增強其耐蝕性，在表面處理過程中，鋼制零件會吸收氫原子，可能會造成氫脆[1-2]。某型飛機前起落架轉彎卡箍在鍍鎘-鈦后磁粉檢查時發現有裂紋存在。轉彎卡箍材料為40CrNi2Si2MoVA(300M)鋼，主要制造工藝流程：數控銑(粗加工零件外形)→數控鏜→鉗工(拋光)→總檢→熱處理(870 ℃，油淬+300 ℃，空冷，回火2次)→數控銑→磨工→低溫回火→數控銑→磨工→低溫回火→數控銑→磨工→低溫回火→數控銑(關鍵工序)→低溫回火→鉗工→總檢→酸蝕檢查→磁粉探傷→噴丸→鍍鉻→總檢→鍍鎘-鈦→磁粉探傷(發現裂紋)。轉彎卡箍經過熱處理后抗拉強度值達到了設計要求，且在經過鍍鉻、鍍鎘-鈦后發現表面存在裂紋。本文對卡箍表面裂紋缺陷區進行了表面觀察，對裂紋斷面進行了宏微觀觀測，檢查了卡箍的組織、硬度，測試了氫含量和表面殘余應力，判斷了裂紋性質并對其開裂原因進行了分析，在此基礎上確定了轉彎卡箍開裂的性質和原因。

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀觀察

失效轉彎卡箍外觀如圖1所示，轉彎卡箍裂紋中段平直，平行軸向分布，兩端可見明顯分叉；裂紋中段縫隙大，兩端小。

1.2 微觀觀察及能譜分析

將裂紋打開進行斷口宏觀觀察，裂紋斷口整體平坦，呈灰黃色、藍金色斑駁特征，靠近外壁的斷口邊緣呈灰黃色，顏色較均勻，靠近內壁邊緣斷口為亮銀色。裂紋軸向部分深度較均勻，基本穿透壁厚，末端分叉部分裂紋斷口呈扇形，可見由外向內的放射棱線，斷面大部分區域顏色與軸向斷面相同，呈斑駁狀；人為打斷區為亮銀色，裂紋斷面邊緣靠近人為打斷斷面的區域為暗灰色，無明顯污染(見圖2)。

a) 裂紋

b) 宏觀形貌

圖2 斷口整體形貌

在掃描電鏡下觀察裂紋斷口形貌。靠近外壁的斷面呈島狀凸起，微觀為電鍍膜層特征；退除鍍層后該處斷面為沿晶、解理混合特征，斷口中、下部斷面均為沿晶、解理混合特征，局部可見少量韌窩，無明顯氧化、污染(見圖3)；靠近內壁的斷口銀白色區為細小剪切韌窩特征(見圖4)。

圖3 斷口中、下部形貌

圖4 內壁邊緣斷口剪切韌窩

能譜結果顯示，斷口靠外側的島狀表面被鎘-鈦鍍層覆蓋，向內部斷面Cd元素基本消失，O元素含量較高；斷口中部僅可見少量O元素，其余均為基體元素；內側韌窩區均為基體元素。

裂紋末端分叉部位斷面僅外側邊緣很小區域可見鍍層污染，宏觀斑駁區的斷面表面干凈，無明顯氧化污染特征，為穿晶解理、沿晶混合特征；裂紋斷面末端的暗灰色區表面以穿晶解理斷裂為主，可見少量沿晶斷面，表面可見雞爪痕(見圖5)；人為打斷區為韌窩特征(見圖6)。

圖5 裂紋斷口末端沿晶及雞爪痕

圖6 人為打斷區韌窩

能譜結果顯示，靠近外壁斷面Cr含量高于基體，斷口中部氧化輕微，無明顯污染物，暗灰色區與基體成分一致。

1.3 組織檢查

垂直裂紋末端磨制金相試樣，拋光狀態進行觀察，可見裂紋徑向擴展，末端呈人字形分叉，在距離主裂紋8 mm左右的位置還可見一條徑向裂紋，裂紋擴展1/3壁厚。浸蝕后進行低倍組織觀察，2條裂紋附近組織與其他區域一致，主裂紋沿著變形流線方向擴展。拋光狀態高倍觀察，主裂紋開口較大，兩側可見細小分叉，分叉裂紋曲折、斷續；主裂紋附近小裂紋宏觀平直，微觀可見細小曲折，裂紋末端也可見斷續裂紋。

能譜結果顯示，靠近外壁裂紋內可見Cd、Ti鍍層元素；小裂紋靠近外側可見很高O、Cr元素。浸蝕后觀察，曲折裂紋為沿晶、穿晶混合擴展；裂紋邊緣無脫碳組織，組織整體均勻(見圖7)。

圖7 裂紋附近金相組織

1.4 硬度測試

在卡箍裂紋10 mm范圍內選取任意3點用200HRS-150數顯洛氏硬度計測試硬度，結果見表1，卡箍硬度均勻，符合技術標準要求。

表1 卡箍洛氏硬度測試結果

1.5 氫含量測試

在距卡箍裂紋10 mm范圍內切取試樣，采用RH-404型定氫儀測定氫含量，結果均為1 ppm。

2 分析與討論

由上述試驗可知，卡箍裂紋宏觀呈脆性斷裂，裂紋從外側起始向內擴展，斷面均以沿晶、解理混合特征為主，在裂紋末端斷面晶粒表面可見雞爪痕，未見其他缺陷，組織、硬度檢查未見異常。

卡箍裂紋為脆性裂紋，斷面呈現沿晶、解理混合特征，裂紋末端暗灰色無污染區晶粒表面還可見雞爪紋等氫致裂紋的典型特征；同時，斷面大部分無污染、無氧化，裂紋兩側無脫碳，與熱處理裂紋狀態不符，由此判斷轉彎卡箍裂紋為氫致脆性開裂。斷面靠近表面區域可見大量鍍層物質，裂紋在鍍鎘-鈦過程中或者之前就已產生。

研究表明，高強度鋼發生氫脆斷裂需同時滿足3個條件：1)具有相當高的強度水平；2)含氫超過某一最低值，且氫能通過鋼自由擴散；3)承受超過某一最低值的靜載荷應力[3-6]。卡箍硬度、強度符合技術要求，說明卡箍的熱處理質量符合要求，表面壓應力狀態也反映了正常的噴丸效果。通常強度級別高的材料比強度級別低的材料氫脆敏感性大，裂紋擴展速度也大[7]。卡箍材料為強度接近2 000 MPa的300M鋼，在特定的應力、環境狀態下，少量的氫也可能引發氫致損傷。零件最終氫含量僅1 ppm，其氫致開裂很可能是在動態析氫過程中發生的，即卡箍自身存在較大的內部殘余應力，在酸洗、電鍍等工序中反復析氫，氫致損傷逐漸積累最終產生氫致開裂。

轉彎卡箍為鍛件機械加工成型后熱處理，內應力受鍛件狀態、加工形態和熱處理過程的影響較為復雜。在開裂卡箍裂紋處可見集中的變形流線，裂紋初期沿流線擴展，這種復雜流線也可能對鍛件的內應力分布產生影響。從卡箍的制造工藝路線看，其經過了酸蝕檢查、鍍鉻及鍍鎘-鈦等多項表面處理，工序內的除氫、除氫間隔控制對氫致開裂影響較大。

建議在滿足使用條件的情況下，優化熱處理工藝以降低轉彎卡箍的抗拉強度，如確有必要可選用合適的材料替換40CrNi2Si2MoVA鋼[8]；嚴格執行鋼件鍍覆后除氫要求，同時可適當延長除氫時間，并控制除氫間隔越短越好。

3 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)轉彎卡箍裂紋為氫致脆性開裂，裂紋在鍍鎘-鈦過程中或者之前就已經產生。

2)卡箍開裂可能與內應力過大、表面處理過程控制有關，卡箍開裂部位變形流線集中、露頭，對開裂也有促進作用。