某型直升机起落架螺栓断裂故障处理

姚有文,陈 忱,赵 云,肖 炜,方建义

(1.陆航驻景德镇地区代表室, 江西 景德镇 333000；2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

某型直升机起落架螺栓断裂故障处理

姚有文1,陈 忱2,赵 云1,肖 炜2,方建义2

(1.陆航驻景德镇地区代表室, 江西 景德镇 333000；2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

对某型直升机起落架故障现象进行了阐述，并从外观、断口等多方面进行了原因分析，找出了螺栓断裂的具体原因，结合该原因提出了该故障的处理方案，并总结了经验教训。

直升机；起落架；螺栓；故障处理

0 引言

某型直升机起落架采用的是前三点式布局，结构形式为构架式起落架。构架式起落架主要由减震器、撑杆以及轮轴和机轮组成。减震器和撑杆分别与机身铰接，减震器与撑杆之间也采用铰接。该起落架主要承受起落时不规则交变撞击载荷，同时还承受在停放时支撑直升机的静载荷，因此起落架材料应具有足够高的强度和断裂韧性以及足够高的抗应力腐蚀性能。

1 故障现象

某型直升机某架机左主起落架渗油故障排查时，将左主起落架拆下后恢复安装，当对斜撑杆与主起支撑构架连接螺栓进行定力时螺栓断裂。此后现场检查该型直升机其他架次机的相应螺栓，拆下时螺栓外观无异常，恢复安装时拧紧过程中(未定力)断裂。因此，对相关型号斜撑杆上下连接螺栓进行了普查，发现多架次的直升机机均出现过螺栓断裂情况，出现故障的直升机在役时间6～47个月不等，飞行时间118～833Fh。

1 故障原因分析

1.1 外观检查

根据外观检查发现，不同架次的直升机起落架螺栓断裂位置有较大不同，其中B1螺栓在螺栓端部最后一道螺纹附近断裂，B2螺栓在接近螺帽15mm处断裂，B3螺栓宏观观察表面光滑，用手触摸，有疑似划痕，经显微镜观察可见裂纹，裂纹在螺帽14mm处，扩展至圆周一半(见图1)。因各螺栓表面未见明显磕伤划痕，螺栓断裂位置各不相同且表面光滑，排除螺栓受载过大或外部磕伤导致断裂的原因。

图1 断裂螺栓外观

2.2 断口分析

采用外力将B3架机螺栓打断，三个螺栓的断口宏观形貌见图2。B1螺栓瞬断区约占断口面积的1/6，B2螺栓瞬断区约占断口面积的1/7，B3螺栓瞬断区约占断口面积的3/5。断口呈黑灰色和红棕色，锈蚀明显，瞬断区呈银亮金属光泽。

图2 断口宏观形貌

进一步对断口进行微观观察发现，螺栓外表面一侧断口可见较厚的一层覆盖物和大量的氧化物颗粒，显“泥纹花样特征”，为典型的腐蚀产物形貌，见图3；从外向里，断口的腐蚀产物逐渐减少，沿晶特征逐渐明显，见图4。

图3 裂纹源区腐蚀形貌

图4 裂纹源区微观形貌

由于断口存在明显的腐蚀产物，沿晶特征明显，螺栓工作中又持续受到拉应力，判断螺栓开裂性质为应力腐蚀断裂。

2.3 断裂机理分析

应力腐蚀断裂是指承受拉应力的材料在特定的腐蚀环境下产生滞后断裂的一种腐蚀破坏形式[1]。根据应力腐蚀产生的机理，应具备三个条件：零件长期承受拉应力，材料具有应力腐蚀开裂敏感性，存在特定的腐蚀介质[2,3]。

1)螺栓受力情况分析

斜撑杆上下连接螺栓安装时均有拧紧力矩要求，因此在使用过程中零件在拧紧力矩作用下一直承受拉应力。

2)螺栓使用环境分析

斜撑杆下接头螺栓的安装位置完全处于机体结构外，且无任何遮挡，螺栓容易受到腐蚀环境的影响。

3)螺栓应力腐蚀开裂敏感性分析

螺栓选用材料为1Cr17Ni2-φL19/GJB2294，热处理后要求σb=1275±100MPa。按HB/Z 80-2011《航空用不锈钢热处理》规定，1Cr17Ni2可供选择的回火温度有以下两种：480℃～540℃回火，σb=1080～1270MPa；300℃～360℃回火，σb>1270MPa。

由于1Cr17Ni2钢的热加工工艺复杂，化学成分的微小波动会对热处理后的组织和性能产生显著影响[4,5]。复查过程中发现， 2006年以前交付的螺栓原材料生产厂商为抚顺钢铁厂，热处理回火温度均为300℃～360℃范围。2006年以后生产厂商更换为宝钢，此材料由于成分存在一定偏差，在300℃～360℃温度范围内回火，硬度会超过图纸规定的硬度上限要求HRC43(1375MPa)，不满足图样规定的σb=1275±100MPa的要求。因此航空生产厂采用提高回火温度的方法(采用480℃～540℃这一档)来降低其强度，而480℃～540℃正处于HB/Z 80-2011《航空用不锈钢热处理》说明的1Cr17Ni2脆性区间内，该材料状态具有应力腐蚀敏感性特征。

因此，起落架斜撑杆螺栓具备了应力腐蚀的三个条件，为满足强度要求选择了处于回火脆性区的热处理制度，使材料具有了应力腐蚀敏感性特征，降低了螺栓的抗腐蚀能力，且螺栓长期承受拉应力并存在一定的腐蚀介质，最终导致了螺栓断裂。

3 故障处理

针对应力腐蚀断裂的几个存在条件，制定了以下故障处理措施：

1) 避开应力腐蚀敏感影响

零件和材料应力腐蚀敏感性是本次故障的主要原因，将图样中螺栓强度要求“σb=1275±100MPa”更改为“σb>1270MPa”，增加“热处理检验类别按II类检验，回火温度限定在300℃～360℃之间”的技术要求，有效避开热处理回火脆性区间。

另外，针对螺栓芯部阶梯孔结构，为避免在阶梯面出现应力集中点，将其更改为通孔结构。

2)降低螺栓拧紧力矩

螺栓的拉应力是导致应力腐蚀的一个因素，它主要由拧紧力和安装时斜撑杆偏心产生。经分析，起落架斜撑杆上、下连接螺栓主要受剪切载荷，对轴向载荷无特殊要求，其拧紧力矩主要起保险作用，而螺母另有开口销进行保险，因此，适当调整了螺栓的拧紧力矩，降低其承受的拉应力。

3)增强表面防护措施

针对螺栓外观检查时发现的孔内存在红锈现象，除进行不锈钢零件的表面钝化外，另对其通孔内壁进行底漆保护，提高其耐蚀性能。

4 经验教训及建议

从以上分析中不难看出，此次起落架螺栓应力腐蚀断裂的直接原因是关键原材料生产单位更换、热处理工艺变更而设计人员不清楚情况，因此，为避免后续出现类似问题，主要有以下经验教训及建议：

1) 加强原材料的管控：关键材料不可随意更改原材料供应商，当由于材料的更改导致工艺参数发生变更时，应知会设计人员，共同协商解决措施。

2) 推动综合性能更高的材料的应用：1Cr17Ni2为我国较早研发的马氏体不锈钢，受成分限制，其腐蚀敏感固有存在，且横向性能较差，在480℃～560℃回火(强度在980～1270MPa)时会造成回火脆性，使用时应予回避。如设计需选用该材料时，推荐使用的强度范围为785～980MPa、大于1270MPa两档。近些年，国内外研发了多种综合性能优良的不锈钢品种，如1Cr15Ni4Mo3N、PH13-8Mo不锈钢，不但具有很高的强度，还具有很好的耐蚀性，非常适合制造重要螺栓，应开展新材料的应用替代工作。

3) 开展充分的试验验证：对于重要受力的零件用材，应开展多层次的性能测试和试验验证，目前对直升机复合材料的应用已建立了积木式的试验验证程序，建议构建金属材料的试验验证程序，明确其应用研究的工作内容。

[1] 王 磊,费敬银,辛文利.飞机起落架应力腐蚀断裂及预防措施[J].材料加工工艺,2011，40(4)：186-189.

[2] 高 进,孙金厂.应力腐蚀断裂的判断及其防护[J].2001(7):45-47.

[3] 菜秀光.应力腐蚀的威海及其控制[J].化工工程与装备,2006(2)：37-39.

[4] 李 威,李红丹,刘 巍.1Cr17Ni2不锈钢热处理工艺试验研究[J].大电机技术,2005(6)：31-33.

[5] 姚振华,徐玉松. 1Cr17Ni2钢的热处理工艺及性能研究[J].热加工工艺,2005,(12)：38-39.

Experience and Lessons about the Fracture of Landing Gear Bolt of one Type of Helicopter

YAO Youwen1,CHEN Chen2,ZHAO Yun1,XIAO Wei2,FANG Jianyi2

(1.Army Aviation Department of the PLA General Staff Miliary Representative Office in Jingdezhen Region, Jingdezhen 333000, china；2.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001,china)

The failure phenomenon of landing gear of one type of helicopter was illustrated. Specific reason of the crack of the bolt was found by carrying out the failure analysis through appearance and fracture analysis. Measures were taken to solve the malfunction of landing gear. Experience and lessons were put forward.

helicopter; landing gear; bolt; fault handling

2016-06-02

姚有文：(1979-)，男，安徽芜湖人，硕士，工程师；主要研究方向：直升机设计和生产质量监督。

1673-1220(2016)03-044-03

V229+.1

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