TC4鈦合金耳片斷裂原因分析

董唯莉，朱海銀，趙 云

(中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，沈陽110850)

0 引言

由于鈦合金具有高的比強(qiáng)度，較寬的工作溫度范圍和優(yōu)異的腐蝕抗力，因而在航空及宇航工業(yè)得以廣泛應(yīng)用［1］。目前飛機(jī)的減速板梁、減速板接頭、框等關(guān)鍵部位均由鈦合金制造。鈦合金具有較強(qiáng)的缺陷敏感性，因而鈦合金零部件加工、裝配和使用過程中的任何機(jī)械損傷都可能會(huì)導(dǎo)致鈦合金零部件的失效，甚至發(fā)生嚴(yán)重?cái)嗔咽鹿省ｂ伜辖鹆悴考谑褂眠^程中曾出現(xiàn)過多次斷裂事故，其中絕大多數(shù)事故與疲勞有關(guān)［2-3］;因此，疲勞抗力是衡量鈦合金零部件可靠性最重要的指標(biāo)之一。鈦合金的疲勞抗力，與其零部件表面的受損狀態(tài)(如污染、劃傷、磨損等)有關(guān)。

某飛機(jī)在飛行一段時(shí)間后，與作動(dòng)筒相連的減速板接頭一個(gè)耳片發(fā)生斷裂。飛機(jī)共飛行297 h，307個(gè)起落。減速板接頭材料牌號(hào)為TC4，由自由鍛件經(jīng)機(jī)加而成，機(jī)加后經(jīng)真空退火。

通過對(duì)減速板接頭斷裂耳片進(jìn)行外觀檢查、斷口宏微觀觀察、化學(xué)成分分析、金相組織檢驗(yàn)等，以確定耳片的斷裂性質(zhì)及斷裂原因，并提出建議從而為此類故障的分析提供借鑒。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

減速板接頭斷裂的外觀形貌及斷裂部位見圖1，斷口分別編號(hào)為斷口A和斷口B。

減速板接頭上有2個(gè)耳片，作動(dòng)筒與通過耳片孔的螺桿與減速板接頭相連。減速板接頭的一個(gè)耳片沿與零件板面相平行的方向，幾乎穿過耳片內(nèi)孔的直徑斷裂。2個(gè)耳片孔均在外側(cè)有倒角，內(nèi)側(cè)無倒角。斷裂的耳片孔內(nèi)側(cè)表面磨出深約1 mm，寬約1.5 mm的凹槽(圖2)。在耳片孔壁存在程度不等的磨痕、磨蝕麻坑和因摩擦熱引起的藍(lán)色、黃褐色變色特征(圖3)。

圖1 減速板外觀形貌及接頭斷裂位置Fig.1 Appearance of the part and fracture position

圖2 耳片孔外側(cè)倒角及內(nèi)側(cè)凹槽Fig.2 Rounding at outside of hole and groove at inside of hole

圖3 耳片孔壁的磨痕、磨蝕麻坑Fig.3 Blue and yellow zones as well as wear corrosion and pitting

1.2 斷口宏觀觀察

2個(gè)斷口均呈現(xiàn)明顯的疲勞弧線，擴(kuò)展區(qū)面積較大，瞬斷區(qū)面積較小。斷口A的宏觀形貌見圖4，可見斷裂起始于孔角處;斷口B的宏觀形貌見圖5，可見斷裂源區(qū)磨損較嚴(yán)重，依據(jù)疲勞弧線的擴(kuò)展方向判斷，斷裂應(yīng)起始于孔壁，在斷口局部有明顯的磨損痕跡。斷口上疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)域所占比例均較大，表明減速板承受的工作應(yīng)力不大。

圖4 斷口A宏觀斷口形貌Fig.4 Appearance of fracture zone A

圖5 斷口B宏觀斷口形貌Fig.5 Appearance of fracture zone B

1.3 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂件基體材料進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果表明符合TC4鈦合金標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 金相檢驗(yàn)

對(duì)斷裂件基體材料進(jìn)行金相組織檢查，結(jié)果表明符合TC4鈦合金正常退火組織標(biāo)準(zhǔn)要求，為α+β雙相組織，其金相組織見圖6。

2 受力情況分析

零件工作時(shí)的主應(yīng)力垂直于零件板面，該應(yīng)力靠與耳孔相連接的鋼螺桿來施給(圖7)。耳孔尺寸精度為 φ15H9，經(jīng)查手冊(cè)，耳孔偏差為φ，即孔最大尺寸為15.048 mm，最小尺寸為15.00 mm。螺桿尺寸精度為φ15f9，材料牌號(hào)為Cr17Ni2，經(jīng)查手冊(cè)，螺桿偏差為φ，螺桿最大尺寸為14.984 mm，最小尺寸為14.941 mm;因此，耳孔與螺栓之間的連接是間隙配合，裝配時(shí)要求涂潤(rùn)滑脂。由于在收放減速板過程中耳孔與螺栓桿要發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但工作時(shí)兩者相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的弧度不大，而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的速度較大，有一定的滑動(dòng)和撞擊。

圖6 斷裂件基體金相組織Fig.6 Metallographic structure of the fractured part

零件工作狀態(tài)是減速板放下的狀態(tài)。此時(shí)，減速板前方受到有一定振動(dòng)的強(qiáng)大氣流的沖擊力，耳孔承受著與板面相垂直的由連接螺桿施給的拉應(yīng)力(圖7)。如果耳孔與螺桿之間配合間隙恰當(dāng)，則耳孔僅受此拉應(yīng)力。但如果間隙配合不恰當(dāng)、潤(rùn)滑不好等，則在承受該拉應(yīng)力的同時(shí)，還受到耳孔與螺桿之間的接觸摩擦和微動(dòng)磨損的影響。接觸摩擦和微動(dòng)磨損是這樣產(chǎn)生的:在減速板工作過程中，耳孔與螺栓之間存在微動(dòng)和磨損，根據(jù)減速板的服役載荷，在該故障件的起源位置處易產(chǎn)生磨損。正是由于這種接觸微動(dòng)摩損，在該處產(chǎn)生微動(dòng)磨損疲勞損傷，繼而萌生疲勞裂紋，經(jīng)歷一段疲勞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展后，最終導(dǎo)致耳片斷裂［4-6］。

圖7 零件受力方向示意圖Fig.7 Force diagram of the part

關(guān)于在耳孔整個(gè)圓周上所受的由螺桿施加的何處接觸壓應(yīng)力最大的問題，很明顯，在耳孔的頂點(diǎn)，即與斷裂源點(diǎn)相隔90°處無疑是最大的，通過強(qiáng)度復(fù)核，該處承受的拉應(yīng)力較小，因此，通常不易產(chǎn)生純粹的拉應(yīng)力疲勞裂紋。

資料表明，孔與桿間隙配合過大，會(huì)降低微動(dòng)磨損疲勞壽命，當(dāng)孔大于桿0.07% ～0.08%時(shí)要比孔大于桿0.5%的微動(dòng)磨損疲勞壽命大3倍。

3 分析與討論

從以上試驗(yàn)結(jié)果與分析可見，減速板接頭耳片是比較典型的由微振接觸摩損所引發(fā)的疲勞破壞，其疲勞源屬微動(dòng)磨損失效范疇。斷裂失效是由機(jī)械微動(dòng)接觸摩蝕和伴隨的金屬溫升(本案例中從藍(lán)顏色來看，該溫升達(dá)500℃左右)共同作用的結(jié)果。

微動(dòng)磨損是一種磨蝕現(xiàn)象，它產(chǎn)生于承受著有相當(dāng)小(0.1～10 μm)振幅的2個(gè)緊配合接觸面之間。通常，磨損伴隨有溫升引起的氧化，因此，它是機(jī)械與化學(xué)協(xié)同作用的結(jié)果。氧化產(chǎn)物的碎化會(huì)形成高硬度的細(xì)屑，由此加速了磨損。

微動(dòng)磨損與一般的摩擦磨損的區(qū)別是，一般的摩擦損傷其表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是單方向長(zhǎng)距離，或長(zhǎng)距離往返的，它產(chǎn)生的碎屑能被自身的運(yùn)動(dòng)予以排除，而微動(dòng)磨損只作小幅值的振動(dòng)，其磨屑只能存積在兩接觸面之間，難以排出。

盡管微動(dòng)磨損機(jī)理的某些行為尚未完全了解，但從過程來說，大致可分為3個(gè)階段:1)開始黏著—拉脫;2)伴隨有氧化碎屑產(chǎn)生的微振動(dòng);3)在接觸區(qū)萌生疲勞裂紋。

為防止產(chǎn)生此類失效再次發(fā)生，可選擇耳片與連接螺桿之間的最佳配合間隙和始終保證有良好的潤(rùn)滑。從實(shí)際情況看，出現(xiàn)同類型的故障極少，表明絕大多數(shù)的配合和潤(rùn)滑是良好的。

涉及到材料問題，有文獻(xiàn)指出:“鈦合金的缺點(diǎn)是耐磨性差和在某些情況(例如高溫、與干鹵化物接觸)下化學(xué)活性高。受摩擦?xí)r，鈦及其合金存在著黏結(jié)和擦傷的傾向。當(dāng)制造長(zhǎng)期在較大壓強(qiáng)條件下工作的零件必須考慮這一點(diǎn)”［7］。另有資料表明，鈦合金導(dǎo)熱性差，摩擦系數(shù)大，抗磨性也差，對(duì)微動(dòng)磨損極為敏感。

4 結(jié)論

1)減速板接頭耳片的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，其斷裂源是由微動(dòng)磨損引發(fā)的。

2)減速板作動(dòng)筒連接耳片的材質(zhì)符合技術(shù)要求。

3)為避免再次發(fā)生此類失效，應(yīng)盡量使耳片孔與連接螺桿之間保持良好的配合間隙。在使用期間，應(yīng)定期檢查耳孔內(nèi)壁與螺桿表面之間潤(rùn)滑狀況，保證處于良好潤(rùn)滑狀態(tài)。

［1］陳星，董志國(guó)，姜濤，等.富氧層對(duì)鈦合金直角接頭開裂的影響［J］.失效分析與預(yù)防，2011，6(3):178－180.

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