鈦合金螺栓與自鎖螺母咬死故障原因分析

李東東，谷勝民，劉 濤，韓 露，李阿妮，馬瑞忠

(1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076;2.航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

鈦合金緊固件由于具有密度小、強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大，且高低溫性能與抗疲勞性能優(yōu)異等特點(diǎn)，故非常適合在火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)等高速飛行器上使用［1-2］。鈦合金螺栓與鈦合金自鎖螺母作為重要的“航天緊固件”，兩者配合使用，其工作原理是鈦合金螺母一端制成橢圓形收口，螺栓擰入螺母體內(nèi)后，收口張開，利用收口的回彈力使旋合螺紋間壓緊，產(chǎn)生鎖緊力矩，達(dá)到防松鎖緊的目的。鈦合金螺栓與鈦合金自鎖螺母擰緊時，螺紋發(fā)生粘連、咬死現(xiàn)象是設(shè)計與使用過程中遇到的較大難題，大大限制了其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。大量試驗(yàn)研究證明，結(jié)合基體表面強(qiáng)化和表面潤滑2項技術(shù)措施，有效地解決了粘連、咬死問題，使得鈦合金螺栓及自鎖螺母在航天領(lǐng)域得到了更為廣泛的應(yīng)用［3］。

某型號試驗(yàn)件拆卸過程中，連接支架和井字梁用的TB3鈦合金螺栓與TB3鈦合金自鎖螺母發(fā)現(xiàn)相互咬死，隨后于庫存分別抽取2件故障批螺栓和2件故障批自鎖螺母進(jìn)行擰入擰出工裝試驗(yàn)，結(jié)果分別在擰入擰出5次循環(huán)、6次循環(huán)后發(fā)生咬死故障，均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定擰入擰出15次循環(huán)不發(fā)生咬死故障)。此自鎖裝置裝配在彈體的重要連接處，一旦被裝配的零件在使用過程中發(fā)生咬死故障，將直接影響飛行任務(wù)的順利進(jìn)行，后果十分嚴(yán)重;因此，對咬死故障進(jìn)行分析研究以避免此類故障的再次發(fā)生具有非常重要的意義。

本研究通過對故障螺栓的形貌分析、金相分析以及對3種狀態(tài)螺栓的對比分析研究，確定咬死故障的形成原因，為避免此類故障的發(fā)生提供有利依據(jù)。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 故障影響因素排查與驗(yàn)證試驗(yàn)

取故障批螺栓、合格批螺栓(庫存已完成飛行任務(wù)、未發(fā)生咬死故障批次)與故障批自鎖螺母進(jìn)行擰入擰出工裝試驗(yàn)，對故障源進(jìn)行初步排查，結(jié)果見表1。

表1 故障影響因素初查Table 1 Factors analysis of the failure

對故障批螺栓與故障批自鎖螺母的生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行復(fù)查:故障批自鎖螺母為正常工藝生產(chǎn)，未發(fā)現(xiàn)異常;故障批螺栓為非正常工藝生產(chǎn)，存在異常。

正常的螺栓生產(chǎn)工藝流程為:備料→下料→車→無心磨→上涂層→冷鐓→噴砂→車→銑方→去毛刺→熱處理→噴砂→上涂層→滾絲→噴砂→涂覆MoS2→驗(yàn)收。故障批螺栓為廠家?guī)齑纥S色陽極化螺栓改鍍生產(chǎn)，改鍍生產(chǎn)的正確工藝流程應(yīng)為:黃色陽極化螺栓退膜→噴砂→涂覆MoS2→驗(yàn)收;而故障批螺栓的實(shí)際工藝流程:螺栓產(chǎn)品退膜→涂覆MoS2→驗(yàn)收。

可見，正常的螺栓生產(chǎn)工藝與正確的改鍍生產(chǎn)工藝在涂覆MoS2之前都應(yīng)進(jìn)行噴砂處理，而故障批螺栓未按照工藝要求進(jìn)行生產(chǎn)，在涂覆MoS2之前未進(jìn)行“噴砂”處理，黃色陽極化螺栓退膜后直接涂覆了MoS2。

按正常生產(chǎn)工藝(非改鍍)、正確改鍍工藝及缺少噴砂處理的非正確改鍍工藝生產(chǎn)3種狀態(tài)螺栓，與故障批自鎖螺母進(jìn)行擰入擰出工裝試驗(yàn)，進(jìn)而對故障源進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 故障影響因素驗(yàn)證Table 2 Results of verification test

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，此次咬死故障源于螺栓未進(jìn)行噴砂處理。

1.2 故障螺栓分析

1)形貌觀察。

采用機(jī)械方法將故障自鎖螺母進(jìn)行分解，采用掃描電鏡對分解后螺栓的形貌進(jìn)行觀察，螺栓形貌如圖1所示。可以看出，螺栓前三道螺紋的螺齒均存在不同程度的軸向磨損，部分齒尖被磨平，螺紋頂端局部區(qū)域存在塊狀的物質(zhì)轉(zhuǎn)移及堆積。

圖1 故障螺栓形貌Fig.1 Morphology of the failed bolt

2)金相觀察。

對分解后的故障螺栓取樣并制成金相試樣進(jìn)行金相分析，金相形貌如圖2所示。

從剖切面的金相形貌上可以看出，螺栓的三道螺紋螺齒損傷嚴(yán)重，螺齒被磨平或斷裂，可見明顯的變形流線及塊狀堆積物，堆積物與螺齒的局部區(qū)域形成冷焊，能譜分析表明堆積物的主要成分:Ti、Mo、Al、V 及少量的 Fe 元素。

1.3 對比分析

1)涂層形貌觀察。

采用掃描電鏡對3種螺栓表面涂層形貌進(jìn)行觀察，微觀形貌如圖3所示。

從圖3可以看出，改鍍未噴砂螺栓表面涂層主要以片狀物質(zhì)為主;改鍍噴砂螺栓及非改鍍螺栓表面涂層除片狀物質(zhì)外，還存在球狀物質(zhì)(能譜分析表明，球狀物質(zhì)主要含有 C、O、Ba、Ti元素)。其中，改鍍噴砂螺栓表面涂層存在的球狀物質(zhì)數(shù)量較少、尺寸較小，直徑約為3 μm;非改鍍螺栓表面涂層的球狀物質(zhì)數(shù)量較多，直徑較大，直徑約為 7 μm。

2)涂層截面分析。

沿3種螺栓的縱向剖開，制備金相試樣，對涂層的截面形貌及涂層厚度進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，3種螺栓表面涂層的截面形貌特征基本一致，均可見片狀、塊狀物質(zhì)的堆積形態(tài)。三者涂層的厚度存在一定的差異，改鍍噴砂螺栓與非改鍍螺栓的表面涂層厚度接近，均明顯大于改鍍未噴砂螺栓表面涂層的厚度。

3)附著力分析。

使用電工膠布對3種螺栓表面的MoS2涂層進(jìn)行剝離試驗(yàn)［4］，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

剝離試驗(yàn)結(jié)果表明，改鍍噴砂螺栓及非改鍍螺栓表面MoS2涂層與基體的結(jié)合力明顯優(yōu)于改鍍未噴砂螺栓表面MoS2涂層與基體的結(jié)合力，也就是說，改鍍噴砂螺栓及非改鍍螺栓表面MoS2涂層的附著力明顯優(yōu)于改鍍未噴砂螺栓表面MoS2涂層的附著力。

4)硬度分析。

對3種螺栓的基體表面顯微硬度(HV0.2)進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表4。

圖4 螺栓表面涂層截面形貌Fig.4 Section morphologies of the coating

表3 剝離試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of the peeling test

表4 螺栓基體硬度 /(HV0.2)Table 4 Microhardness test results of the bolt/(HV0.2)

結(jié)果表明，三者基體表面硬度接近，沒有明顯區(qū)別。

5)化學(xué)成分分析。

對3種螺栓基體化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示。結(jié)果顯示，螺栓基體化學(xué)成分均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 分析與討論

故障螺栓的螺紋螺齒損傷嚴(yán)重，部分螺齒幾乎被磨平，甚至發(fā)生斷裂，螺栓螺紋局部區(qū)域存在塊狀的物質(zhì)轉(zhuǎn)移及堆積，堆積物與螺齒局部區(qū)域形成冷焊。通過對改鍍未噴砂螺栓、改鍍噴砂螺栓和非改鍍螺栓3種螺栓的對比研究表明:改鍍噴砂螺栓與非改鍍螺栓表面涂層的厚度明顯大于改鍍未噴砂螺栓表面涂層的厚度;改鍍噴砂螺栓與非改鍍螺栓表面涂層的附著力明顯優(yōu)于改鍍未噴砂螺栓表面涂層的附著力。

表5 螺栓基體化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 5 Composition analysis results of the bolt(mass fraction/%)

鈦合金自鎖螺母和鈦合金螺栓擰緊時，螺紋常發(fā)生粘連、咬死現(xiàn)象，是設(shè)計與使用過程中遇到的較大難題，研究表明，結(jié)合基體表面強(qiáng)化和表面潤滑2種措施，可以有效地消除鈦合金螺紋的粘連、咬死現(xiàn)象［3］。航天用鈦合金緊固件，常采用MoS2潤滑劑對強(qiáng)化后的鈦合金表面進(jìn)行表面潤滑，液態(tài)的潤滑劑混合物涂覆在強(qiáng)化后的鈦合金表面上，經(jīng)過高溫粘結(jié)劑固化，潤滑膜牢固地附著在螺紋表面上，顯著地降低了摩擦系數(shù)，從而有效地消除螺紋間的粘連、咬死現(xiàn)象，達(dá)到多次拆卸、重復(fù)使用的要求。

研究表明，MoS2涂層的潤滑效果及持久性關(guān)鍵取決于MoS2涂層的附著力及厚度［5］。

涂層附著力是指所防護(hù)的基體表面與MoS2涂層的結(jié)合能力。MoS2涂層為多孔性、堆積結(jié)構(gòu)，其附著力的大小與基體表面的粗糙度有密切的關(guān)系［5］。工藝上，常采用噴砂處理作為涂覆前零件表面的預(yù)處理，以獲得理想的表面粗糙度。噴砂處理是借壓縮空氣驅(qū)動砂粒，使用專用噴嘴以較高的速度噴射到結(jié)構(gòu)表面上，通過高速砂粒的沖擊和摩擦，達(dá)到除銹、清理表面的作用。零件在表面涂覆之前進(jìn)行噴砂處理的目的和作用主要有2個方面:1)使用物理方法對零件表面進(jìn)行清理，清除掉零件表面的氧化物、附著物等，使其完全裸露基體，減少涂覆前的酸腐蝕，從而起到降低鈦合金零件的滲氫以及增加涂覆層的結(jié)合力的作用;2)獲得理想的表面粗糙度。噴砂處理不僅可以使基體表面活化，使之顯露出新鮮的金屬表面，而且會使表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于涂層與基體表面的結(jié)合。同時，由于粗化后表面凹凸不平，可打亂涂層部分收縮力的方向，減小沿基體表面方向的應(yīng)力，從而使涂層與基體表面的結(jié)合強(qiáng)度高于光滑表面的結(jié)合強(qiáng)度［7］。大量試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，理想的基體表面粗糙度可以大大提升基體與表面涂層的結(jié)合強(qiáng)度，可以顯著提高涂層的附著力［8］。鈦合金基體表面的MoS2涂層的形成是依靠粘料和固化劑起化學(xué)反應(yīng)，如環(huán)氧涂層中的環(huán)氧基與固化劑分子結(jié)構(gòu)的氨基(－NH2或NH－)起化學(xué)反應(yīng)，生成網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)產(chǎn)物，把填料等網(wǎng)絡(luò)固定下來，同時涂層分子向被粘涂基體表面移動，涂層與基體形成物理化學(xué)和機(jī)械結(jié)合。研究表明，噴砂處理后，隨著表面粗糙度的增大，涂層與基體接觸面積成倍增加，有利于在接觸界面上發(fā)生各種物理和化學(xué)等作用［9］。另外，噴砂處理后的基體表面上均勻地分布著許多不規(guī)則形狀的凹坑，沒有固定的取向，方向各異，這有利于打亂基體表面涂層形成時內(nèi)部收縮力的方向;在高速砂粒的沖擊下，基體表面發(fā)生很強(qiáng)的塑性變形，晶體晶格同時發(fā)生滑移、畸變以及間距的變化，導(dǎo)致晶粒內(nèi)位錯密度增加，這都大大有利于涂層在基體表面的附著［9］。其次，由于噴砂處理使得表面凹凸不平，使得涂層分子到基體表面后，易形成相互鑲嵌連鎖的疊層結(jié)構(gòu)。以上這些均有利于形成較厚的MoS2涂層。

結(jié)合本例咬死故障，故障螺栓涂覆MoS2之前未進(jìn)行噴砂處理，使得基體表面MoS2涂層的厚度及其附著力顯著降低，從而，過早喪失MoS2涂層的潤滑作用，導(dǎo)致螺栓螺齒基體與螺母螺齒基體在擰入擰出過程中裸露并發(fā)生粘著磨損，產(chǎn)生磨損產(chǎn)物、形成物質(zhì)轉(zhuǎn)移及堆積并在局部區(qū)域形成冷焊，螺齒發(fā)生塑性變形，螺栓與螺母之間的配合關(guān)系被破壞，從而發(fā)生咬死故障。

3 結(jié)論

1)咬死故障為螺栓涂覆MoS2之前未進(jìn)行噴砂處理所致;

2)螺栓涂覆MoS2之前缺失噴砂處理，使得螺栓基體表面MoS2涂層的厚度減小、MoS2涂層的附著力顯著降低，致使MoS2涂層過早喪失潤滑作用;

3)缺少M(fèi)oS2涂層的潤滑作用，螺栓螺齒基體與螺母螺齒基體在擰入擰出過程中裸露并發(fā)生粘著磨損，螺齒發(fā)生塑性變形，螺栓與螺母之間的配合關(guān)系被破壞，致使發(fā)生咬死故障。

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