某系列飛機(jī)中央翼第三墻外置機(jī)匣接耳應(yīng)力腐蝕裂紋的成因與預(yù)防

趙旭，滿常厚，崔文峰（大連長豐實業(yè)有限公司，遼寧 大連 116038）

某系列飛機(jī)中央翼第三墻外置機(jī)匣接耳應(yīng)力腐蝕裂紋的成因與預(yù)防

趙旭，滿常厚，崔文峰
（大連長豐實業(yè)有限公司，遼寧 大連 116038）

目的 分析某系列飛機(jī)中央翼第三墻外置機(jī)匣接耳應(yīng)力腐蝕裂紋的成因，并進(jìn)行有針對性的預(yù)防。方法 對發(fā)生裂紋的接耳進(jìn)行端口檢測，并對應(yīng)力腐蝕條件和腐蝕環(huán)境進(jìn)行分析。結(jié)果7B04鋁合金在Cl-、超過應(yīng)力腐蝕門檻值的應(yīng)力和鍛件夾雜的共同作用下，在表面氧化膜破裂的酸性環(huán)境下發(fā)生應(yīng)力腐蝕。結(jié)論 應(yīng)當(dāng)改進(jìn)飛機(jī)修理過程中的工藝方法，并對接耳設(shè)計進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

接耳；應(yīng)力腐蝕裂紋；中央翼

某系列飛機(jī)已服役使用20余年，中央翼第三墻外置機(jī)匣接耳裂紋屬于多發(fā)性常見故障，在該系列飛機(jī)全壽命中的各個時間點幾乎都有發(fā)生。外置機(jī)匣接耳位于中央翼第三墻上，中央翼第三墻是飛機(jī)的核心承力構(gòu)件之一。該故障通過影響外置機(jī)匣拉桿張力影響到外置機(jī)匣與發(fā)動機(jī)的連接振動特性，同時也威脅到中央翼第三墻的結(jié)構(gòu)完整性，危險性較大。因此，分析外置機(jī)匣接耳裂紋的形成原因、機(jī)理和影響因素，提出針對性的預(yù)防措施對提高飛機(jī)的修理質(zhì)量，保證飛機(jī)正常使用維護(hù)和飛行安全具有重要意義。

1　故障件斷口分析

1.1故障飛機(jī)及故障的基本信息

以往的修理經(jīng)驗表明，該故障的發(fā)生頻次與服役地環(huán)境和裝配質(zhì)量密切相關(guān)。文中抽取了該故障的一個典型案例，對裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。故障飛機(jī)和故障件的基本情況如下。

該機(jī)自服役起分別駐于遼寧沿海某地和廣東沿海某地，服役地環(huán)境較為嚴(yán)酷。20XX年X月X日，該機(jī)更換外置機(jī)匣，3日后某團(tuán)質(zhì)控室報告發(fā)現(xiàn)中央翼第三墻左發(fā)動機(jī)外置機(jī)匣垂直接耳的左側(cè)耳片裂紋。裂紋長度約15 mm，從孔邊向下、沿近似內(nèi)孔徑向方向延伸至接耳邊緣，穿透耳片厚度，如圖1所示。

圖1　發(fā)生裂紋的接耳Fig.1 The attachment with cracking

外置機(jī)匣接耳位于中央翼第三墻上。中央翼第三墻由7B04 T6狀態(tài)的50 mm厚模鍛件機(jī)加工制成，準(zhǔn)許使用厚板機(jī)加工制成，材料纖維方向沿飛機(jī)翼展方向。中央翼第三墻表面處理狀態(tài)為表面陽極化、重鉻酸鹽填充并噴涂TB06-9底漆兩遍，但接耳內(nèi)孔壁表面不噴涂底漆。接耳內(nèi)嵌14Cr17Ni2襯套，孔軸配合公差H9/u8，為過渡配合。

1.2失效分析報告

依據(jù)GB/T 17359—1998《電子探針和掃描電鏡X射線能譜定量分析通則》和GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》對樣品采用卡爾·蔡司Supra55場發(fā)射電子顯微鏡進(jìn)行斷口檢測。

斷口表面放入含洗滌劑的熱水中進(jìn)行超聲波清洗。在洗滌熱水中浸泡、刷洗斷口表面，并在超聲波攪動的丙酮中清洗，然后進(jìn)行干燥處理。

斷口形貌為典型的Cl-環(huán)境下應(yīng)力腐蝕斷口上的泥狀花樣，其特征為干裂的泥塊（如圖2所示），是應(yīng)力腐蝕的典型金屬顯微組織特征。

圖2　500倍掃描電子顯微鏡下的泥狀花樣斷口Fig.2 Mud-like fracture under 500X scanning electron microscope

能譜定量分析結(jié)果（見表1）表明，斷口含有石英、鈉長石、二硫化亞鐵、硅灰石等冶煉雜質(zhì)，屬于中央翼第三墻的鍛件夾雜。這些雜質(zhì)不僅導(dǎo)致構(gòu)成接耳的母材原有抗拉強(qiáng)度下降，而且在含有Cl-的服役環(huán)境下，會使接耳沿夾雜物的界面發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的傾向性大幅度增加。

表1　能譜定量分析結(jié)果Table 1 The result of energy spectrum analysis

2　應(yīng)力腐蝕裂紋主要條件成因分析

應(yīng)力腐蝕是指合金材料或構(gòu)件在靜應(yīng)力（主要是拉應(yīng)力）與腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生的脆性斷裂。從機(jī)匣接耳的環(huán)境條件、材質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)等情況分析，該故障具備應(yīng)力腐蝕開裂的所有條件。

2.1Cl-的來源

Holroyd等[1]認(rèn)為7XXX鋁合金在NaCl溶液中發(fā)生應(yīng)力腐蝕，Cl-是裂紋縫隙中Al3+發(fā)生水化反應(yīng)的特定介質(zhì)。通常濕度高、含鹽量大的海洋大氣是Cl-的主要來源。

不同組別的實驗表明[2]：以海南萬寧和青島團(tuán)島為代表的海洋大氣環(huán)境中的鋁合金，應(yīng)力腐蝕敏感性遠(yuǎn)高于以北京為代表的大陸大氣環(huán)境。海洋大氣中含有的鹽霧顆粒，落在飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面極易吸潮，在金屬表面形成的水膜中含有大量的Cl-。圖3給出了大氣中的Cl-含量對2A12和7A04鋁合金腐蝕速度的影響[3]，曲線1，2分別是2A12，7A04在潔凈大氣中的腐蝕曲線，曲線3是7A04在含1%Cl-大氣中的腐蝕曲線，曲線4是2A12在含1%Cl-大氣中的腐蝕曲線。作為7A04的改型合金，7B04的成分與7A04接近，圖3中7A04的結(jié)論對7B04在Cl-作用下的腐蝕速度具有參照意義。

圖3　大氣中Cl-含量對2A12和7A04腐蝕速度的影響Fig.3　The influence of Cl-content in atmosphere on the corrosion rates of 2A12 and 7A04

該故障機(jī)在沿海地區(qū)服役，經(jīng)常在潮濕的海洋大氣環(huán)境中飛行，長期處于Cl-含量較高的腐蝕環(huán)境中。另外，在飛機(jī)維修工藝中，脫漆劑作為另一個Cl-的來源不容忽視。該系列飛機(jī)特檢、大修和專檢工作時，脫漆工序中使用的脫漆劑中，CH2Cl2的含量占75%。CH2Cl2長期與水接觸會發(fā)生緩慢分解，亦會在大氣中發(fā)生快速光解，產(chǎn)生CO和光氣，進(jìn)而產(chǎn)生CO2和HCl。CH2Cl2作為脫漆劑的主要成分，其分解產(chǎn)物殘留在接耳內(nèi)孔表面與襯套之間的縫隙內(nèi)難以排除。加之故障部位距發(fā)動機(jī)的啟動機(jī)排氣口較近，發(fā)動機(jī)啟動時產(chǎn)生的高溫火焰和氣體加速了殘留的CH2Cl2分解。

可見，海洋大氣是斷口表面層中Cl-的主要來源，脫漆劑分解也會產(chǎn)生Cl-。發(fā)生裂紋的接耳內(nèi)表面僅作硫酸陽極化和重鉻酸鹽填充處理，不噴涂底漆，而且接耳內(nèi)嵌的14Cr17Ni2襯套與接耳內(nèi)表面存在的微小間隙，使得附著于接耳內(nèi)表面的含Cl-水膜難以排出，造成接耳長期直接與含Cl-的溶液接觸。

2.2工業(yè)大氣腐蝕

一般城市空氣中塵埃含量約2 mg/m3，工業(yè)區(qū)空氣中塵埃含量可達(dá)1000 mg/m3。另外，工業(yè)大氣中還含有大量的腐蝕性氣體。

落在金屬表面上的大氣塵埃，具有毛細(xì)管凝聚作用，特別容易在金屬表面結(jié)露，形成電化學(xué)腐蝕。工業(yè)大氣中的SO2對金屬的腐蝕影響最大，SO2對鋁合金大氣腐蝕的影響如圖4所示[3]。在干燥空氣中鋁合金受SO2的影響很小，但在高濕度的工業(yè)大氣中影響就很大，當(dāng)相對濕度超過76%時，腐蝕速度急劇增快。

圖4　2A12的大氣腐蝕速度Fig.4 The corrosion rates in atmosphere of 2A12

相關(guān)實驗和研究指出[4—5]，工業(yè)大氣中的SO2及其產(chǎn)物對以Cl-為特定介質(zhì)的7A04鋁合金腐蝕具有促進(jìn)作用，而非兩種單一介質(zhì)腐蝕作用的簡單疊加。在Cl-和H SO3-同時存在的情況下，Cl-能更加有效地產(chǎn)生點蝕源，破壞7A04表面的氧化膜，并形成表面積更大蜂窩狀結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步容納更多的腐蝕介質(zhì)。

根據(jù)國家環(huán)保局對遼寧某地20XX年X月以前的空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果，影響該地空氣質(zhì)量的主要污染物按照出現(xiàn)頻度依次為SO2和可吸入顆粒物（主要為工業(yè)塵埃）。根據(jù)遼寧省氣象局每年發(fā)布的《大氣成分綜合評估報告》，自20XX年以來，遼寧省以SO2為污染源的酸雨發(fā)生頻率呈逐年增加趨勢。

該機(jī)服役地及周邊市縣的酸雨問題尤為嚴(yán)重。該地所處地區(qū)的氣候為溫帶季風(fēng)性海洋氣候，全年至少一半的時間里其相對濕度超過70%。故障機(jī)自投入使用起，在該地服役近10年。以往的修理經(jīng)驗表明，長期服役于遼寧某地的飛機(jī)，各類金屬零件表面的坑蝕和酸蝕比較嚴(yán)重，飛機(jī)故障的地域特性比較明顯。

2.3靜應(yīng)力的來源

對于應(yīng)力腐蝕類失效而言，通常存在一個觸發(fā)應(yīng)力腐蝕的敏感值，這個敏感值稱為門檻值。零件的工作應(yīng)力在門檻值內(nèi)時，不會觸發(fā)應(yīng)力腐蝕。因此，必然有一個超出應(yīng)力腐蝕門檻值的恒定拉應(yīng)力作用于接耳的裂紋位置。有研究表明[6]，7B04鋁合金在T6狀態(tài)下的應(yīng)力腐蝕門檻值僅為120 MPa，但T74狀態(tài)的門檻值為300 MPa，T73狀態(tài)的應(yīng)力腐蝕敏感性最小，且T74狀態(tài)和T73狀態(tài)的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率明顯低于T6狀態(tài)。

發(fā)生裂紋的耳片孔與內(nèi)嵌襯套外徑的尺寸配合為Φ17 H9/u8，配合性質(zhì)為過渡配合。在飛機(jī)制造階段開始，襯套即對孔壁向外形成均勻的擠壓應(yīng)力，實質(zhì)上降低了耳片用于承載的剩余可用應(yīng)力值。

通過外場服務(wù)人員的走訪得知，該故障機(jī)在最近一次更換發(fā)動機(jī)外置機(jī)匣時，機(jī)組人員曾經(jīng)將與裂紋接耳相連的拉桿強(qiáng)制裝配，在調(diào)整外置機(jī)匣柔性軸振動特性時又再次將該拉桿調(diào)整螺母擰緊，導(dǎo)致作用在單個耳片上的拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于120 MPa。

相關(guān)研究表明[7]，7B04在C型應(yīng)力腐蝕試件中，各項要素滿足時，最短100 h即可發(fā)生目視可以檢出的裂紋。該機(jī)最近一次更換外置機(jī)匣的時間為20XX年X月X日，此后第3天檢查時即發(fā)現(xiàn)目視可見裂紋。比對其他未見故障的飛機(jī)可見，在超出門檻值的靜應(yīng)力中，發(fā)動機(jī)外置機(jī)匣拉桿的裝配應(yīng)力起到了重要作用，成為最終觸發(fā)應(yīng)力腐蝕的條件。

2.4鍛件的設(shè)計缺陷

通常情況下，在鍛件的設(shè)計中應(yīng)注意鍛造纖維方向的設(shè)計。在一般情況下，受拉（壓）力的方向應(yīng)與纖維方向一致，受剪力的方向應(yīng)與纖維方向垂直。接耳類零件的正確設(shè)計如圖5所示[3]。

圖5　正確的模鍛件機(jī)加工接耳設(shè)計Fig.5　The correct design for attachment machining from stamp forgings

受限于整個飛機(jī)的核心承載結(jié)構(gòu)，中央翼第三墻的鍛件纖維方向只能平行于飛機(jī)翼展方向，而接耳承受的拉應(yīng)力方向只能違背這一基本設(shè)計準(zhǔn)則、垂直于整個中央翼第三墻的鍛件纖維方向。鍛件在垂直于纖維方向上的拉應(yīng)力承載能力通常低于平行纖維方向約10%～15%。這一不得以而為之的設(shè)計缺陷，降低了發(fā)生裂紋處接耳的抗拉強(qiáng)度，也導(dǎo)致裂紋成核后在垂直纖維方向上的拉應(yīng)力作用下迅速擴(kuò)展。

該故障的排除措施采用了帶接耳的30CrMnSiA加筋盒形件，代替了原有的故障接耳和與接耳相連的垂直筋條。盒形件通過密封螺接的方式與中央翼第三墻腹板連接，將垂直于鍛件纖維方向的拉應(yīng)力通過螺栓轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇阱懠w維方向的剪應(yīng)力，從而滿足了鍛件纖維方向的基本設(shè)計要求，從根本上解決了這一設(shè)計缺陷。

2.5冶煉夾雜物

7B04為可熱處理強(qiáng)化的Al-Zn-Mg-Cu合金，失效分析報告中斷口表面夾雜了石英、鈉長石、二硫化亞鐵、硅灰石等成分。

7XXX鋁合金中的Fe元素和Si元素雜質(zhì)形成的粗大相，因為與基體間存在電位差而形成電偶腐蝕，導(dǎo)致陽極溶解、陰極析氫[8]。陽極溶解為應(yīng)力腐蝕提供裂紋源，而陰極析氫促進(jìn)裂紋發(fā)展。

3　應(yīng)力腐蝕機(jī)理與腐蝕環(huán)境成因

鋁合金的應(yīng)力腐蝕過程復(fù)雜而且影響因素眾多，如應(yīng)力狀態(tài)、熱處理狀態(tài)、表面處理狀態(tài)和環(huán)境條件等，幾十年來的研究尚未對其機(jī)理達(dá)成一致。目前較為常見的理論有氫至破裂理論、鈍化膜破裂理論、陽極溶解理論和Mg-H相互作用理論[9]等。對于7B04等高強(qiáng)鋁合金，氫至破裂理論和陽極溶解理論得到了比較普遍的認(rèn)同。

任廣軍等[10]認(rèn)為高強(qiáng)鋁合金的應(yīng)力腐蝕機(jī)理是電化學(xué)性質(zhì)的，合金在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的作用下，表面的氧化膜被破壞，破損處的合金基體相對于氧化膜為陽極，金屬原子溶解為離子形成裂紋。接耳內(nèi)孔鑲嵌的襯套與內(nèi)孔的配合性質(zhì)為過渡配合，襯套壓入接耳時的刮擦可能導(dǎo)致接耳內(nèi)孔表面的陽極化保護(hù)膜發(fā)生破損；在脫漆工序中，反復(fù)使用鋼絲刷或鋼絲球?qū)ΚM小空間內(nèi)漆層清除，會直接導(dǎo)致陽極化保護(hù)膜破損。陽極化保護(hù)膜破損后，合金基體暴露形成陽極，電化學(xué)腐蝕開始、裂紋形成。

Gruhl等[11]認(rèn)為7XXX系列鋁合金會在水溶液介質(zhì)中因氫脆產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，在水溶液介質(zhì)中陰極反應(yīng)產(chǎn)生H，H通過晶界在合金內(nèi)部擴(kuò)散，導(dǎo)致晶界強(qiáng)度下降。同時，Holroyd等[2]認(rèn)為，裂紋內(nèi)部的介質(zhì)條件與調(diào)質(zhì)處理無關(guān)，而與溶液的酸堿度有關(guān)，水化反應(yīng)在酸性條件下于裂紋側(cè)壁上生成Al（OH）2Cl和Al（OH）3· H2O之類的凝膠，從而形成鈍化保護(hù)，使得陽極溶解只能在裂紋尖端發(fā)生，從而促進(jìn)了內(nèi)部裂紋的發(fā)展。脫漆劑的溶劑CH2Cl2發(fā)生分解反應(yīng)產(chǎn)生HCl形成H+，工業(yè)大氣中的SO2在海洋大氣中溶解，共同形成酸性水膜環(huán)境，形成了氫至破裂理論中腐蝕環(huán)境。因此，脫漆工序中脫漆劑的成分、工業(yè)大氣形成的酸性水膜和工藝方法與腐蝕環(huán)境的成因直接相關(guān)。表面陽極化工序完成后，對接耳內(nèi)孔表面產(chǎn)生可能的非預(yù)期加工的其他工序也可能產(chǎn)生腐蝕環(huán)境。

4　預(yù)防措施

脫漆工序中殘留的CH2Cl2分解和海洋大氣產(chǎn)生了Cl-，強(qiáng)制裝配在不盡合理的熱處理狀態(tài)、鍛件設(shè)計缺陷和冶煉雜質(zhì)的共同作用下產(chǎn)生了超過應(yīng)力腐蝕門檻值的過大拉應(yīng)力。這些是構(gòu)成應(yīng)力腐蝕的兩個必要條件，而且工業(yè)大氣中的SO2促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕。

壓入襯套時的非預(yù)期加工、脫漆工序中對氧化膜的刮擦、脫漆劑中CH2Cl2的分解和工業(yè)大氣與海洋大氣共同形成的酸性水膜，共同組成了應(yīng)力腐蝕的外部腐蝕環(huán)境。因此，有必要對上述觸發(fā)應(yīng)力腐蝕的條件和環(huán)境采取有針對性的措施，改進(jìn)飛機(jī)修理過程中的工藝方法和對接耳設(shè)計進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

1）在外置機(jī)匣的安裝過程中，強(qiáng)制裝配對機(jī)體結(jié)構(gòu)和拉桿的連接安全危害性較大，應(yīng)在工作中避免。

2）外置機(jī)匣通過5個連接點和6根拉桿固定在飛機(jī)上，調(diào)整外置機(jī)匣柔性軸的振動特性時，不能只調(diào)整其中的某兩三個點或拉桿，應(yīng)當(dāng)使用限力扳手限制調(diào)節(jié)螺母的預(yù)緊力，從而限制單一拉桿的拉力。

3）在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，將熱處理狀態(tài)由T6改為T74。

4）適當(dāng)加大耳片的厚度，降低耳片上承受的應(yīng)力值。

5）在滿足發(fā)動機(jī)外置機(jī)匣接耳連接要求和柔性軸振動特性的情況下，適當(dāng)改動接耳內(nèi)孔和內(nèi)嵌襯套之間的公差帶，以降低內(nèi)孔和襯套之間的干涉量，從而消除因過緊的配合帶來的附加擠壓應(yīng)力。

6）參照故障排除方案，改變接耳的加工方式，改整體機(jī)加工模鍛件為兩個不同的零件的螺接，改接耳短橫向受拉為第三墻腹板短橫向受剪。

7）更換脫漆劑，使用易揮發(fā)或分解不產(chǎn)生Cl-的脫漆劑。

8）安裝襯套前在接耳內(nèi)孔表面涂TB06-9底漆或其他功能性涂料，封閉接耳內(nèi)孔表面。

9）在脫漆工序中禁止使用鋼絲刷或者鋼絲球，改為擦除效果較好的聚氨酯泡沫等柔性材料。

此外，近年來出現(xiàn)的非等溫時效處理[12]、稀土轉(zhuǎn)化膜處理[13]、合金表面激光處理[14]、回歸再時效工藝[15]和刷涂水置換型緩蝕劑[16—17]等新技術(shù)和新工藝，有效地改善了7XXX系列鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕能力，值得深入研究和進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的嘗試。

5　結(jié)論

該故障機(jī)中央翼第三墻發(fā)動機(jī)外置機(jī)匣接耳裂紋的成因為：在氯離子和超過應(yīng)力腐蝕門檻值的靜應(yīng)力以及鍛件夾雜的共同作用下發(fā)生的應(yīng)力腐蝕；同時，修理過程中的工藝過程在海洋大氣和工業(yè)大氣的共同作用下形成了腐蝕環(huán)境。該故障件的產(chǎn)生原因在某系列飛機(jī)同類故障中具有代表意義，該故障在日常維修中予以關(guān)注并采取適當(dāng)?shù)拇胧┦强梢灶A(yù)防的。

必須指出的是，以7B04為代表的Al-Zn-Mg-Cu合金在第三代戰(zhàn)斗機(jī)的核心結(jié)構(gòu)件上大量使用，相信有更多的結(jié)構(gòu)件具備觸發(fā)應(yīng)力腐蝕的基本條件。因此，需要在修理實踐中對應(yīng)力腐蝕問題給予足夠的重視，并采取適當(dāng)?shù)那爸眯源胧?，以預(yù)防災(zāi)難性失效的發(fā)生。

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Causes and Prevention of Stress Corrosion Cracking in the
Accessory Gearbox Attachment on Central Wing Box′s Third Wall for a Series of Aircraft

ZHAO Xu，MAN Chang-hou，CUI Wen-feng
（Dalian Changfeng Industrial Co.，Ltd.，Dalian 116038，China）

Objective To analyze the causes for stress corrosion cracking in the accessory gearbox attachment on central wing box′s third wall for a series of aircraft and to propose corresponding precautions.Methods Fracture detection on the external casing attachment and analysis of the stress corrosion conditions and corrosive environments were conducted.Results With the combined action of Cl-,stress that exceeded K1SCC and slag inclusions in the forgings,stress corrosion of the 7B04 aluminium alloy occurred under the acidic condition when the surface oxide film broke.Conclusion The techniques and ways of repairing aircrafts should be improved and moderate modifications on the design of the external casing attachment should be conducted.

accessory gearbox attachment；stress corrosion cracking；central wing

2015-10-22；Revised：2015-12-02

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.014

TJ07；TG174

A

1672－9242（2016）01－0073-06

2015-10-22；

2015-12-02

趙旭（1985—），男，遼寧大連人，本科，助理工程師，主要研究方向為飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理技術(shù)。

Biography：ZHAO Xu（1985—），Male，from Dalian，Liaoning，Bachelor′s degree，Assistant engineer，Research focus：structure repairing technologies for airplane.