2A14鋁合金液壓殼體開裂的原因

,,

(中航工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，西安 710077)

航空液壓殼體作為液壓設(shè)備中的關(guān)鍵零件對產(chǎn)品的總體功能起著至關(guān)重要的作用。液壓殼體應(yīng)用于飛機(jī)作動系統(tǒng)中，是液壓傳動的核心部分，屬于整個作動系統(tǒng)的關(guān)鍵零件。2A14鋁合金屬鋁-銅-鎂-硅系合金可熱處理強(qiáng)化，經(jīng)固溶熱處理加人工時效后的強(qiáng)度高于2A50鋁合金的，同時具有中等塑性[1]，廣泛應(yīng)用于航空、航天及船舶等工業(yè)領(lǐng)域。但該合金耐蝕性不強(qiáng)，有晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕傾向，所以應(yīng)避免采用薄截面零件。近1 a來，2A14鋁合金液壓殼體在使用過程中多次發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)失效，開裂后造成液壓殼體漏油，嚴(yán)重危害飛行安全。應(yīng)力腐蝕開裂往往沒有明顯的征兆，斷口為脆性斷裂，無明顯的塑性變形,發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂時并不會發(fā)生明顯的均勻腐蝕，甚至腐蝕產(chǎn)物極少，肉眼無法觀察到。在低于設(shè)計應(yīng)力、沒有任何明顯宏觀變形和不出現(xiàn)任何腐蝕征兆的情況下，很多構(gòu)件會因SCC迅速斷裂，因此SCC是一種非常危險的破壞形式[2]。

該型液壓殼體共在6架飛機(jī)上使用，其中2架飛機(jī)服役地點(diǎn)為我國沿海地區(qū)，其余4架飛機(jī)在我國內(nèi)陸地區(qū)服役。在我國沿海地區(qū)服役的2架飛機(jī)上的液壓殼體分別在飛機(jī)飛行258 h和315 h后，發(fā)現(xiàn)殼體堵頭安裝處表面發(fā)生開裂。同時，復(fù)查4架在內(nèi)陸地區(qū)服役的飛機(jī)上的液壓殼體，未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象。液壓殼體材料為2A14鋁合金，本工作通過對液壓殼體表面裂紋特征進(jìn)行觀察、化學(xué)成分分析、斷口宏微觀形貌觀察以及材料的金相組織檢驗，確定了液壓殼體的開裂性質(zhì)，并對造成應(yīng)力腐蝕開裂的原因進(jìn)行了綜合分析，提出了預(yù)防及改進(jìn)措施。

1 理化檢驗

1.1 外觀檢查

對液壓殼體進(jìn)行外觀檢查，裂紋宏觀形貌見圖1。由圖1可見:裂紋位于殼體孔壁處，長約11 mm；裂紋橫穿整個孔壁(壁厚2.3 mm)，檢查發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)的堵頭陷入孔中約0.58 mm。堵頭表面及孔壁邊沿呈黃色和黃褐色。

圖1 液壓殼體裂紋形貌Fig. 1 Cracking appearance of hydraulic shell

1.2 斷口宏觀觀察

在裂紋部位取樣，沿孔直徑方向剖開，取下孔內(nèi)堵頭，孔內(nèi)壁形貌見圖2。圖2中箭頭所指為裂紋位置；觀察發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔壁邊沿部位存在少量黃色腐蝕產(chǎn)物，見圖2中橢圓所框區(qū)域。打開試樣裂紋部位，對其斷口進(jìn)行宏觀觀察。由圖3可見：斷口左側(cè)覆蓋黃褐色腐蝕產(chǎn)物區(qū)為裂紋斷口，右側(cè)銀灰色區(qū)為人工打開斷口。

圖2 液壓殼體孔內(nèi)壁形貌Fig. 2 Morphology of hole inwall of the hydraulic shell

圖3 液壓殼體斷口宏觀形貌Fig. 3 Macro-morphology of fracture of the hydraulic shell

1.3 斷口微觀觀察

采用掃描電鏡對斷口進(jìn)行微觀觀察，斷裂起源于孔壁頂部，沿孔壁軸線方向向下擴(kuò)展，源區(qū)附近未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形，源區(qū)未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜等冶金缺陷及其他異常。由圖4可見:整個裂紋斷口微觀特征為沿晶分離形貌，斷口可見較厚的覆蓋物，呈“泥紋花樣”特征，為典型的腐蝕產(chǎn)物形貌。

(a) 斷口沿晶斷裂特征

(b) 腐蝕產(chǎn)物形貌圖4 液壓殼體斷口SEM形貌Fig. 4 SEM morphology of fracture of the hydraulic shell: (a) intergranular crack characteristic of fracture; (b) appearance of corrosion products

1.4 化學(xué)成分分析

在開裂的液壓殼體上取樣,采用日本島津公司ICP-9000型等離子發(fā)射光譜儀,對其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。此外，采用牛津公司OXFORD X-MAX20型能譜儀對裂紋斷口表面及堵頭表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表2。

由表1可見：液壓殼體所用材料的化學(xué)成分符合GB/T 3190-1996標(biāo)準(zhǔn)要求。由表2可見：腐蝕產(chǎn)物中O元素含量較高，并含有腐蝕性元素Cl、S等。

表1 液壓殼體的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of hydraulic shell %

表2 裂紋斷口及堵頭表面的腐蝕產(chǎn)物成分分析結(jié)果Tab. 2 Composition analysis result of corrosion products on the fracture and plug surface %

1.5 顯微組織檢查

在開裂的液壓殼體上取樣，切取顯微組織試樣，經(jīng)過粗磨-細(xì)磨-機(jī)械拋光，然后采用混合酸溶液腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察,結(jié)果如圖5所示。圖5中未發(fā)現(xiàn)三角晶界、晶界復(fù)熔加粗及共晶復(fù)熔球等過燒組織。

圖5 液壓殼體基體顯微組織Fig. 5 Microstructure of matrix of the hydraulic shell

2 分析與討論

由試驗結(jié)果可知液壓殼體裂紋處孔邊沿及堵頭表面均存在腐蝕產(chǎn)物，斷口表面可見呈“泥紋花樣”特征的腐蝕產(chǎn)物，斷口微觀形貌沿晶特征十分明顯，在堵頭壓入液壓殼體時裂紋處孔壁存在殘余拉應(yīng)力。這表明，液壓殼體裂紋開裂性質(zhì)應(yīng)該為應(yīng)力腐蝕開裂。

應(yīng)力腐蝕開裂是材料在應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的一種局部性的、迅速的破壞方式[3]。金屬構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力腐蝕需具備三個條件[4]：存在拉伸應(yīng)力；存在特定的腐蝕介質(zhì)環(huán)境；材料具有應(yīng)力腐蝕敏感性。液壓殼體裂紋處孔內(nèi)裝堵頭，靠堵頭壓入使孔產(chǎn)生彈性變形來達(dá)到密封效果，這樣孔壁處必然會存在殘余拉應(yīng)力。每一種材料在特定腐蝕介質(zhì)中都存在一個臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子KISCC，當(dāng)材料承受的殘余拉應(yīng)力大于KISCC時材料才有可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂[5]。液壓殼體開裂處孔壁厚不均勻，堵頭使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)殼體的孔壁厚不均勻時，殼體最薄壁厚T與堵頭直徑d的比值(T/d)應(yīng)該約等于1.1。然而液壓殼體裂紋處孔壁最薄為2.3 mm，堵頭直徑為6 mm，T/d值為0.38，不符合堵頭使用標(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)殼體的壁厚不均勻時，內(nèi)應(yīng)力也會發(fā)生變化，當(dāng)堵頭壓入此類孔時，會在壁厚較薄的區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中，使薄壁處的應(yīng)力高于厚壁處的，這樣使薄壁處的拉應(yīng)力可能大于材料的KISCC值，為應(yīng)力腐蝕開裂提供了第一個條件。

經(jīng)過對液壓殼體的工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)查了解，裝配該液壓殼體的飛機(jī)在我國沿海地區(qū)服役，沿海地區(qū)的海洋大氣環(huán)境，是各種大氣環(huán)境中較典型、腐蝕程度較為嚴(yán)重的一種，其環(huán)境基本特征是年平均相對濕度高、大氣腐蝕性強(qiáng)[6],大氣中常含有大量的氯離子[7]。此外，由于我國工業(yè)的發(fā)展,大氣污染嚴(yán)重，沿海地區(qū)大氣環(huán)境中也常含有SO2、H2S等腐蝕性氣氛[8]。這為液壓殼體的應(yīng)力腐蝕開裂提供了腐蝕介質(zhì)環(huán)境。液壓殼體斷口腐蝕產(chǎn)物成分分析結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物中含有Cl、S元素，是鋁合金應(yīng)力腐蝕敏感介質(zhì)，因此為應(yīng)力腐蝕開裂提供了第二個條件。

最后，2A14鋁合金材料本身耐蝕性不強(qiáng)，有晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕傾向，應(yīng)避免用作薄截面零件，液壓殼體開裂處孔壁僅為2.3 mm。2A14鋁合金具有應(yīng)力腐蝕敏感性，滿足了發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的第三個條件。

綜上所述，液壓殼體的開裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開裂。液壓殼體開裂處孔壁設(shè)計不符合堵頭安裝標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致堵頭壓入后，孔壁較薄處發(fā)生應(yīng)力集中，使薄壁處材料內(nèi)部拉應(yīng)力較大,超過材料的KISCC值，從而在氯離子和硫離子的共同作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

3 結(jié)論

(1) 2A14液壓殼體的開裂性質(zhì)屬于應(yīng)力腐蝕開裂。

(2) 液壓殼體開裂處孔壁設(shè)計不符合堵頭安裝標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致堵頭壓入后，孔壁較薄處發(fā)生應(yīng)力集中，使薄壁處材料內(nèi)部拉應(yīng)力較大可能超過材料的KISCC值，從而在氯離子和硫離子的共同作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

4 改進(jìn)措施

為防止液壓殼體再次發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，可采取以下兩種改進(jìn)方案：

(1) 改進(jìn)液壓殼體的設(shè)計，使其孔最薄壁厚T與堵頭直徑d的比值T/d約為1.1,從而使孔壁最薄處的拉應(yīng)力值小于材料的KISCC值。

(2) 針對液壓殼體的工作環(huán)境為海洋性大氣環(huán)境，應(yīng)對液壓殼體表面采取行之有效的保護(hù)處理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國航空材料手冊編委會. 中國航空材料手冊第3卷鋁合金鎂合金[M]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[2] 劉德林，陶春虎，關(guān)文秀,等. 1Cr17Ni2不銹鋼鎖緊螺母失效分析[J]. 測控技術(shù),2013,32：373-377.

[3] 張敏，晁利寧，李繼紅,等. 某焦?fàn)t煤氣風(fēng)機(jī)葉輪斷裂失效分析[J]. 材料熱處理技術(shù)，2011,40(12)：190-193.

[4] 劉德林，李春光，陶春虎,等. 鈹青銅彈簧片應(yīng)力腐蝕開裂分析[J]. 腐蝕與防護(hù)，2012,33(5)：452-455.

[5] 張棟,鐘培道,陶春虎,等. 失效分析[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2004.

[6] 穆山,李軍念,王玲,等. 海洋大氣環(huán)境金屬防護(hù)涂層技術(shù)與工藝研究[J]. 裝備環(huán)境工程,2012,9(1):81-84.

[7] 上官曉峰，姜松，王晴晴. 海洋大氣中30CrMnSiNi2A鋼接觸腐蝕疲勞研究[J]. 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014,34(2):152-159.

[8] 梁彩風(fēng)，郁春娟，張曉云. 海洋大氣及污染海洋大氣對典型鋼腐蝕的影響[J]. 海洋科學(xué)，2005,29(7)：42.