淺析硬度檢測(cè)在飛機(jī)維修中的應(yīng)用

馮冬云，李 伯

(北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100621)

硬度測(cè)量是衡量金屬材料軟硬的一個(gè)指標(biāo)，它是金屬材料的一種重要機(jī)械性能。硬度值的大小不僅取決于金屬的成分和組織結(jié)構(gòu)，而且還取決于測(cè)量的條件和方法，它是彈性、塑性、塑性變形強(qiáng)化率、強(qiáng)度和韌性等一系列不同物理量的綜合性能指標(biāo)。一般可以認(rèn)為硬度是指金屬表面上相同體積內(nèi)抵抗變形破裂的能力。硬度檢測(cè)是機(jī)械性能檢測(cè)中最迅速、最簡(jiǎn)便，而且不破壞工件的唯一檢測(cè)方法。

1 硬度檢測(cè)的特點(diǎn)和應(yīng)用

硬度檢測(cè)一般在金屬表面局部范圍內(nèi)產(chǎn)生很小的壓痕，它不致使產(chǎn)品或零件受到破壞，通常可視為無損檢測(cè)。因而對(duì)大多數(shù)機(jī)件可直接使用成品進(jìn)行試驗(yàn)，而無需專門加工試驗(yàn)件。同時(shí)應(yīng)用硬度檢測(cè)也易于對(duì)金屬表面層的情況進(jìn)行檢查，如脫碳與滲碳、表面淬火、表面過熱以及化學(xué)熱處理后的表面質(zhì)量等。硬度與其他機(jī)械性能之間存在著一定的關(guān)系，因此在工業(yè)生產(chǎn)中能用以判斷、檢驗(yàn)金屬材料或產(chǎn)品、零件的機(jī)械性能以及在生產(chǎn)流程中用于工藝控制。硬度檢測(cè)具有很高的工作效率，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行100%的檢驗(yàn)。在某些情況下，產(chǎn)品零件不可能加工出試樣，這時(shí)硬度檢測(cè)就是進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)的唯一途徑。同時(shí)，針對(duì)一些大型零部件和形狀復(fù)雜的零部件，可利用便攜式硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)。

由于硬度檢測(cè)具有上述特點(diǎn)，加之試驗(yàn)方法的不斷改進(jìn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科研工作中均已得到廣泛應(yīng)用，成為機(jī)械性能試驗(yàn)中不可缺少的重要方法。

2 硬度檢測(cè)在發(fā)動(dòng)機(jī)零件檢查中的應(yīng)用

2.1 硬度檢測(cè)中硬度標(biāo)尺換算的應(yīng)用

在硬度檢測(cè)過程中，有時(shí)受限于被測(cè)樣品尺寸和形狀或檢測(cè)設(shè)備的工作條件，不能對(duì)要求的硬度標(biāo)尺進(jìn)行直接檢測(cè)。針對(duì)上述情況，在民航維修領(lǐng)域制定了專門的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即MH/T 3020—2011《金屬硬度標(biāo)尺的轉(zhuǎn)換》。例如，RB211-535E4-37型發(fā)動(dòng)機(jī)，5DM3670單元體，按發(fā)動(dòng)機(jī)廠家手冊(cè)要求，其低壓渦輪第一級(jí)盤、低壓渦輪第二級(jí)盤和低壓渦輪第三級(jí)盤的硬度值應(yīng)至少為321 HBW。由于檢測(cè)設(shè)備的限制，目前尚無滿足需求的布氏硬度計(jì)，因此可依據(jù)MH/T 3020—2011，將硬度標(biāo)尺由布氏換算為維氏，其換算硬度值為334 HV。在此基礎(chǔ)上可選擇臺(tái)式維氏硬度計(jì)作為檢測(cè)設(shè)備，輔以千斤頂式的支座，即順利完成了對(duì)其的硬度檢測(cè)工作。

2.2 硬度檢測(cè)在發(fā)動(dòng)機(jī)零件過熱檢查中的應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)在工作期間如發(fā)生超溫現(xiàn)象，首先需進(jìn)行硬度檢測(cè)以確認(rèn)其零件是否過熱。例如，件號(hào)分別為 VL29028、SETM1148、SETY555發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪盤，零件為不銹鋼材料，因該發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過高溫，根據(jù)廠家手冊(cè)要檢查榫頭前緣的有效硬度，測(cè)量圓周上相互間隔90°的四個(gè)位置。如果硬度超過321 HB(334 HV)視為可用，如果低于321 HB(334HV)則視為不可用。應(yīng)用臺(tái)式維氏硬度計(jì)對(duì)其進(jìn)行硬度檢測(cè)后，其測(cè)試硬度值如表1所示。

表1 低壓渦輪盤的維氏硬度值Table 1 Vickers hardness value of low pressure turbine disk

將以上檢測(cè)結(jié)果報(bào)某公司后，經(jīng)其核對(duì)，確認(rèn)該發(fā)動(dòng)機(jī)零件沒有過熱，可繼續(xù)使用。

3 硬度檢測(cè)在發(fā)動(dòng)機(jī)零件等離子噴涂修理中的應(yīng)用

在對(duì)RB211-535E4-37/39型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行大修時(shí)，其3DM4614單元體修理工作要求高壓渦輪一級(jí)轉(zhuǎn)子空氣封嚴(yán)零件采用metco320等離子噴涂進(jìn)行修理。同時(shí)，4DM6157單元體的高壓渦輪一級(jí)內(nèi)罩環(huán)、高壓渦輪二級(jí)內(nèi)罩環(huán)、高壓渦輪一級(jí)機(jī)匣、高壓渦輪二級(jí)機(jī)匣、高壓渦輪三級(jí)機(jī)匣、高壓渦輪四級(jí)機(jī)匣也要求采用metco320等離子噴涂進(jìn)行修理。該涂層為ALSI-BN材料，按照羅羅標(biāo)準(zhǔn)大修工藝手冊(cè)需先按等離子噴涂的標(biāo)準(zhǔn)工藝對(duì)試樣進(jìn)行噴涂。試樣材料為不銹鋼，噴涂試樣的硬度測(cè)試結(jié)果應(yīng)為45～70 HR15Y，并通過試樣的硬度值來調(diào)節(jié)等離子噴涂工藝參數(shù)，直到硬度試樣合格，再進(jìn)行金相檢查。金相檢查合格后，再將硬度試樣加熱至425℃，保溫2 h進(jìn)行時(shí)效處理，再進(jìn)行硬度檢測(cè)時(shí)其硬度值應(yīng)大于零。完成上述所有測(cè)試后，即可按選定的參數(shù)對(duì)待修發(fā)動(dòng)機(jī)零件進(jìn)行等離子噴涂修理。廠家手冊(cè)規(guī)定，最終需對(duì)所有等離子噴涂修理后的零件進(jìn)行硬度檢測(cè)，為此我們?cè)O(shè)計(jì)并加工了專用的工裝夾具，見圖1，并應(yīng)用其在臺(tái)式表面洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行測(cè)試。例如，對(duì)高壓渦輪一級(jí)機(jī)匣進(jìn)行硬度檢測(cè)，其零件見圖2，其設(shè)計(jì)的工裝見圖3，其硬度檢測(cè)見圖4。

圖1 涂層硬度檢測(cè)工裝Fig.1 The fixture of coating hardness testing

類似上述的情況還有很多，均需在其硬度檢測(cè)時(shí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的工裝。

4 硬度檢測(cè)在飛機(jī)附件大修中的應(yīng)用

硬度檢測(cè)在飛機(jī)附件大修中一般作為例行檢查程序，有時(shí)也作為過熱檢查的方法。例如，對(duì)于件號(hào)為107484-7，序號(hào)為7478的高壓級(jí)調(diào)節(jié)器，檢查要求對(duì)表面A和表面B分別進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，見圖5。硬度值必須為27～60 HRB，如果表面硬度不符合要求，必須更換部件。根據(jù)其要求，我們應(yīng)用臺(tái)式洛氏硬度計(jì)對(duì)此附件進(jìn)行檢測(cè)。另如，對(duì)件號(hào)為121666-13的主球螺桿作動(dòng)器的活門板組件也要進(jìn)行硬度檢測(cè)，其要求封嚴(yán)固化后活門板的硬度應(yīng)最小為27 HRB。在實(shí)際檢測(cè)中，我們需要設(shè)計(jì)并使用相應(yīng)的工裝夾具，以確保測(cè)試面垂直于壓頭的加載軸線。由于震動(dòng)或沖擊會(huì)增加慣性負(fù)荷，從而影響試驗(yàn)結(jié)果，還需保證初負(fù)荷及主負(fù)荷均能夠平穩(wěn)地施加在附件的表面上。

圖2 高壓渦輪一級(jí)機(jī)匣Fig.2 Stage casing of high-pressure turbine

圖3 硬度檢測(cè)工裝Fig.3 The fixture of hardness testing

圖4 涂層硬度檢測(cè)Fig.4 The testing of coating hardness

圖5 高壓級(jí)調(diào)節(jié)器Fig.5 High pressure level regulator

5 便攜式硬度計(jì)在飛機(jī)維修中的應(yīng)用

民航維修業(yè)的工作特殊性決定，我們可能在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)飛機(jī)本體及其發(fā)動(dòng)機(jī)或其他大型零件進(jìn)行硬度檢測(cè)，此時(shí)即需使用便攜式硬度計(jì)。如何根據(jù)不同的零件，不同的檢測(cè)條件，合理地選擇硬度計(jì)顯得尤為重要。例如，對(duì)大尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)零件，像燃燒室外機(jī)匣組件和IPC前軸承支撐-前軸承腔和I.G.V.組件，見圖6和圖7，通常要求對(duì)其安裝邊進(jìn)行硬度檢測(cè)，我們選擇的設(shè)備為便攜式洛氏硬度計(jì)，見圖8。

這種硬度計(jì)測(cè)量時(shí)的加載方式為直接加載，相對(duì)平整的檢測(cè)面也符合其應(yīng)用要求，且直接測(cè)量所要求的硬度標(biāo)尺，不存在硬度標(biāo)尺轉(zhuǎn)換的問題。綜上所述，相對(duì)于使用其他的設(shè)備，應(yīng)用其進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果要可靠得多。

圖6 燃燒室外機(jī)匣組件Fig.6 The casing component of combustion chamber

圖7 IPC前軸承支撐-前軸承腔和I.G.V.組件Fig.7 IPC front bearing-front bearing cavity and I.G.V.component

圖8 便攜式洛氏硬度計(jì)Fig.8 Portable Rockwell hardness tester

另如，對(duì)起落架輪軸進(jìn)行硬度檢測(cè)，考慮到其工作載荷大，以及高溫高壓高腐蝕性的惡劣工作環(huán)境，一般大修時(shí)均采用硬度檢測(cè)方式對(duì)其進(jìn)行過熱檢查。若飛機(jī)有非正常的操作，則還需到飛機(jī)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其疑似過熱區(qū)域進(jìn)行硬度檢測(cè)。因該零件外型尺寸極大，且測(cè)試部位為圓弧面，為確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們選擇了電阻式便攜式硬度計(jì)，見圖9。其工作原理為通過測(cè)量壓頭與測(cè)試樣品之間形成電路的阻值變化來量化壓痕深度，具有施加載荷小、壓痕淺的特點(diǎn)，其內(nèi)置有硬度標(biāo)尺轉(zhuǎn)換功能;且應(yīng)用前均使用與被測(cè)試樣硬度值相近的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，所以其檢測(cè)結(jié)果也是相對(duì)準(zhǔn)確的。

圖9 電阻型便攜式硬度計(jì)Fig.9 Resistance type portable hardness tester

我們?cè)鴮⑵鋺?yīng)用于件號(hào)為65B05133-27的機(jī)翼機(jī)身主架輪軸梁組件檢查中，進(jìn)行酸蝕檢查發(fā)現(xiàn)其軸面有疑似過熱現(xiàn)象，上報(bào)波音公司后，要求對(duì)硬度檢測(cè)予以確認(rèn)。該零件價(jià)值高達(dá)十余萬美元，制造材料為4340高強(qiáng)鋼，正常的硬度范圍為52～58 HRC，一旦硬度值結(jié)果低于52 HRC即認(rèn)為失效報(bào)廢。應(yīng)用電阻式便攜式硬度計(jì)對(duì)疑似過熱面進(jìn)行硬度檢測(cè)，測(cè)試值分別為 56.0、56.6、56.0、56.1、56.4 HRC。在將上述測(cè)試結(jié)果向波音公司匯報(bào)后，經(jīng)調(diào)查認(rèn)可該檢測(cè)結(jié)果并得出零件可繼續(xù)使用結(jié)論。類似的例子還有很多，均充分證明了便攜式硬度計(jì)在民航維修領(lǐng)域中廣泛和成功的應(yīng)用。

6 常用硬度測(cè)試應(yīng)注意的問題

進(jìn)行硬度檢測(cè)時(shí)，試樣表面應(yīng)平整，無銹皮、裂縫、顯著加工痕跡、凹坑及其它涂抹物。如有需要，試樣在加工或除去表面的修皮、污垢時(shí)應(yīng)保持材料原有狀態(tài)，使其組織性能不變。測(cè)試面和支撐面、壓頭表面以及載樣臺(tái)面應(yīng)清潔而無外來污物附著，試樣應(yīng)平穩(wěn)地安置在載樣臺(tái)上，檢測(cè)過程中不應(yīng)發(fā)生滑動(dòng)。對(duì)彎曲形試樣進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)將其凸面緊貼于載樣臺(tái)上，以免因彈性變形影響試驗(yàn)結(jié)果。加載過程中，確保試驗(yàn)力施加方向與試樣測(cè)試面垂直。在任何情況下，不允許壓頭與載樣臺(tái)相觸碰，在試樣支撐面及載物臺(tái)工作面上均不得有壓痕痕跡。由于洛氏和表面洛氏硬度應(yīng)用較為普遍，試樣形狀各異，所以試樣的正確安放與載物臺(tái)的恰當(dāng)選擇就成為準(zhǔn)確測(cè)量試樣硬度極為重要的條件。對(duì)于許多復(fù)雜形狀的試樣，須根據(jù)實(shí)際需要準(zhǔn)備適用的特殊載樣臺(tái)。

［1］ 何肇基.金屬的力學(xué)性質(zhì)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1982.

［2］ 四川五局.金屬材料機(jī)械性能試驗(yàn)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1983.