300M鋼刷鍍鎘性能及在某型飛機起落架修理中的應用

曹強，湯智慧，程宗輝，詹中偉，彭超（.國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 4007；.北京航空材料研究院 航空材料先進腐蝕與防護航空科技重點實驗室，北京 00095）

300M鋼刷鍍鎘性能及在某型飛機起落架修理中的應用

曹強1，湯智慧2，程宗輝1，詹中偉2，彭超2
（1.國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007；2.北京航空材料研究院 航空材料先進腐蝕與防護航空科技重點實驗室，北京 100095）

目的 研究刷鍍鎘工藝在300M鋼起落架的工程應用和鍍層性能。方法 采用兩種不同的刷鍍鎘溶液在300M鋼表面實現外觀質量良好的電刷鍍鎘層，利用掃描電鏡、鹽霧箱及力學拉伸機等對鍍層顯微組織、厚度、結合力、耐腐蝕性能和氫脆性能進行測試，并對起落架零件電刷鍍修復進行工藝應用研究。結果 選用的兩種鍍液均可在300M表面獲得質量穩定，厚度、結合力符合技術要求的電刷鍍鎘層。該鍍層中性鹽霧性能超過500 h，氫脆性能合格。結論刷鍍鎘工藝可成功應用于某型機起落架零件電鍍鎘鈦鍍層的修復。

300M鋼；電刷鍍鎘；耐腐蝕；氫脆；起落架修復

超高強度鋼因其具有高的比強度、良好的疲勞性能和工藝性能在航空產品中得到了廣泛應用，如國產先進戰機起落架大多采用了300M鋼進行制造[1—2]。為了提高300M鋼的抗腐蝕性能，采用了電鍍鎘鈦工藝進行防護。

由于使用環境惡劣，飛機服役過程中，部分300M鋼零件鎘鈦鍍層難免出現不同程度的腐蝕。如國產某型三代機在進行第一次大修時，300M鋼起落架凹槽、凹坑等部位在去除表面漆層后發現大量腐蝕。這主要是因為凹陷區域在電鍍過程中容易聚集氣泡，鍍層較薄，從而成為薄弱點而發生腐蝕，這些腐蝕區域的鍍層則需要進行修復。

電刷鍍技術屬于特種電鍍技術，是電鍍技術的新發展[3—6]。目前國內外都已經采用了電刷鍍工藝對零件部分區域進行鍍層修復、補鍍，甚至用于裝備再制造中[7—11]。在飛機起落架的修復中，電刷鍍工藝也發揮了重要的作用[12—13]，其中低氫脆刷鍍鎘工藝是應用最廣泛的工藝之一。劉佑厚等[14]早在20世紀90年代就開展了低氫脆刷鍍鎘工藝的研究。顏華等[15]研究了刷鍍鎘技術在飛機高強度鋼結構件表面損傷修復中的應用，實驗結果表明，該工藝操作簡單，質量穩定。劉鵬等[16]在A100鋼表面進行了刷鍍鎘工藝及性能研究，發現刷鍍鎘鍍層具有很高的耐蝕性能。張旭等[17]在4340鋼表面進行了電刷鍍鎘修復工藝的應用研究，取得了良好的效果。

文中選用兩種刷鍍鎘溶液在300M鋼表面制備了鎘鍍層，對刷鍍層的外觀、厚度、鍍層結合力、耐蝕性和氫脆性能進行了測試評價，并針對某型機起落架腐蝕區域進行了電刷鍍修復，確定了修復工藝。

1　實驗

1.1實驗材料和試樣

試樣基材采用超高強度300M鋼，硬度為51～53HRC，其化學成分（以質量分數計）為：C 0.38%～0.43%，Ni 1.65%～2.00%，Cr 0.70%～0.95%，Mo 0.30%～0.50%，V 0.05%～0.10%，Mn 0.60%～0.90%，P≤0.010%，S≤0.010%，Si 1.45%～1.80%，Cu≤0.35%。實驗采用兩種試樣，鍍層外觀、厚度、結合力、耐蝕性能測試試樣尺寸為100 mm×50 mm×3 mm，氫脆試驗試樣按照HB 5067.1—2005《鍍覆工藝氫脆試驗第1部分：機械方法》進行加工。

實驗采用的刷鍍溶液分別為北京航空材料研究院生產的LHC低氫脆刷鍍鎘溶液和美國Sifco公司的5070刷鍍鎘溶液。電刷鍍工藝按照Q/6SZ 1171—2001《高強度鋼零件低氫脆刷鍍鎘工藝》的規定進行。開展電刷鍍修復應用的某型機起落架為300M鋼基材，硬度為51～53HRC，原始防護工藝為電鍍鎘鈦。

1.2測試方法

刷鍍層外觀采用目視檢查方式，厚度采用FEI Quanta600型環境掃描電子顯微鏡進行金相測量。刷鍍層結合力采用劃格法進行。在試樣表面刷鍍層上，用切割刀具按同一方向劃3～4條間距為1 mm的平行線，深達基體金屬，再按垂直方向劃4～5條間距為1 mm的平行線，這樣可形成多個1 mm2的方格，劃格后涂層無任何剝落為結合力合格。

刷鍍層的耐蝕蝕性能測試采用中性鹽霧實驗的方式。中性鹽霧實驗利用Q-panel鹽霧箱參照ASTM B117進行，鹽霧溶液中NaCl的質量分數為5%，每24 h檢查1次，500 h后結束測試。

氫脆性能按照HB 5067.1—2005《鍍覆工藝氫脆試驗第1部分：機械方法》進行，采用標準氫脆試樣200 h持續加載的方式進行考核。

2　結果與討論

2.1電刷鍍鎘層的外觀和顯微形貌

分別采用LHC低氫脆刷鍍鎘溶液和5070刷鍍鎘溶液制備的鎘層外觀形貌如圖1所示。總體來說，兩種鍍層結晶細致均勻，鍍層完整，可完全覆蓋試樣，并且鍍層表面沒有出現起泡、剝落、麻點、燒焦等現象，但鍍層會出現標準允許的顏色差異。

分別采用LHC低氫脆刷鍍鎘溶液和5070刷鍍鎘溶液制備的鎘層截面形貌如圖2所示。在同種工藝條件下，LHC刷鍍溶液獲得的鍍層厚度約為13.2 μm，5070刷鍍溶液則可獲得17.5 μm的鍍層厚度，但伴隨了較大的孔隙率。

圖1　不同刷鍍鎘溶液制備的鎘層Fig.1　Cd coatings prepared with two types of brush-plating solutions

圖2　不同刷鍍鎘溶液制備的鎘層顯微形貌Fig.2　Microstructure of Cd coatings prepared using two types of brush-plating solutions

2.2鍍層結合力

采用劃格法對鍍層結合力進行考核后顯示，兩種刷鍍溶液獲得的鍍層均沒有出現起皮、剝落或與基體分離的現象，如圖3所示。這表明電刷鍍鎘具有很好的結合性能，適用于電鍍鎘鈦的修復。

圖3　不同刷鍍鎘溶液制備的鎘層結合力測試結果Fig.3　Results of adherence testing of Cd coatings prepared using two types of brush-plating solutions

2.3鍍層耐腐蝕性能

按照ASTM B117采用中性鹽霧試驗方法對兩種不同溶液制備的電刷鍍鎘層進行了耐蝕性檢測，檢測結果見表1。結果顯示，兩種方法獲得的鍍層經過96 h鹽霧試驗后未見白色銹蝕，經500 h鹽霧試驗后無任何紅銹產生（如圖4所示），表現出了優良的耐腐蝕性能，可以滿足零件的修復要求。

表1　耐蝕性測試結果Table 1 Corrosion resistance test results

2.4鍍層氫脆性能

按照HB 5067.1—2005采用拉伸試驗進行氫脆測試。采用12根帶缺口的300M鋼圓棒氫脆試樣（平均缺口抗拉強度為2811 MPa），分別用兩種刷鍍鎘溶液進行表面刷鍍。然后對其施加相當于缺口抗拉強度75%的力進行200 h持續拉伸，測試結果見表2。經過200 h持續加載后，12根刷鍍鎘的試樣均未發生斷裂，證明兩種刷鍍鎘溶液及刷鍍工藝均滿足氫脆要求，適用于超高強度鋼起落架零件的鍍層修復。

圖4　不同刷鍍鎘溶液制備的鎘層鹽霧測試結果（500 h）Fig.4　Results of salt spray testing of Cd coatings prepared using two types of brush-plating solutions（500 h）

表2　氫脆性能測試結果Table 2 Hydrogen brittleness test results

2.5起落架電刷鍍鎘修復工藝應用

國產某新型三代機大修時目視檢查發現，主起落架多個凹槽、凹坑部位表面均出現不同程度的腐蝕，如圖5所示。該起落架材料為300M鋼，表面為電鍍鎘鈦層。現采用電刷鍍鎘工藝進行修復應用。刷鍍鎘的工藝程序一般為：鍍前表面準備→屏蔽→刷鍍→冷水洗→鈍化→冷水洗→干燥→鍍層質量檢查，共8個步驟。針對上述起落架凹陷部位，具體修復工藝實施如下。

圖5　起落架凹陷區域腐蝕情況（300M鋼）Fig.5 Corrosion in sag region of landing gear（300M steel）

1）鍍前表面準備。對于待修部位產生的紅色腐蝕產物，首先采用吹砂的方式去除銹蝕，再用有機溶劑清洗的方法對其進行前處理。吹砂采用120目的剛玉砂，吹砂時將周邊部位保護起來。有機溶劑清洗使用干凈的脫脂棉蘸取丙酮或無水乙醇，擦干凈待修表面，前處理之后的表面能保持水膜連續30 s以上。

2）屏蔽。針對待修部位的凹坑區域，采取了先刷側鍍面、再刷鍍底面的方法進行。因此首先將底面區域用膠帶保護起來，邊緣留出3～5 mm寬的過渡區（如圖6所示），以使刷鍍層與相鄰區域表面平滑過渡，同時防止膠帶邊緣沉積過快而引起毛刺。待側面刷鍍完畢后，用膠帶將其保護起來，再刷鍍底面，在此過程中，通過膠帶屏蔽避免過渡區域被重復刷鍍。

3）刷鍍。對于待修復的區域，側面刷鍍時采用包纏脫脂棉的圓棒狀石墨陽極，用其柱面刷鍍凹坑側面，如圖7a所示。凹坑底部刷鍍采用包纏脫脂棉的圓餅狀石墨陽極，用其端面刷鍍凹坑底面，如圖7b所示，陽極的大小覆蓋1/2～1/3待鍍表面。進行刷鍍時，采用環形刷鍍形式，避免直線往返運動。

4）水洗、干燥。刷鍍完畢后，采用清潔的自來水清洗刷鍍區域，應避免溶液流到鄰近區域。由于該零件不需進行鈍化，所以水洗后分別采用壓縮空氣和熱風吹干。

5）鍍層質量檢查。電刷鍍鎘后的起落架修復區域如圖8箭頭所示。可見刷鍍鎘層結晶細致均勻，鍍層完整，完全覆蓋了腐蝕區域，并且鍍層表面未出現起泡、剝落、麻點、燒焦等現象，符合某型機起落架電刷鍍鎘修復要求。

圖6　凹坑區域底部的屏蔽Fig.6 The protection of sag region bottom

圖7　刷鍍工藝Fig.7 The electric-brush plating

圖8　電刷鍍修復后的起落架零件不同部位Fig.8 Landing gear part repaired by electric-brush plating

3　結論

1）LHC低氫脆刷鍍鎘液和Sifco-5070刷鍍鎘液均可在300M鋼表面獲得外觀質量良好的電刷鍍鎘層。

2）300M鋼電刷鍍鎘工藝質量穩定，厚度、結合力均符合技術要求，中性鹽霧500 h無紅銹，氫脆性能通過200 h持久拉伸測試。

3）采用電刷鍍工藝修復的某型機起落架鎘鈦鍍層的腐蝕區域，滿足飛機修理技術文件規定的質量要求。

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Performance of Electric-brush Plating Cadmium on 300M Steel and Application in Landing Gear Repair for a Certain Type of Aircraft

CAO Qiang1，TANG Zhi-hui2，CHENG Zong-hui1，ZHAN Zhong-wei2，PENG Chao2
（1.No.5720 Factory of PLA，Wuhu 241007，China；
2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

Objective To investigate the engineering application and coating performance about technology of brush cadmium plating of 300M steel in the undercarriage.Methods Cadmium coating with good appearance quality was obtained with two different kinds of brush cadmium plating solutions.The microstructure,thickness,binding force, corrosion resistance,property against hydrogen embrittlement of the cadmium coating were tested by SEM,salt-fog cabinet,mechanics experimental machine and so on.Application study of this technology in brushing electroplating of the undercarriage parts.Results Both of the electroplating solutions used could obtain cadmium coatings with stable quality as well as thickness and bonding force that met the technical requirements on the surface of 300M.The neutral salt spray performance of the cadmium coating was over 500 hours,and the property against hydrogen embrittlement was also qualified.Conclusion The technology of brush cadmium plating can be successfully used in repair ofundercarriage parts for a certain type of aircraft.

300M Steel；electric-brush plating cadmium；anti-corrosion property；hydrogen brittleness；landing gear repair

2015-08-17；Revised：2015-09-08

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.008

TJ07；TG174.461

A

1672－9242（2016）01－0039-06

2015-08-17；

2015-09-08

曹強（1962—），男，安徽蕪湖人，高級工程師，主要研究方向飛機修理表面工程及無損檢測技術。

Biography：CAO Qiang（1962—），Male，from Wuhu，Anhui，Senior engineer，Research focus：surface engineering and NDT.