某型飛機高強度鋼平尾轉軸零件氫脆危害性分析與預防措施

齊 磊，萬里鵬，趙 影

（中國航空工業洪都，江西 南昌330024）

某型飛機高強度鋼平尾轉軸零件氫脆危害性分析與預防措施

齊 磊，萬里鵬，趙 影

（中國航空工業洪都，江西 南昌330024）

某型飛機高強度鋼平尾轉軸零件在磁粉檢測時，發現部分表面區域因氫脆導致密集分布的裂紋缺陷，本文結合平尾轉軸零件制造工藝過程及失效分析結果，通過研究氫脆機理，采取試驗驗證的方式找出氫脆規律，并開展預防性研究。

高強度鋼；平尾轉軸；氫脆；裂紋缺陷

0 引言

平尾轉軸零件是連接某型飛機平尾與機身的主要受力件和關鍵件，其加工過程難度大、質量難以控制，特別是其疲勞耐久性、可靠性將直接影響飛行安全，在對該零件進行磁粉檢測時發現，部分表面區域存在密集分布的裂紋缺陷顯示，經對制造工藝過程清查及失效分析，找出造成平尾轉軸零件裂紋的主要原因是由于在內部應力作用下導致的氫脆開裂引起，本文通過對氫脆機理的研究及試驗驗證等論述了氫脆產生的過程及危害性，并提出了預防的方法與措施。

1 平尾轉軸零件制造工藝過程及失效分析

1.1 平尾轉軸零件特殊工藝

平尾轉軸零件見圖1。

該平尾轉軸零件選用30CrMnSiNi2A高強度鋼，熱處理要求σb為1665±100MPa，為提高平尾轉軸零件表面質量及防腐效果，對零件表面采用了電鍍工藝，依據HB 5033-1977《鍍層和化學覆蓋層的選擇原則與厚度系列》規定，鋼制零件表面鍍硬鉻厚度在1μm～80μm范圍內均能滿足不同潤滑及摩擦條件下的使用要求，故選擇電鍍鍍層厚度為40μm。

1.2 平尾轉軸零件制造工藝過程

平尾轉軸零件采用常規工藝方法，其主要過程為自由鍛件機械粗加工、淬火+回火、機械精加工、磨削、消除應力回火、電鍍、除氫、消除應力回火，相關熱處理要求按HB/Z 136-88《航空結構鋼熱處理工藝》執行，電鍍工藝按HB/Z 5072-1992《電鍍鉻工藝》執行。

1.3 失效分析

某權威機構針對發生裂紋的平尾轉軸零件進行了外觀檢查、磁力探傷，并對裂紋及斷口形貌進行了宏微觀觀察，同時，還進行了殘余應力、組織、硬度、化學成分、力學性能等檢測，發現平尾轉軸零件裂紋的性質為脆性開裂，裂紋產生于最后一道去應力回火工序之前，磁探裂紋缺陷顯示見圖2，1000倍、1600倍電子顯微觀察表面裂紋形貌，呈現交互連成的網狀裂紋見圖3，平尾轉軸零件脆性開裂主要與非正常磨削及未及時去應力回火有關；平尾軸開裂部位未見冶金、組織缺陷，其力學性能、化學成分符合技術條件要求。

根據失效分析結果，導致脆性開裂的主要原因是電鍍及除氫過程中溶入金屬的氫沒能及時釋放出來，在非正常磨削產生的內應力作用下導致氫脆開裂[1]。

2 氫脆的機理及危害性

2.1 氫脆的機理

氫脆是指在金屬凝固的過程中，溶入其中的氫沒能及時釋放出來，向金屬中缺陷附近擴散，到室溫時原子氫在缺陷處結合成分子氫并不斷聚集，從而在巨大的應力作用下，使金屬發生裂紋，裂紋斷口形貌見圖4，氫脆通常表現為應力作用下的延遲開裂。

金屬中的原子是按一定的規則周期性排列起來的，稱為晶格，原子氫一般處于金屬原子之間的間隙中，晶格發生原子錯排的局部地方稱為位錯，氫原子易于聚集在位錯附近。金屬材料受外力作用時，材料內部的應力分布是不均勻的，在材料外形迅速過渡區域或在材料內部缺陷和微裂紋處會發生應力集中。在應力梯度作用下氫原子在晶格內擴散或跟隨位錯運動向應力集中區域，由于氫和金屬原子之間的交互作用使金屬原子間的結合力變弱，這樣在氫聚集區會萌生出裂紋并擴展，導致了氫脆斷裂[2]。

高強度鋼與氫有較大的親和力，過飽和氫與金屬原子易結合生成氫化物，或在外力作用下應力集中區域聚集的高濃度氫與金屬原子結合生成氫化物。氫化物是一種脆性組織，在外力作用下往往成為斷裂源，從而導致脆性斷裂。

2.2 氫脆的危害性

氫聚集會通過三種方式導致高強度鋼基體損壞，一是高強度鋼表面吸氫，導致高強度鋼基體損壞；二是氫在應力作用下，分散到應力集中區域構成氫化物，微裂紋在應力作用下分散貫通，導致氫脆開裂；三是假如氫的分散速度較慢，氫化物主要集中在高強度鋼表面，則外表面氫化物會發生脫落致使腐蝕加速。無論通過何種方式，均會大幅降低基體耐疲勞性和可靠性，造成安全隱患，嚴重時將導致飛行等級事故。

3 試驗驗證

3.1 試驗方案

為驗證30CrMnSiNi2A高強度鋼電鍍鍍層厚度、除氫、電鍍、除氫間隔時間分別與發生氫脆之間的關系，特制作了9根試樣（直徑為Φ5mm鋼棒）進行電鍍硬鉻氫含量測試及氫脆性檢測試驗。

除9#試樣外，其余8根試樣均按照平尾轉軸零件制造工藝過程經過了熱處理、磨削及布輪拋光工序，其中1#、2#、3#試樣電鍍厚度為40μm～60μm，1#試樣電鍍與除氫時間間隔不大于20min，2#試樣電鍍與除氫時間間隔在240min～250min之間，3#試樣未進行除氫；4#、5#、6#、8#試樣電鍍厚度為100μm～120μm，4#試樣電鍍與除氫時間間隔不大于20min，5#試樣電鍍與除氫時間間隔在240min～250min之間，6#試樣未進行除氫,8#試樣電鍍與除氫時間間隔230min；7#試樣不進行電鍍；9#試樣為未進行加工的自由鍛件毛坯。30CrMnSiNi2A高強度鋼電鍍硬鉻氫含量測試試驗試樣情況見圖5，測試試驗工況見表1。

3.2 試驗結果

9根試樣按試驗策劃完成機械加工、熱處理、電鍍、除氫工藝后，對每根試樣進行氫脆性檢測試驗，并在每根試樣上制取3個小試樣對氫含量進行測試，1#～9#試樣氫含量測試及氫脆性檢測結果測試結果見表2。

表1 30CrMnSiNi2A高強度鋼電鍍硬鉻氫含量測試試驗工況

表2 1#～9#試樣氫含量測試及氫脆性檢測結果

3.3 結果分析

對氫脆相關標準和文獻進行查檔，均未有說明氫含量水平達到多少濃度時會導致氫致延遲開裂，但當發生氫延遲開裂時，一定會發現氫元素的存在。

從氫含量測試及氫脆性檢測工藝試驗結果來看，雖然氫含量測試結果離散性較大，但是從定性角度來看可以得出如下規律：

1）電鍍后不除氫的試樣氫含量水平與電鍍后正常除氫的試樣相比，氫含量水平呈幾何數量級數水平上升，未進行除氫的3#、6#試樣氫含量分別高達31.57、63.6ppm；除氫的1#、2#、4#、5#、8#試樣氫含量分別為3.13、3.67、15.43、10.57、4.9ppm；僅經過熱處理、磨削及布輪拋光工序，未進行電鍍的7#試樣氫含量為4.3ppm；未進行加工的自由鍛件毛坯氫含量為1.7ppm。

2）對9根試樣，按HB5067.1-2005《鍍覆工藝氫脆試驗第1部分：機械方法》加載200h，其中電鍍后未進行除氫的3#、6#試樣均發生斷裂，不能通過鍍鉻層氫脆性檢測，而經過除氫的及未進行電鍍的其它試樣均能通過鍍鉻層氫脆性檢測。

3）電鍍鍍層越厚，氫含量普遍較高，印證了表面鍍層在一定程度上會起到氫擴散屏障作用，將阻礙氫向高強度鋼零件外部擴散。

4）電鍍后除氫間隔時間對氫含量無直接影響，也可能是試樣樣本量不足，未能找到相關規律，但按照HB/Z 5072-1992《電鍍鉻工藝》，抗拉強度σb大于1240MPa的金屬電鍍后除氫間隔時間應不大于4h，可判斷電鍍后除氫間隔時間越大，除氫效果越不佳。

4 預防措施

根據氫脆機理，氫脆過程本身不可逆，也就是說，氫脆只可預防不可糾正，可通過降低高強度鋼氫含量和降低高強度鋼內部殘余應力兩種方式來預防。

4.1 減少高強度鋼中滲氫數量

盡量減少高強度鋼制零件的酸洗，因為酸洗可加劇氫脆。在除銹和氧化皮時，盡量采用噴砂噴瓦的方法。一定要進行酸洗時，若洛氏硬度等于或大于HRC32的高強度鋼制零件，必須在制定酸洗工藝時確保零件在酸中浸泡的時間最長不超過10min，且盡量降低酸液的濃度；在除油時，采用清洗劑或溶劑除油等化學除油方式，滲氫量較少，若采用電化學除油，先陰極后陽極，高強度鋼制零件不允許用陰極電解除油；在熱處理時，嚴格控制甲醇和丙烷的滴注量；在電鍍時，堿性鍍液或高電流效率的鍍液滲氫量較少[3]。

4.2 采用低氫擴散性和低氫溶解度的鍍涂層

在電鍍鉻（Cr）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、鎳（Ni）、錫（Sn）、鉛（Pb）時，滲入高強度鋼制零件的氫容易殘留下來，而銅（Cu）、鉬（Mo）、鋁（Al）、銀（Ag）、金（Au）、鎢（W）等金屬鍍層具有低氫擴散性和低氫溶解度，滲氫較少[4]。在滿足產品技術條件要求的情況下，可采用不會造成滲氫的涂層，如機械鍍銅或無鉻鋅鋁涂層，不會發生氫脆，耐腐蝕性高，附著力好，且比電鍍環保。

4.3 鍍前去應力和鍍后去氫以消除氫脆隱患

若零件經淬火、焊接、粗暴磨削等工序后內部殘余應力較大，鍍前、鍍后均應進行回火處理，回火應力實際上可以減少零件內的缺陷數量，從而減輕發生氫脆的隱患[5]。在電鍍過程中滲氫較多的高強度鋼零件原則上應盡快除氫，因為鍍層中的氫和基體表層中的氫在向基體內部擴散，其數量隨時間的延長而增加。

4.4 控制鍍層厚度

由于鍍層覆蓋在高強度鋼制零件表面，在一定程度上會起到氫擴散屏障作用，可阻礙氫向高強度鋼零件外擴散。當鍍層厚度超過2.5μm時，氫從高強度鋼零件中擴散出去就非常困難了。因此硬度小于32HRC的高強度鋼零件，鍍層厚度應控制在12μm以下；硬度大于等于32HRC的高強度鋼零件，鍍層厚度應控制在8μm以下，因此要求在零件設計時，必須考慮高強度鋼的氫脆風險，合理選用鍍層種類和鍍層厚度。

5 結語

平尾轉軸零件作為某型飛機平尾與機身的主要受力件和關鍵件，其氫脆開裂將直接影響飛行安全，通過對平尾轉軸零件工藝過程與失效分析及對氫脆機理與危害性進行試驗驗證，探討了氫脆產生過程，并提出了相應預防措施，可有效降低氫脆發生概率，以避免應氫脆斷裂導致飛行等級事故。

[1]孔煥平,劉德林.平尾軸裂紋失效分析.中航工業集團公司失效分析中心.2014,7.

[2]劉白.30CrMnSiA高強度鋼氫脆斷裂機理研究.機械工程材料,2001,25(9).

[3]余志剛,黨恩,嚴富學.氫脆對低合金高強度鋼沖擊韌性的影響.第九次全國熱處理大會論文集. 2007,9.

[4]潘川,楮武揚,李正邦，等.氫和氫致馬氏體導致不銹鋼氫脆的定量研究[J].中國科學（E輯）, 2002,32(3).

[5]FraetegraPhyinFailureAnalysis.1978,P41.

>>>作者簡介

齊磊，男，1979年12月出生，2015年畢業于北京航空航天大學，碩士，高級工程師，現從事質量管理工作。

摘 要：某型飛行模擬器在進行駕駛員操縱裝置靜態特性測試過程中，發現其縱向、橫向的桿力——桿位移曲線呈非線性變化，與理論的線性梯度曲線不符。本文通過LMS Virtual.Lab軟件對相關對象進行了仿真分析，找到了出現非線性問題的原因，提出了可行性的解決方案，并對其方案進行了仿真驗證。

關鍵詞：飛行模擬器；仿真；非線性；

Hazard Analysis and Prevention Measures for Hydrogen Embrittlement of High-Strength Steel Horizontal Stabilizer Shaft in Certain Aircraft

Qi Lei,Wan Lipeng,Zhao Ying
（AVIC-HONGDU，Nanchang,Jiangxi，330024）

Close distributed cracks caused by hydrogen embrittlement are found on some surfaces during the magnetic particle testing for high-strength steel horizontal shaft of certain aircraft.By combining the manufacturing process and failure analysis result of horizontal stabilizer shafts,this thesis analyzes the embrittlement mechanism and applies test verification method to find out the regularity of hydrogen embrittlement and to carry out research on prevention measures as well.

High strength steel;Horizontal tail shaft parts;Hydrogen embrittlement;Embrittlement crack

2017-01-19）