飞机起落架机构不同配副材料的腐蚀磨损行为

王英芹，邱实，慕仙莲

（中国特种飞行器研究所结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室，荆门 448035）

在腐蚀环境中因磨损导致材料流失的现象称为腐蚀磨损［1］（简称磨蚀）。磨蚀一般发生在有腐蚀介质的环境中，是力学、化学和电化学因素交互作用的结果，涉及摩擦学、腐蚀学、金属学、电化学等多学科领域。在磨蚀过程中，一方面腐蚀性介质使材料表面性能恶化，增加了材料的机械磨损；另一方面机械磨损使材料表面保护膜层遭到破坏，防护作用消失，腐蚀速率大大提高［2］。腐蚀磨损是一个非常复杂且系统性很强的动态过程，服役环境和材料等因素的影响错综复杂［3-4］。

腐蚀磨损的影响因素主要包括配副材料及其表面镀覆层、配合公差、粗糙度、腐蚀环境、温度、载荷、润滑条件等［5］。 HUTTUNEN-SAARIVIRTA等［6］指出，电位、电解质溶液的氧化性、钝化膜的修复能力和腐蚀磨损的协调作用也会显著影响材料的腐蚀磨损行为，在选择可钝化金属或合金材料时，除考虑磨损和腐蚀性能外，还需考虑再钝化动力学行为。陈君等［7］采用环块试样研究了海水腐蚀对几种金属材料耐磨性能的影响，结果表明海水腐蚀加速了材料的磨损，海水环境中腐蚀与磨损的交互作用占比45%～86%。陈君等［8］还分析了海水环境中316L不锈钢／镍基合金摩擦副的腐蚀磨损性能，研究表明该摩擦副在海水中的摩擦因数低于在纯水中的，而316L 不锈钢在海水中的磨损率比在纯水中的更高。然而，不同配副材料运动机构的实际应用环境和工况更为复杂，常用的润滑脂、配合公差的变化、表面粗糙度等因素也影响配副材料的腐蚀摩损行为。

针对水陆两栖飞机的起落架机构，研究了不同配副材料在模拟海水环境中的腐蚀磨损行为，试验件设计及试验条件完全模拟实际工况。

1 试验

1.1 试验件

试验采用6对常用配副材料的环块试验件，每对配副材料设置3 个平行试验件，试验件结构如图1所示。试验件的编号及配副材料详见表1，方块材料为表面镀镉钛的30Cr MnSiNi2A 钢。

表1 试验件的配副材料Tab.1 Matching materials of test pieces

图1 试验件结构Fig.1 Structure of test piece

1.2 试验设备

腐蚀磨损试验在摆动轴承摩擦磨损试验台上进行，自制试验夹具见图2。试验件安装后浸泡在模拟海水溶液中。

图2 试验夹具示意图Fig.2 Schematic diagram of test fixture

1.3 试验方法

参照GB／T 12444－2006《金属材料磨损试验方法试环-试块滑动磨损试验》，在模拟海水溶液中进行试验。腐蚀磨损试验在25～35 ℃无振动实验室中进行，采用去离子水和NaCl配置3.5%（质量分数，下同）模拟海水溶液，溶液p H 为7.5～8.1。输出轴转速60 r／min，加载端施加载荷6 000 N，试验时间120 min。试验过程如下。

（1）试验前试验件检查

初始数据检测与记录：转轴外径和衬套内径尺寸测量；转轴质量测量。润滑脂检查：确保润滑脂灌满润滑槽。

（2）试验前试验机检查

检查摩擦磨损试验机加载端是否调整灵活；检查设备是否能正常运行。试验夹具及试验件按图2所示安装。

（3）试验进行及终止

设置试验时间、载荷、转速等参数后开始试验；试验至设定时间时，试验自动停止。

（4）试验结果检查与记录

观察试验后的模拟海水和擦拭棉布中磨屑的数量和颜色；将方块从转轴上取出，擦拭掉润滑脂后晾干；测量并记录转轴磨损部位的直径，测量方块上衬套的内径；对转轴和方块进行宏观检查和拍照；采用三维体视显微镜检查转轴的磨痕深度和磨痕形貌以及方块的腐蚀情况。

2 结果与讨论

2.1 磨痕深度与磨损量

由表2可见，试验后转轴和衬套的直径都有不同程度的变化，转轴外径减小，衬套内径增大。总体来说，衬套内径的增大量大于转轴外径的。因磨损导致基准面变化，转轴的磨痕深度不能完全作为磨损量的判断依据。

表2 不同配副材料试验件的直径变化和磨痕深度对比Tab.2 Comparison of diameter change and wear scar depth of different test pieces

Y001～Y003、A101～A103和A201～A203试验件的转轴材料相同（30Cr MnSiNi2A 钢），衬套材料不同。对比分析发现，衬套材料为15-5PH 钝化的试验件，整体磨损量较小，配合间隙变化较小。A101～A103和A401～A403试验件的转轴和衬套材料均相同，仅转轴材料的表面处理工艺不同。对比分析发现，经喷丸强化镀硬铬处理的转轴磨损量较小，但是试验件整体的磨损量较大、配合间隙变化较大。配副材料表面磨损导致配合间隙过大，会造成运动机构磨损更严重甚至无法正常工作。因此，从腐蚀磨损量的情况来看，A101～A103试验件的配合间隙变化最小，磨损量最小。

2.2 腐蚀磨损微观形貌

腐蚀磨损形貌有两种，一种以磨粒磨损为主（见图3），另一种以黏着磨损为主（见图4）。

图3 试验件转轴的磨粒磨损形貌Fig.3 Abrasive wear morphology of the shaft of the test piece

图4中试验件的转轴材料均为30Cr MnSiNi2A钢，磨痕形貌均表现为塑性流动产生的大犁沟及堆积在犁沟上的腐蚀磨损产物，以磨粒磨损为主，同时伴有黏着磨损。腐蚀磨损产物基本呈黑灰色，因为在磨损过程中产生的热量使腐蚀产物发生氧化，同时在腐蚀性溶液中转轴进一步发生腐蚀，生成脆性较大的腐蚀磨损产物。腐蚀磨损产物可能是铬层磨损破坏后超高强度钢基体的加速氧化和腐蚀生成的产物，如氧化亚铁、三氧化二铁及四氧化三铁的混合物，也可能是镀层本身的腐蚀磨损产物。腐蚀磨损产物一部分堆积黏附在犁沟上，一部分被推出摩擦轨道进入润滑脂或模拟海水中，还有一部分存留在摩擦轨道上成为磨粒，加速磨损。

图4中试验件的转轴材料分别为15-5PH 不锈钢和4130高强钢，磨痕形貌表现为非常细小的片状结构，呈银灰色，部分发生剥落，剥落部位呈红铜色，没有河流花样出现。红铜色腐蚀磨损产物可能是来不及氧化而被碾压黏附和转移的衬套（C64200铜合金）。铜合金的硬度比不锈钢和合金结构钢的低，在腐蚀磨损过程中易被磨损，且其氧化物在摩擦轨道上起不到磨粒的作用，或磨粒作用时间较短，会被碾平、黏附在配副材料上。银灰色片状物是遭碾压而黏附的腐蚀磨损产物的混合物。

图4 试验件转轴的黏着磨损形貌Fig.4 Adhesive wear morphology of the shaft of the test piece

2.3 腐蚀磨损宏观形貌

如图5 所示，A101～A103、A201～A202 和A401～A403试验件的衬套材料均为不锈钢，基本没有发生腐蚀，与方块的安装缝隙处腐蚀产物较少，耐蚀性良好；Y001～Y003、A301～A303和A501～A503试验件的衬套材料为铜合金，均出现了腐蚀痕迹，与方块的安装缝隙处堆积有较多的灰白色腐蚀产物，耐蚀性较差。

图5 衬套和方块的宏观腐蚀形貌Fig.5 Macroscopic corrosion morphology of bushing and block

如图6所示，Y001～Y003、A101～A103、A201～A203 和A401～A403 试验件的转轴材料为30Cr MnSiNi2A 钢，磨痕腐蚀较严重，有些磨痕上可见明显的红褐色锈渍；A301～A303 和A501～A503试验件转轴的磨痕腐蚀较轻微。

图6 转轴的宏观腐蚀形貌Fig.6 Macroscopic corrosion morphology of shaft

3 结论

（1）A101 ～A103 试验件（表面镀硬铬30Cr MnSiNi2A 钢／表面钝化15-5PH 不锈钢组合）的配合间隙变化最小，磨损量最少，衬套与方块的腐蚀较轻微，但转轴的磨痕深度最深，腐蚀略严重；

（2）铜合金衬套与方块的安装缝隙处腐蚀较严重，建议采用防海水密封剂进行贴合面密封和填角密封，防止腐蚀介质的浸入。