某型飞机液压导管平管嘴裂纹故障分析与预防

■ 谢曙光 张小辉/国营芜湖机械厂

1 故障描述

某型飞机在外场使用过程中多次出现液压系统扩口导管连接部位的平管嘴裂纹故障,严重时出现液压油渗漏,影响飞机液压系统工作的密封性。典型平管嘴裂纹故障如图1所示。对收集到的平管嘴裂纹故障进行分类统计,如表1所示,可知出现裂纹的平管嘴均安装于飞机三个起落架支柱上的不同位置,平管嘴规格均为HB 4-44FB2-d,该零件所用材料为不锈钢1Cr11Ni2W2MoV。选取部分裂纹平管嘴进行断口失效分析,其断裂性质均为应力腐蚀开裂,而且裂纹源都来自于平管嘴内表面。

图1 平管嘴外观图

表1 平管嘴裂纹故障统计表

2 裂纹断口失效分析

2.1 外观检查

观察图1中1#、2#平管嘴,裂纹均从大头端沿轴向向小头端开裂,并存在分叉现象,呈现树枝状,从外表面观察裂纹附近均无明显外伤；观察平管嘴内表面,裂纹已穿透平管嘴壁厚,表面附有明显的黄褐色锈迹,内表面还可见较为明显的车削加工痕迹。人工打开裂纹,取下断口置于低倍显微镜下观察,可见断口较为平直,颜色灰暗,无明显塑性变形,表面有深色腐蚀物覆盖。

2.2 断口分析

裂纹断口经超声波清洗后,置于扫描电镜下观察,其低倍形貌见图2,裂纹断口较为粗糙,断面局部有腐蚀物质覆盖；高倍下可观察到断面在平管嘴内表面有明显的腐蚀形貌特征,扩展区为龟裂现象的沿晶脆性断裂形貌,见图3；在断口附近对平管嘴内外表面进行观察,可见内表面有点蚀现象,见图4。

2.3 能谱分析

用能谱仪对平管嘴断口表面进行能谱分析,分析结果如图5所示。可以看出,断口表面除了基体元素外,含有较多的腐蚀性元素S和Cl,表明平管嘴的腐蚀介质元素为S、Cl。

2.4 分析结论

上述分析表明,平管嘴断口为沿晶脆性断裂形貌,断面上可见明显腐蚀产物并可检测出腐蚀元素S、Cl；工作时螺帽压在平管嘴上,使其贴紧在导管的扩口上,装配状态下平管嘴长期受到环向拉应力作用。因此,推断断裂性质为应力腐蚀开裂。

3 裂纹故障的原因分析及讨论

3.1 工作环境分析

图2 裂纹断口低倍形貌

图3 裂纹断口高倍形貌

从表1统计的出现裂纹的平管嘴使用服役情况中了解到,出现裂纹的平管嘴具有以下共性：

1） 均安装于飞机三个起落架支柱上的不同部位,平管嘴长期处于外露状态,与外界环境直接接触。而飞机上其他封闭部位均未发现该材料制成的平管嘴出现裂纹。

2） 以海军服役飞机为主,或是常年服役于中国沿海地区的飞机,工作环境为海洋性气候,平管嘴具备了与海水及其他腐蚀性物质接触的条件。

上述两个共性工作条件造成了起落架上的平管嘴长期暴露在海水及海洋性气候环境腐蚀性介质中,飞机在外场复杂多变的工作环境下受到腐蚀影响,最终导致产生腐蚀裂纹。

3.2 制造工艺分析

平管嘴材料1Cr11Ni2W2MoV为马氏体不锈钢,制造技术条件规定其硬度要求为HRC 25～35,依据GB/T 1172-1999《黑色金属硬度及强度换算值》换算强度σb为837～1074MPa。按航空行业标准HB/Z 80-2011《航空用不锈钢热处理》,为满足强度σb为880～1080MPa,该材料零件在淬火后需在640～680℃温度下进行回火处理。《工程材料实用手册》中不锈钢回火温度与盐雾腐蚀失重影响如图6所示,可以看出在600~700℃回火温度下1Cr11Ni2W2MoV零件耐腐蚀性差,其中约在640℃时耐腐蚀性能最弱。《工程材料实用手册》中对不同回火温度的试件在3.5%NaCl介质、溶液温度35±1℃、试验100天条件下的耐盐雾腐蚀试验对照情况见图7。从对比试验中发现,在530～680℃回火的1Cr11Ni2W2MoV试件表面均存在重腐蚀现象,在620℃回火的1Cr11Ni2W2MoV试件表面出现严重腐蚀现象。实际零件热处理生产过程中,为保证加工零件较优的强度和硬度,一般按规定回火温度范围的下限标准设定实际回火温度（设为640℃左右）,但在此回火温度下零件的抗腐蚀性能最差。因此,为改善1Cr11Ni2W2MoV材料零件的抗腐蚀性能,可考虑适当降低零件硬度和强度技术要求,提高回火温度。同时,平管嘴内表面与导管管体之间的缝隙结构易构成缝隙性腐蚀条件,而1Cr11Ni2W2MoV马氏体不锈钢则对孔蚀和缝隙腐蚀更为敏感。在现服役工作环境无法改变的条件下,可以通过改善平管嘴的腐蚀防护来避免零件与腐蚀介质接触。

断口失效分析中提到平管嘴内表面有较为明显的车削加工痕迹,表面易附着腐蚀物质。若平管嘴表面钝化不佳或因导管摩擦、外界损伤造成平管嘴内表面钝化层不完整,会使其表面抗腐蚀性能力变差。

3.3 材料分析

从图6和图7中可以看出,三种不锈钢材料中,1 C r 11 N i 2 W 2 M o V的耐盐雾腐蚀性能明显差于1Cr12Ni2W2MoVNb和1Cr17Ni2,因此可以考虑选择使用抗应力腐蚀性能更强的材料,从根本上减轻或避免应力腐蚀现象。例如,选用不锈钢材料1Cr12Ni2W2MoVNb,其强度与1Cr11Ni2W2MoV相当。根据《中国航空材料手册》,在35±1℃、3.5%NaCl溶液中、施加应力为各材料自屈服强度的80%的条件下,1Cr12Ni2W2MoVNb的抗应力腐蚀性能远远高于1Cr11Ni2W2MoV和1Cr17Ni2,具体见表2。

图4 内表面点蚀现象

图5 平管嘴断口表面能谱分析结果

图6 回火温度对盐雾腐蚀失重的影响图

图7 1Cr12Ni2W2MoVNb、1Cr11Ni2W2MoV和1Cr17Ni2回火温度对盐雾腐蚀失重对照

3.4 应力分析

平管嘴处于导管扩口和外套螺母之间,可以有效传递外套螺母的压紧力,使导管扩口与管接头充分贴合,保证管路连接部位的密封性。正常工作状态下,平管嘴大头端长期受到环向拉应力作用。为避免平管嘴发生应力腐蚀开裂,还需降低环向拉应力。从装配上分析,平管嘴的拉应力主要是由螺母将平管嘴压紧在导管扩口上引起的,适当减小螺母的拧紧力矩可降低平管嘴的环向拉应力。另外,若装配时平管嘴与管体不同心或带应力装配势必造成环向应力分布不均匀,出现应力集中。从结构上分析,在不影响正常使用的情况下,可适当提高平管嘴结构的厚度,增加结构的承载能力,也可降低平管嘴的环向拉应力。

4 纠正措施

通过以上分析和讨论,为有效降低或避免该类平管嘴应力腐蚀开裂,可从以下几个方面采取措施。

1）在平管嘴加工时,需避免零件内表面出现明显车削加工痕迹,控制其内表面粗糙度,或将其粗糙度要求提高到Ra1.6μm及以上,并控制零件表面钝化处理质量。

2）对零件热处理淬火后进行低温回火时,适当远离640℃的回火温度,可按规定回火温度的上限进行控制,提高零件抗腐蚀性能；同时,向零件供应商提出该回火温度的控制要求。

3） 在导管制作和修理时,需重点检查平管嘴内表面外观,发现有腐蚀、损伤或明显加工痕迹的应停止使用。

4） 在飞机上装配导管时,应保证导管管体两端为直线段,避免带应力对接导管或强行拧紧螺母,防止对平管嘴内外表面造成损伤。为保证连接部位密封性及降低平管嘴环向拉应力,对拧紧力矩按HB 4-1《扩口管路连接件通用规范》进行控制。

表2 1Cr12Ni2W2MoVNb、1Cr11Ni2W2MoV和1Cr17Ni2三种材料抗应力腐蚀性能

5） 对该型飞机外露部位各管路的连接件（包括平管嘴）露出部分刷涂防锈漆,分别刷涂一层H06-076底漆和两层TS70-60磁漆,特别是对平管嘴与导管之间的缝隙进行涂漆防护；外场使用维护时应定期对表面腐蚀物质进行擦洗去除,发现漆层不完整时应及时补漆。

6） 在允许更换材料的前提下,建议更换为强度性能接近、抗腐蚀性更强的1Cr12Ni2W2MoVNb材料。

［1］《工程材料实用手册》编辑委员会编.工程材料实用手册（第2版）［M］.北京.中国标准出版社,2002.

［2］天华化工机械及自动化研究设计院主编.腐蚀与防护手册（第二版）［M］.北京.化学工业出版社,2009.

［3］《中国航空材料手册》编辑委员会编.中国航空材料手册（第2版）[M].北京.中国标准出版社,2002.