某型飛機柱塞組件故障件失效分析及CT掃描技術研究

摘 要：某型飛機液壓柱塞泵柱塞組件的柱塞滑靴端面由鋼層-銅層結構的雙金屬擴散焊工藝加工而成。由于焊接工藝等原因，鋼銅結合面偶有發生滑靴端面銅層剝落、滑靴端面及轉子端面異常磨損等故障。經過體式顯微鏡和掃描電鏡等失效分析和觀察，鋼層與銅層之間存在局部未熔合導致銅層端面受力異常，是銅層疲勞掉塊的主要原因。超聲檢測僅能對未加工凸臺凹槽的擴散焊毛坯件檢查，嘗試對已成型的柱塞座開展工業CT掃描。實驗表明，以柱塞座組件端面鋼銅擴散層為初始切面，以步長0.04 mm向兩側逐層進行切面，可以有效發現銅、鋼擴散焊交界面存在離散型氣孔和未熔合等缺陷，工業CT掃描銅鋼雙金屬擴散焊成型柱塞座具有定位準確、圖像易識別和分辨率高等優點。

關鍵詞：柱塞組件；雙金屬；擴散焊；失效分析；CT掃描

中圖分類號：TG115 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）28-0094-04

Abstract： The end face of the plunger shoe of a certain aircraft hydraulic plunger pump is processed by a bimetallic diffusion welding process with a steel layer-copper layer structure. Due to welding process and other reasons， failures such as copper layer peeling off on the end face of the shoe， abnormal wear on the end face of the shoe and the end face of the rotor occasionally occur on the steel-copper joint surface. Through failure analysis and observation with a solid microscope and a scanning electron microscope， it was found that there was a local lack of fusion between the steel layer and the copper layer， which led to abnormal stress on the end face of the copper layer， which was the main reason for fatigue loss of the copper layer. Ultrasonic testing can only inspect diffusion welded blanks without machined boss grooves， and attempts to carry out industrial CT scanning of the formed plunger seat. Experiments show that： taking the steel-copper diffza2Km0uJArN+OjE819d4cg==usion layer on the end face of the plunger seat assembly as the initial section， and slicing the section layer by layer to both sides with a step length of 0.04 mm， defects such as discrete pores and unfusion can be effectively discovered at the interface between copper and steel diffusion welding. Industrial CT scanning copper-steel bimetallic diffusion welding has the advantages of accurate positioning， easy image recognition and high resolution.

Keywords： plunger assembly; bimetallic; diffusion welding; failure analysis; CT scanning

擴散焊接[1]是一種比較成熟的焊接技術，擴散焊屬于一種固態焊接方法，它通過擴散控制過程，產出接觸表面的結合。擴散焊接作為材料連接的重要技術，現已大量應用于鈦合金、不銹鋼、鎂合金、鋁合金和陶瓷的同種、異種材料的焊接中。

擴散焊接主要焊接機理就是金屬原子在溫度與壓力下的滲透。在一定的溫度和壓力下，將兩種待焊金屬的焊接表面相互接觸，通過微觀塑性變形或通過焊接面產生微量液相而擴大待焊表面的物理接觸，使之距離在（1～5）×10-8 cm以內，再經過較長時間的原子相互間的不斷擴散，相互滲透，來實現冶金結合的一種焊接方法。由于擴散連接母材不需要熔化，在精密焊接、微細連接、特殊材料連接、異種材料連接以及難以進行熔焊的領域發揮很大的作用，成為航空、航天等先進技術領域和一些工業產品組裝中不可缺少的技術。

某液壓柱塞泵柱塞組件的柱塞滑靴端面由鋼層-銅層結構的雙金屬擴散焊工藝加工而成，在柱塞泵使用過程中發現柱塞座組件端面存在掉塊現象，實物圖如圖1所示。組件端面較為平滑，凸臺掉塊處與滑靴端面基本齊平，凸臺斷截面粗糙鋸齒狀，整個斷面未見明顯裂紋。

1 失效分析

痕跡分析是失效分析中重要的技術方法，通過對機械表面痕跡的識別和分析，可以了解痕跡的形成過程及其影響因素，從而為機械零件失效原因的確定提供重要依據。對損傷形貌進行宏觀和微觀的痕跡分析，查明了失效原因，并給出了針對性結論和建議，對于提高裝備質量，防止類似現象重復發生具有重要意義。選取掉塊柱塞組件開展失效分析。

在體視顯微鏡下對斷口進行觀察，檢查未焊合區域可見明顯的機加紋路，如圖2所示。

沿徑向觀察斷口，檢查焊合區域和未焊合區域可見明顯區別，未焊合區域內可見鋼基體與銅板之間存在明顯的分層。

在掃描電鏡下進一步觀察斷口形貌，未焊合區域可見明顯機加紋路，如圖3所示。

將斷口在掃描電鏡下進行微觀觀察，可見裂紋起源于銅層外端面，為線性起源，擴展區可見明顯疲勞條帶形貌。裂紋源區內未見夾雜、孔洞等缺陷，如圖4所示。

沿軸向切割柱塞座組件，斷口處鋼層與銅層之間存在較長的未焊合區域，未見銅層往鋼層擴散形貌，如圖5所示，長約1.7 mm。在另一處存在約0.7 mm未焊合區域。檢查鋼層和銅層之間未焊合部位的間隙，約11.66 ？滋m，如圖6所示。

對斷口進行能譜定性分析，結果見圖7和表1，可知焊合區域銅含量相對較高、鐵含量相對較低，分別為34.62%和0.99%，未焊合區域（機加形貌區域）銅含量相對較低、鐵含量相對較高，分別為7.57%和9.62%。

根據對柱塞座組件進行的宏觀分析、微觀分析、金相分析和能譜定性分析可知：柱塞座組件掉塊位置為疲勞斷裂，裂紋起源于銅層外端面，為線性起源，擴展區可見明顯疲勞條帶，疲勞源區未見夾雜、孔洞等缺陷。斷口處鋼層與銅層之間存在1.7 mm的未焊合區域，另一處存在約0.7 mm的未焊合區域，檢查鋼層和銅層之間未焊合部位的間隙約11.66 ？滋m，未焊合區域內無銅層往鋼層擴散形貌。局部未焊合導致銅層端面受力異常，是銅層疲勞掉塊的主要原因。

2 CT檢測

對液壓柱塞泵柱塞組件內部擴散焊未焊合部位開展無損檢測的方法主要有超聲檢測方法和X射線三維成像掃描檢測方法。超聲檢測方法主要針對無加工凸臺凹槽的擴散焊毛坯件，對于成品件則可嘗試開展X射線CT檢測方法。

選取1件未進行線切割破壞的柱塞開展擴散焊質量檢測，工業CT掃描參數見表2，檢測后的數據處理方法為：以柱塞座組件N端面向下1 mm位置（理論上銅鋼擴散層）為初始切面，以步長0.04 mm向兩側逐層進行切面。

根據檢測結果，柱塞銅、鋼擴散焊交接面約處于端面向下0.90 mm附近，基本符合圖紙設計要求。此時CT掃描缺陷尺寸測量較為精準，如圖8所示。

從CT掃描結果來看，缺陷主要集中在端面向下0.88 mm切面和0.92 mm切面，位于端面向下0.92 mm處最大缺陷尺寸為1.039 mm，孔隙率約0.7%，分別如圖9、圖10所示。

由圖中可以看出，柱塞銅、鋼擴散焊交接面主要缺陷為離散型的氣孔，無大面積未焊合狀態，與失效件柱塞缺陷有明顯的差異，CT掃描件柱塞最大缺陷尺寸為1.039 mm，位于最外緣的支撐臺階，不在通常認為的柱塞上最容易發生損傷失效的位置。

以端面向下0.92 mm最大缺陷尺寸處向上和向下切片，切片厚度0.04 mm，分布觀察各切面CT掃描情況，如圖11所示。

從CT掃描結果來看，缺陷主要集中在端面向下0.88 mm切面和0.92 mm切面，0.8、0.84、0.96、1.0、1.04、1.08、1.12、1.16 mm缺陷相對較小，基本可忽略。工業CT掃描銅鋼雙金屬擴散焊成型柱塞座影像檢測分辨率高，同時缺陷定位準確、缺陷所在位置識別清晰。

3 結論

柱塞座組件掉塊位置為疲勞斷裂，裂紋起源于銅層外端面，為線性起源，擴展區可見明顯疲勞條帶，疲勞源區未見夾雜、孔洞等缺陷。斷口處鋼層與銅層之間存在未焊合區域，未焊合區域內無銅層往鋼層擴散形貌。局部未焊合導致銅層端面受力異常，是銅層疲勞掉塊的主要原因。

以柱塞座組件端面鋼銅擴散層為初始切面，以步長0.04 mm向兩側逐層進行切面，可以有效發現銅、鋼擴散焊交界面存在離散型氣孔和未熔合等缺陷，工業CT掃描銅鋼雙金屬擴散焊成型柱塞座具有定位準確、圖像易識別和分辨率高等優點。

參考文獻：

[1] 馬紀明，黃怡鴻，郭健，等．液壓柱塞泵運動副磨損特性研究綜述[J]．液壓與氣動，2017，8（15）：84-91．

[2] 陳榮，田浩，李權，等.飛機液壓泵進油接管頭脫出失效分析[J].金屬熱處理，1999，15（4）：15-20.

[3] 蕭文鍵，周雄武.殲七H飛機主液壓泵失效分析及其預防措施[C]//全國機電裝備失效分析預測預防戰略研討會.中國機械工程學會，1998.