飛機(jī)支架失效分析與改進(jìn)措施

吳根林，胡 敏，鄧承佯，尹曉霞，黎小寶，裴華平

（1.中航工業(yè)洪都，江西 南昌330024；2.駐320廠軍事代表室，江西 南昌330024）

0 引 言

ZM5鎂合金屬鎂-鋁-鋅-鋯系鑄造鎂合金，在固溶人工時(shí)效狀態(tài)下具有良好的室溫、高溫力學(xué)性能[1]，鑄造性能好，線收縮率為1.1%~1.2%，具有高流動(dòng)性，熱裂傾向小，經(jīng)表面處理及涂漆后，可在大氣條件下長(zhǎng)期保存和使用[2]，故ZM5鑄造鎂合金常用于制造飛機(jī)框、翼肋、座艙骨架、支臂等零件[3]。

在對(duì)飛機(jī)進(jìn)行定檢過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)位于起落架艙內(nèi)的鎂合金零件一固定螺栓孔處出現(xiàn)了裂紋（圖1），其裂紋貫穿整個(gè)螺栓孔，且其并未達(dá)到規(guī)定的服役時(shí)間，而該零件是起落架主要部件，一旦失效就會(huì)給飛機(jī)飛行安全帶來(lái)威脅，因此,為提高飛機(jī)的飛行安全性，防止類似腐蝕再次發(fā)生，有必要對(duì)該支架的裂紋性質(zhì)及腐蝕原因進(jìn)行深入分析。

圖1 失效零件

在王紅英等人[4]的研究中，曾經(jīng)也出現(xiàn)過(guò)類似的ZM5鎂合金失效事件，文章對(duì)斷口形貌及裝配制造進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并闡述了裂紋萌發(fā)和擴(kuò)展的原因，指出了殘余應(yīng)力對(duì)鎂合金應(yīng)力腐蝕的影響。同時(shí)，黃光勝等人[5]和曾發(fā)翠[6]的研究中指出鎂合金中添加的Al、Zn等元素也極易誘發(fā)鎂合金出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕傾向。但上述研究都只集中探討了斷口形貌或合金成分等因素對(duì)鎂合金應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象的影響，而缺乏系統(tǒng)的研究。

本文結(jié)合鎂合金零件腐蝕案例，從零件的結(jié)構(gòu)、制造裝配、斷口觀察、硬度測(cè)試以及ICP等方法來(lái)探究裂紋產(chǎn)生的原因，同時(shí)，通過(guò)有限元應(yīng)力分析，對(duì)裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行了探討。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介與零件表面防護(hù)情況

該零件是起落架應(yīng)急開(kāi)鎖系統(tǒng)的一個(gè)支架（圖2），通過(guò)螺栓與機(jī)體其他零件連接。其接頭用于承受應(yīng)急開(kāi)鎖系統(tǒng)操作過(guò)程中的載荷，理論上該連接處的螺栓破壞形式為剪切，受載時(shí)對(duì)螺栓孔產(chǎn)生擠壓應(yīng)力。同時(shí)該螺栓表面通過(guò)氧化處理并涂覆CO4-2綠漆來(lái)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

圖2 零件結(jié)構(gòu)

1.2 化學(xué)成分分析

在ZM5零件裂紋附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)，經(jīng)ICP法檢測(cè)，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）結(jié)果（表1）反應(yīng)該失效件化學(xué)成分無(wú)明顯偏差，符合設(shè)計(jì)要求。

表1 化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果（%）

但該合金的化學(xué)成分中，鋁的含量較多，研究表明，在鎂合金中，當(dāng)鋁的成分高于0.15%~2.5%時(shí)，鎂合金晶間就會(huì)富集Mg-Al第二相降低晶界結(jié)合力，同時(shí)，造成晶界元素富集，形成電位差，進(jìn)一步加快鎂合金晶間腐蝕，促進(jìn)應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展[6]，而當(dāng)鑄造合金中鋁的含量大于8%時(shí)，應(yīng)力腐蝕傾向就更加明顯。更有資料顯示[5]，鎂合金中的鋅元素同樣也會(huì)促進(jìn)應(yīng)力腐蝕裂紋的萌發(fā)。

1.3 斷口宏觀觀察

斷口形貌如圖1、圖3所示，從圖1可以看出有兩條裂紋分別從螺栓孔處起源往外擴(kuò)展形成清晰的裂紋，即裂紋均從孔根部形成并擴(kuò)展，其中一條大裂紋一端已裂透零件側(cè)壁，進(jìn)一步觀察可知，零件裂紋附近表面部分漆層脫落。將圖1中的裂紋處沿裂紋擴(kuò)展方向打開(kāi)如圖3所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)這條裂紋幾乎裂穿整個(gè)斷面，將裂紋區(qū)域標(biāo)記為A斷口，將邊緣一小段人為打開(kāi)灰白色標(biāo)記為B斷口。進(jìn)一步觀察可知，A斷口表面有不同程度的腐蝕，大部分表面已喪失金屬本色，有大量的腐蝕坑和裂紋，斷面呈黑灰色。

圖3 零件斷口宏觀形貌

1.4 斷口微觀觀察

將斷口清洗干燥后放入掃描電鏡下觀察斷口形貌可知（圖4a），局部斷口可見(jiàn)腐蝕痕跡，斷口大部分為準(zhǔn)解理形貌；進(jìn)一步觀察可發(fā)現(xiàn)，A斷口（圖4b)光滑，局部區(qū)域也存在裂痕（疑似沿晶開(kāi)裂）和腐蝕痕跡，裂痕呈現(xiàn)多條不分枝特征；B斷口(圖4c)斷面則有韌窩結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，整體呈現(xiàn)韌性斷裂的特征。兩斷口均未發(fā)現(xiàn)有泥紋花樣腐蝕相貌，也并未發(fā)現(xiàn)有明顯的冶金缺陷和熱處理缺陷。因此，裂紋的產(chǎn)生原因并非疲勞腐蝕裂紋所致。對(duì)其腐蝕表面進(jìn)行能譜分析后發(fā)現(xiàn)，斷口表面有氯化物和氧化物存在，這說(shuō)明裂紋內(nèi)部在腐蝕液的作用下發(fā)生了電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。

1.5 斷口金相觀察

在零件裂紋附近取金相試樣，在拋光態(tài)下觀察，可見(jiàn)在靠近零件表面處有較多鑄造疏松（圖5），在腐蝕狀態(tài)下其顯微疏松基本上是沿晶界分布的。

1.6 斷口硬度觀察

在失效件上不同部位取樣，對(duì)ZM5零件進(jìn)行力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)，其結(jié)果如表2所示。由測(cè)試結(jié)果可以看出，零件螺栓孔表面材料的硬度低于設(shè)計(jì)要求，但試樣心部的硬度值卻符合設(shè)計(jì)要求，這說(shuō)明試樣表層疏松的組織使材料的力學(xué)性能指標(biāo)明顯下降。

圖5 零件斷口金相分析

表2 硬度測(cè)試（HBW）

圖6 有限元應(yīng)力分析

2 綜合分析

2.1 有限元應(yīng)力分析

針對(duì)出現(xiàn)裂紋的螺栓處可以運(yùn)用Hypermesh軟件進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，先將零件整體進(jìn)行網(wǎng)格分割(圖6(a))，再模擬實(shí)際環(huán)境中的邊際條件對(duì)零件螺栓孔進(jìn)行固定，該螺栓孔則承受服役環(huán)境中的外加載荷，最后通過(guò)模擬可知，在外力作用下，螺栓孔附近出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象(圖6(b))，這說(shuō)明該螺栓孔在服役期間始終受載。其中最大的載荷為53.52MPa，明顯低于其屈服強(qiáng)度（σb≥225MPa），因此，外加應(yīng)力過(guò)高并非是該零件裂紋出現(xiàn)的原因。

2.2 失效模式分析

通過(guò)上述分析可知，該零件的化學(xué)成分和受載均符合相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此，裂紋產(chǎn)生的原因并非材料化學(xué)成分不達(dá)標(biāo)或者外加載荷過(guò)高。通過(guò)顯微分析可發(fā)現(xiàn)，裂紋斷口呈現(xiàn)明顯的解理形貌，其裂紋呈現(xiàn)沿晶斷裂特征且多條不分枝，同時(shí)，有限元應(yīng)力分析結(jié)果也顯示螺栓孔附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，該裂紋的特征為應(yīng)力腐蝕裂紋。

2.3 失效原因分析

金相組織顯示鑄鎂合金表層組織疏松，其表面硬度值較心部明顯下降，從而造成其耐腐蝕性能下降。進(jìn)一步觀察可以得知，零件表面的漆層和氧化層受到不同程度的破壞，內(nèi)部的鎂基體直接暴露在環(huán)境中。由于該部件位于飛機(jī)起落架內(nèi)，在飛機(jī)著陸和起飛過(guò)程中，飛濺的溶有灰塵的地面積水就會(huì)殘留在組織缺陷中，造成暴露出來(lái)的鎂基體直接與殘留液相接觸構(gòu)成鎂-水應(yīng)力腐蝕敏感系統(tǒng)[7]。同時(shí)，鎂的活性較高，極易與水溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)[8]，鎂基體就會(huì)不斷地溶解形成早期應(yīng)力腐蝕微裂紋。因而鎂合金零件裂紋產(chǎn)生的根本原因應(yīng)該歸結(jié)于鑄造工藝不當(dāng)，造成鎂合金表面存在鑄造組織疏松等缺陷。

此外，過(guò)多的鋁元素造成合金內(nèi)部晶界結(jié)合力下降，誘發(fā)晶間腐蝕傾向，最終，使早期微裂紋在交變外加應(yīng)力和加工殘余應(yīng)力的影響下，沿晶界不斷擴(kuò)展造成零件的應(yīng)力腐蝕斷裂失效。

3 改進(jìn)措施

1）裝配時(shí)采用定力扳手，防止裝配過(guò)程中的裝配應(yīng)力太大；

2）保護(hù)表面涂層的完整性，在完成裝配工作后增噴一層漆層；

3）改進(jìn)鑄造工藝，減少鑄造表層缺陷，或者使用前將表層修挫3~5cm；

4）選用鋁含量在8%以下的鑄造鎂合金為支架材料；

5）若該部位再次發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，可以考慮更換耐腐蝕性能更高的鋼構(gòu)件或鋁合金構(gòu)件。

4 結(jié) 論

1）該鎂合金支架的裂紋性質(zhì)是應(yīng)力腐蝕裂紋；

2）材料鑄造表面缺陷對(duì)材料力學(xué)性能影響較大，且極易促進(jìn)鑄鎂表面產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕誘發(fā)源，是裂紋產(chǎn)生的根本原因；

3）零件選材不正確，合金中過(guò)高的Al元素使鑄鎂合金的應(yīng)力腐蝕傾向更加明顯，也是裂紋產(chǎn)生的內(nèi)因；

4）零件在裝配過(guò)程中，表面防護(hù)層受到不同程度的破損，在殘留冷凝液形成的腐蝕液中及殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力的共同作用下，支架表面形成了應(yīng)力腐蝕裂紋，且服役環(huán)境因素是誘發(fā)裂紋的關(guān)鍵因素和外因。

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