淺析氫脆試驗在民航飛機維修中的應用

李 伯，李春光

(1.北京飛機維修工程有限公司，北京 100621； 2.中國民航科學技術研究院，北京 100028)

民航客機主要承載部件多采用低合金高強度鋼，在進行鍍覆翻修過程中，由于氫在鋼中有一定的溶解度，若除氫處理不當，殘留的氫無法充分逸出，將在鋼內部迅速擴散。鋼中氫含量較高時，過剩的氫將進入鋼的一些原始缺陷中，如間隙、氣孔、砂眼等。缺陷附近由于氫的聚集會產生強大的內壓，從而導致微裂紋的萌生與擴展。缺陷吸附了氫原子之后，會使鋼材機械性能大大降低，具體表現為結構鋼和高強度鋼由于氫和應力的作用，在小于屈服強度的靜載荷下持續一定時間就會發生早期的脆性斷裂。且材料強度級別越高，受氫程度也越敏感，氫脆的危險性越大。

1 應用分析

以民用客機起落架為例，作為主要承載部件，其結構主要由高強度合金鋼構成，內筒采用AISI 4340高強度鋼，熱處理后強度可達到1516.9 MPa以上，由于具有良好的機械性能和極高的比強度，故廣泛應用于波音、空中客車的客機上。國外曾對AISI 4340鋼作過氫脆敏感試驗，當其抗拉強度低于1265 MPa時，吸收1～10 ppm的氫不會發生明顯的氫脆，但經過熱處理后，強度為1800～1960 MPa時，僅吸收0.03～0.05 ppm的氫，就會發生顯著的氫脆。鑒于高強度鋼對于氫脆的敏感特性，國內外機構、專家一直致力于研究和完善氫脆的測定方法和預防性措施。我國航空部為測定氫脆而制訂過相關標準(HB5067)，該標準規定了用延遲破壞的方法，試驗和鑒定抗拉強度≥1275 MPa的結構鋼和高強度鋼在經電鍍和化學覆蓋工藝處理后的氫脆性能。

民用客機維修過程中，按照波音和空中客車商用飛機適航要求，起落架屬于時壽件，裝機使用達到規定年限或起降循環次數后，需進行全面的翻修工作。起落架內筒作為核心承重部件，同時也是翻修率、翻修工藝質量要求最高的的部件，對整個起落架，乃至整架飛機都有著重要的安全和經濟影響。起落架內筒翻修流程中涉及電鍍鎳、電鍍鉻和低氫脆電鍍鎘工藝，在酸洗除氧化層除油、鍍前去應力、鍍中工藝控制中的任何偏差都可能造成析氫滲氫。若鍍后無法有效排除殘留氫，可能導致氫脆的發生。因此，對鍍覆工藝以及電鍍翻修后起落架部件的氫脆測定具有極大的意義。美國波音公司標準(BAC)和空中客車公司、起落架制造商SAFRAN公司工藝標準(PCS)中均規定，按照美國材料與試驗協會標準ASTM F519《電鍍涂覆工藝機械氫脆評定的標準試驗方法和應用環境》中方法和要求進行鍍后氫脆的測定。 本文檢測采用缺口拉伸方法，是目前國內外可靠性高，且被最廣泛選擇的氫脆檢驗方法。該試驗方法將被測試材料制成規定的缺口拉伸試棒尺寸，采用與飛機部件相同的制造工藝，在試樣中心部位加工一V型缺口，該缺口尺寸約定采用波音公司和ASTM F519規定的0.254 mm(拉伸試棒要求見圖1，拉伸試棒見圖2)。拉伸試棒通過與飛機部件相同的電鍍工藝后，4根依次連接至QC-100型氫脆試驗機上，并通過專用砝碼施加缺口抗拉強度(NFS)75%的靜載荷。若持續200 h后未發生斷裂，則證明無氫脆傾向；如果有一根試棒發生斷裂，則將未斷試棒繼續進行逐級加載，每2 h加載5%NFS，增加載荷至90%NFS后保持2 h，未斷裂也可判定為無氫脆傾向。若有2根或以上試棒發生斷裂，則說明有氫脆傾向。試驗全程采用計算機軟件實時進行監控。

圖1 拉伸試棒尺寸要求 Fig.1 Dimension requirement of tensile test bar

圖2 拉伸試棒Fig.2 Tensile test bar

為了進一步分析試棒在氫脆試驗過程中發生脆斷的原因。本實驗以其中一脆斷試棒為例，該試棒氫脆試驗載荷為28.71 kN，在試驗進行至69.50 h發生斷裂，通過宏觀形貌可見，斷裂位于缺口位置，其他區域未見明顯變形，觀察斷口呈現平坦略粗糙狀態，斷裂后外觀形貌見圖3，斷口形貌見圖4。通過掃描電鏡對斷口進行微觀形貌分析，試棒斷口整體較平坦，微觀整體形貌見圖5，可見從斷口下邊緣起源的放射棱線特征，即斷口源區位于下邊緣位置。源區的形貌見圖6，可見其斷口邊緣的源區位置(即試棒的缺口位置)存在著一個明顯的沿晶區，沿晶區的寬度為200～300 μm。沿晶區附近亦有局部區域呈脆性斷裂特征，見圖7。

圖3 斷裂試棒整體形貌Fig.3 Appearance of fracture test bar

圖4 斷口表面形貌Fig.4 Appearance of fracture surface

圖5 試棒微觀整體形貌 30×Fig.5 Microstructure of test bar 30×

(a)56×；(b)1000×圖6 源區形貌Fig.6 Microstructure of source region

圖7 沿晶區脆性斷裂特征 1310×Fig.7 Microstructure of brittle fracture

2 結論及建議

綜合上述試驗和分析，通過氫脆試驗對民航飛機維修過程中起落架翻修電鍍工藝進行檢驗是切實可行，且非常可靠的。此試驗在企業應用和檢測實驗室應用中均展現了良好的實用性，在保障工藝質量的同時，也進一步保障了適航安全。

通過氫脆試驗，并結合失效分析，可以避免使已知的氫脆現象發生在飛機部件上，但還需通過不斷完善翻修、鍍覆工藝，從根本上規避氫脆發生的風險。如：

1)改進酸洗工藝。降低酸濃度和引入多功能緩抑劑可有效起到緩蝕、抑霧作用，即可提高酸洗效率，又能抑制滲氫的發生。

2)使用工藝標準指定的除油劑。按要求選擇和使用除油劑，可避免腐蝕涂鍍層。

3)嚴格控制電鍍槽液濃度、溫度、電流密度等參數。電鍍關鍵參數控制不當，會導致鍍層出現微裂紋。

4)嚴格執行去應力和除氫工藝。去應力處理可避免因應力集中產生的應力腐蝕開裂，除氫處理可及時有效地使材料中滲入的氫逸出，避免氫脆的發生。