某型飛機起落架固定卡箍斷裂分析

摘 要：針對某型號飛機著陸系統的起落架固定卡箍失效問題，該文通過對材料牌號為2Cr13Ni4Mn9的固定卡箍進行宏觀觀察、體視檢查、斷口微觀分析、能譜分析、金相組織分析和硬度檢測等試驗，得到卡箍的宏觀斷口腐蝕特征、微觀沿晶斷裂形貌、能譜分析存在腐蝕性元素及金相組織分析中存在的沿晶裂紋等特征，總結卡箍斷裂失效的原因，并提出防止卡箍應力腐蝕斷裂的控制措施。該研究為優化卡箍焊接工藝提供參考，對降低卡箍發生斷裂的概率具有一定應用價值。

關鍵詞：飛機；固定卡箍；斷口微觀分析；應力腐蝕；焊接

中圖分類號：V263.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0078-04

Abstract： Aiming at the failure of the fixed clamps of the landing gear of a certain type of aircraft， this paper carries out experiments on the appearance observation， posture inspection， fracture microscopic analysis， energy spectrum analysis， metallographic structure analysis and hardness test of the fixed clamps made of material grade 2Cr13Ni4Mn9. The macroscopic fracture corrosion characteristics， microscopic intergranular fracture morphology， corrosive elements in energy spectrum analysis and intergranular cracks in metallographic structure analysis are obtained， and the causes of clamp fracture failure are summarized. The control measures to prevent clamp stress corrosion fracture are put forward. This study provides a reference for optimizing the clamp welding process and has a certain application value for reducing the fracture probability of the clamp.

Keywords： aircraft; fixed clamp; fracture microscopic analysis; stress corrosion; welding

飛機起落架系統采用大量固定卡箍用于固定各類導管、線纜，由于導管本身具有一定剛性，使得起落架固定卡箍在正常飛行當中很難發現失效的存在，為飛行安全埋下了較大隱患。目前國內對于起落架固定卡箍斷裂失效研究較少[1-2]，尤其是對于軍用飛機采用的2Cr13Mn9Ni4不銹鋼[3-4]固定卡箍的失效研究。對于該材料的失效研究主要集中于民用領域，航空失效案例缺乏。研究該類卡箍失效原因并提出失效預防建議，可為飛機上使用2Cr13Mn9Ni4材料的其他零部件失效預防提供理論依據，更可以推廣到飛機上其他應用奧氏體不銹鋼材料零件[5-9]的制造、修理上。

某飛機在廠一次大修過程中發現有3件著陸系統的起落架固定卡箍存在明顯裂紋，其中2件斷裂位置為箍帶，另一件斷裂位置為板片，該3件卡箍為飛機制造廠制造。箍帶與板片材料牌號均為2Cr13Ni4Mn9，焊接前進行磷酸鹽氧化，焊接后外表面涂3層防護涂料，強化方式為冷作硬化。通過對固定卡箍進行宏觀觀察、體視檢查、斷口微觀分析、能譜分析、金相組織分析和硬度檢測等試驗，確定了卡箍的斷裂原因，為優化卡箍焊接工藝進一步降低卡箍發生斷裂的概率提供參考。

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀觀察

針對固定卡箍失效，首先觀察卡箍外觀狀態。將3件卡箍按編號分為1#、2#、3#。1#卡箍在箍帶處斷裂，斷裂處靠近螺栓安裝近焊縫處，裂紋沿軸向占側面寬度約1/2，如圖1所示。2#卡箍在箍帶處斷裂，靠近螺栓安裝近焊縫處，拆下螺栓后發現其裂紋已經沿軸向貫穿，如圖2所示。3#卡箍在板片處斷裂，裂紋沿板片寬度方向且裂紋長度占板片寬度約2/3，且靠近板片焊縫處，如圖3所示。

1.2 體視檢查

首先觀察卡箍外觀狀態。對于1#卡箍，通過機械方式在裂紋處分解卡箍，隨后使用體視顯微鏡觀察，可見裂紋斷面占整個斷面的絕大部分，裂紋處斷面為紅褐色的腐蝕宏觀特征，斷口為灰色，斷口顏色存在明顯區別，如圖4（a）所示。對于2#卡箍，將卡箍螺栓拆除后斷面置于體視顯微鏡下觀察，如圖4（b）所示，斷面均為紅褐色的腐蝕宏觀特征，且左側靠箍帶外側顏色較右側箍帶內部偏深。對于3#卡箍，通過機械方式在裂紋處分解卡箍，由于裂紋垂直方向二次裂紋的存在，使得部分斷口脫落，主裂紋打開后斷面呈紅褐色，如圖4（c）所示。二次裂紋打開后的斷面同樣也呈紅褐色，如圖4（d）所示，均為腐蝕宏觀顏色。

1.3 斷口微觀分析

將3件卡箍斷口放入掃描電子顯微鏡中觀察，低倍下觀察3件卡箍斷口，可見斷口均較為粗糙，呈顆粒狀特征，斷面上少量白色狀物質可能是不導電的腐蝕性產物，如圖5（a）—圖5（c）所示。將斷口放大后進行觀察，1#卡箍斷口可見明顯沿晶斷裂特征，如圖5（d）所示。2#卡箍斷口除沿晶斷裂形貌外，可觀察到泥紋狀的腐蝕產物的形貌，如圖5（e）所示。3#卡箍斷口同樣為沿晶斷裂，部分晶面上存在少量雜質物質，如圖5（f）所示。

1.4 能譜分析

使用能譜儀對1#、2#、3#這3件卡箍的斷口進行能譜分析，結果見表1。除材料基體本身元素之外，斷口C、O含量較高，斷口污染較為嚴重，存在時間可能較長。并且3件卡箍的斷口均存在腐蝕性元素S、Cl，且3件卡箍在斷口處還存在大量雜質元素物質。

1.5 金相組織分析

使用切割機將1#、2#、3#卡箍斷口切開，經鑲嵌、磨制、拋光后采用氯化高鐵鹽酸水溶液進行浸蝕，并在金相顯微鏡下對3件卡箍斷口的截面金相進行觀察。如圖6（a）—圖6（c）所示，1#、2#、3#卡箍斷口截面低倍下均可見沿周向的組織流線，組織均為奧氏體，其中1#卡箍與3#卡箍近斷口處均可見明顯沿晶裂紋。放大后觀察可見1#卡箍心部也存在沿晶裂紋，如圖6（d）所示。2#卡箍與3#卡箍均在近斷口表面能夠觀察到明顯沿晶裂紋，如圖6（e）、圖6（f）所示。

1.6 硬度檢測

對1#卡箍箍帶、2#卡箍箍帶、3#卡箍板片截面的金相試樣心部任取序號1、2、3共3點進行維氏硬度試驗，然后求平均值，并轉換為強度換算值，試驗結果見表2。由于該材料無法進行熱處理強化，僅通過冷作硬化提高力學性能，該強度換算值僅作為輔助參考。

2 分析與討論

結合宏觀觀察的斷口紅褐色腐蝕顏、斷口微觀分析到的沿晶斷裂形貌、能譜分析中存在的S、Cl元素及金相組織分析中存在的沿晶裂紋，判斷這3件卡箍斷裂均為應力腐蝕導致。

斷口上發現的S、Cl元素說明卡箍在使用時環境中有腐蝕性介質的存在，可能與卡箍使用在起落架輪艙位置直接與大氣接觸相關。箍帶與板片在使用過程中主要承受的應力狀態也以拉應力為主，加之2Cr13Ni4Mn9本身對S、Cl元素尤其敏感，最終導致卡箍產生了應力腐蝕開裂。

2Cr13Ni4Mn9作為低鎳亞穩定奧氏體不銹鋼，在500～800 ℃之間加熱，由于沿晶析出Cr23C6，不銹鋼產生敏化，使鋼具有晶間腐蝕敏感性。宏觀觀察中發現的裂紋或斷裂位置靠近焊縫位置，焊接過程產生的熱影響區可能使材料發生敏化，對其耐蝕性產生不利影響。加工過程中的冷變形率對材料的晶間腐蝕也會產生影響，可能產生形變馬氏體降低材料耐蝕性。

建議控制該卡箍的焊接過程，避免長時間處于敏化溫度區間，焊后增加固溶處理。并且需控制材料的冷變形速率。

3 結論

通過對起落架固定卡箍進行宏觀觀察、體視檢查、斷口微觀分析、能譜分析、金相組織分析和硬度檢測等試驗，得到卡箍的宏觀斷口腐蝕特征、微觀沿晶斷裂形貌、能譜分析存在腐蝕性元素及金相組織分析中存在的沿晶裂紋等特征，探析并確定卡箍的斷裂原因，這3件卡箍失效均由應力腐蝕導致。起落架固定卡箍制造材料為亞穩定奧氏體不銹鋼，焊接過程可能導致熱影響敏化，對材料耐蝕性產生不利影響，在卡箍焊接時應避免長時間處于敏化溫度區間，焊后增加固溶處理，并且需控制材料的冷變形速率。因此對起落架固定卡箍的失效分析研究為卡箍的焊接工藝優化提供了參考，對延長卡箍壽命具有一定應用價值。

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