某型飛機(jī)高強(qiáng)度鋼平尾轉(zhuǎn)軸零件氫脆危害性分析與預(yù)防措施

齊 磊，萬里鵬，趙 影

（中國航空工業(yè)洪都，江西 南昌330024）

某型飛機(jī)高強(qiáng)度鋼平尾轉(zhuǎn)軸零件氫脆危害性分析與預(yù)防措施

齊 磊，萬里鵬，趙 影

（中國航空工業(yè)洪都，江西 南昌330024）

某型飛機(jī)高強(qiáng)度鋼平尾轉(zhuǎn)軸零件在磁粉檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分表面區(qū)域因氫脆導(dǎo)致密集分布的裂紋缺陷，本文結(jié)合平尾轉(zhuǎn)軸零件制造工藝過程及失效分析結(jié)果，通過研究氫脆機(jī)理，采取試驗(yàn)驗(yàn)證的方式找出氫脆規(guī)律，并開展預(yù)防性研究。

高強(qiáng)度鋼；平尾轉(zhuǎn)軸；氫脆；裂紋缺陷

0 引言

平尾轉(zhuǎn)軸零件是連接某型飛機(jī)平尾與機(jī)身的主要受力件和關(guān)鍵件，其加工過程難度大、質(zhì)量難以控制，特別是其疲勞耐久性、可靠性將直接影響飛行安全，在對該零件進(jìn)行磁粉檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，部分表面區(qū)域存在密集分布的裂紋缺陷顯示，經(jīng)對制造工藝過程清查及失效分析，找出造成平尾轉(zhuǎn)軸零件裂紋的主要原因是由于在內(nèi)部應(yīng)力作用下導(dǎo)致的氫脆開裂引起，本文通過對氫脆機(jī)理的研究及試驗(yàn)驗(yàn)證等論述了氫脆產(chǎn)生的過程及危害性，并提出了預(yù)防的方法與措施。

1 平尾轉(zhuǎn)軸零件制造工藝過程及失效分析

1.1 平尾轉(zhuǎn)軸零件特殊工藝

平尾轉(zhuǎn)軸零件見圖1。

該平尾轉(zhuǎn)軸零件選用30CrMnSiNi2A高強(qiáng)度鋼，熱處理要求σb為1665±100MPa，為提高平尾轉(zhuǎn)軸零件表面質(zhì)量及防腐效果，對零件表面采用了電鍍工藝，依據(jù)HB 5033-1977《鍍層和化學(xué)覆蓋層的選擇原則與厚度系列》規(guī)定，鋼制零件表面鍍硬鉻厚度在1μm～80μm范圍內(nèi)均能滿足不同潤滑及摩擦條件下的使用要求，故選擇電鍍鍍層厚度為40μm。

1.2 平尾轉(zhuǎn)軸零件制造工藝過程

平尾轉(zhuǎn)軸零件采用常規(guī)工藝方法，其主要過程為自由鍛件機(jī)械粗加工、淬火+回火、機(jī)械精加工、磨削、消除應(yīng)力回火、電鍍、除氫、消除應(yīng)力回火，相關(guān)熱處理要求按HB/Z 136-88《航空結(jié)構(gòu)鋼熱處理工藝》執(zhí)行，電鍍工藝按HB/Z 5072-1992《電鍍鉻工藝》執(zhí)行。

1.3 失效分析

某權(quán)威機(jī)構(gòu)針對發(fā)生裂紋的平尾轉(zhuǎn)軸零件進(jìn)行了外觀檢查、磁力探傷，并對裂紋及斷口形貌進(jìn)行了宏微觀觀察，同時(shí)，還進(jìn)行了殘余應(yīng)力、組織、硬度、化學(xué)成分、力學(xué)性能等檢測，發(fā)現(xiàn)平尾轉(zhuǎn)軸零件裂紋的性質(zhì)為脆性開裂，裂紋產(chǎn)生于最后一道去應(yīng)力回火工序之前，磁探裂紋缺陷顯示見圖2，1000倍、1600倍電子顯微觀察表面裂紋形貌，呈現(xiàn)交互連成的網(wǎng)狀裂紋見圖3，平尾轉(zhuǎn)軸零件脆性開裂主要與非正常磨削及未及時(shí)去應(yīng)力回火有關(guān)；平尾軸開裂部位未見冶金、組織缺陷，其力學(xué)性能、化學(xué)成分符合技術(shù)條件要求。

根據(jù)失效分析結(jié)果，導(dǎo)致脆性開裂的主要原因是電鍍及除氫過程中溶入金屬的氫沒能及時(shí)釋放出來，在非正常磨削產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力作用下導(dǎo)致氫脆開裂[1]。

2 氫脆的機(jī)理及危害性

2.1 氫脆的機(jī)理

氫脆是指在金屬凝固的過程中，溶入其中的氫沒能及時(shí)釋放出來，向金屬中缺陷附近擴(kuò)散，到室溫時(shí)原子氫在缺陷處結(jié)合成分子氫并不斷聚集，從而在巨大的應(yīng)力作用下，使金屬發(fā)生裂紋，裂紋斷口形貌見圖4，氫脆通常表現(xiàn)為應(yīng)力作用下的延遲開裂。

金屬中的原子是按一定的規(guī)則周期性排列起來的，稱為晶格，原子氫一般處于金屬原子之間的間隙中，晶格發(fā)生原子錯(cuò)排的局部地方稱為位錯(cuò)，氫原子易于聚集在位錯(cuò)附近。金屬材料受外力作用時(shí)，材料內(nèi)部的應(yīng)力分布是不均勻的，在材料外形迅速過渡區(qū)域或在材料內(nèi)部缺陷和微裂紋處會發(fā)生應(yīng)力集中。在應(yīng)力梯度作用下氫原子在晶格內(nèi)擴(kuò)散或跟隨位錯(cuò)運(yùn)動向應(yīng)力集中區(qū)域，由于氫和金屬原子之間的交互作用使金屬原子間的結(jié)合力變?nèi)酰@樣在氫聚集區(qū)會萌生出裂紋并擴(kuò)展，導(dǎo)致了氫脆斷裂[2]。

高強(qiáng)度鋼與氫有較大的親和力，過飽和氫與金屬原子易結(jié)合生成氫化物，或在外力作用下應(yīng)力集中區(qū)域聚集的高濃度氫與金屬原子結(jié)合生成氫化物。氫化物是一種脆性組織，在外力作用下往往成為斷裂源，從而導(dǎo)致脆性斷裂。

2.2 氫脆的危害性

氫聚集會通過三種方式導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼基體損壞，一是高強(qiáng)度鋼表面吸氫，導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼基體損壞；二是氫在應(yīng)力作用下，分散到應(yīng)力集中區(qū)域構(gòu)成氫化物，微裂紋在應(yīng)力作用下分散貫通，導(dǎo)致氫脆開裂；三是假如氫的分散速度較慢，氫化物主要集中在高強(qiáng)度鋼表面，則外表面氫化物會發(fā)生脫落致使腐蝕加速。無論通過何種方式，均會大幅降低基體耐疲勞性和可靠性，造成安全隱患，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致飛行等級事故。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證30CrMnSiNi2A高強(qiáng)度鋼電鍍鍍層厚度、除氫、電鍍、除氫間隔時(shí)間分別與發(fā)生氫脆之間的關(guān)系，特制作了9根試樣（直徑為Φ5mm鋼棒）進(jìn)行電鍍硬鉻氫含量測試及氫脆性檢測試驗(yàn)。

除9#試樣外，其余8根試樣均按照平尾轉(zhuǎn)軸零件制造工藝過程經(jīng)過了熱處理、磨削及布輪拋光工序，其中1#、2#、3#試樣電鍍厚度為40μm～60μm，1#試樣電鍍與除氫時(shí)間間隔不大于20min，2#試樣電鍍與除氫時(shí)間間隔在240min～250min之間，3#試樣未進(jìn)行除氫；4#、5#、6#、8#試樣電鍍厚度為100μm～120μm，4#試樣電鍍與除氫時(shí)間間隔不大于20min，5#試樣電鍍與除氫時(shí)間間隔在240min～250min之間，6#試樣未進(jìn)行除氫,8#試樣電鍍與除氫時(shí)間間隔230min；7#試樣不進(jìn)行電鍍；9#試樣為未進(jìn)行加工的自由鍛件毛坯。30CrMnSiNi2A高強(qiáng)度鋼電鍍硬鉻氫含量測試試驗(yàn)試樣情況見圖5，測試試驗(yàn)工況見表1。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

9根試樣按試驗(yàn)策劃完成機(jī)械加工、熱處理、電鍍、除氫工藝后，對每根試樣進(jìn)行氫脆性檢測試驗(yàn)，并在每根試樣上制取3個(gè)小試樣對氫含量進(jìn)行測試，1#～9#試樣氫含量測試及氫脆性檢測結(jié)果測試結(jié)果見表2。

表1 30CrMnSiNi2A高強(qiáng)度鋼電鍍硬鉻氫含量測試試驗(yàn)工況

表2 1#～9#試樣氫含量測試及氫脆性檢測結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

對氫脆相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)進(jìn)行查檔，均未有說明氫含量水平達(dá)到多少濃度時(shí)會導(dǎo)致氫致延遲開裂，但當(dāng)發(fā)生氫延遲開裂時(shí)，一定會發(fā)現(xiàn)氫元素的存在。

從氫含量測試及氫脆性檢測工藝試驗(yàn)結(jié)果來看，雖然氫含量測試結(jié)果離散性較大，但是從定性角度來看可以得出如下規(guī)律：

1）電鍍后不除氫的試樣氫含量水平與電鍍后正常除氫的試樣相比，氫含量水平呈幾何數(shù)量級數(shù)水平上升，未進(jìn)行除氫的3#、6#試樣氫含量分別高達(dá)31.57、63.6ppm；除氫的1#、2#、4#、5#、8#試樣氫含量分別為3.13、3.67、15.43、10.57、4.9ppm；僅經(jīng)過熱處理、磨削及布輪拋光工序，未進(jìn)行電鍍的7#試樣氫含量為4.3ppm；未進(jìn)行加工的自由鍛件毛坯氫含量為1.7ppm。

2）對9根試樣，按HB5067.1-2005《鍍覆工藝氫脆試驗(yàn)第1部分：機(jī)械方法》加載200h，其中電鍍后未進(jìn)行除氫的3#、6#試樣均發(fā)生斷裂，不能通過鍍鉻層氫脆性檢測，而經(jīng)過除氫的及未進(jìn)行電鍍的其它試樣均能通過鍍鉻層氫脆性檢測。

3）電鍍鍍層越厚，氫含量普遍較高，印證了表面鍍層在一定程度上會起到氫擴(kuò)散屏障作用，將阻礙氫向高強(qiáng)度鋼零件外部擴(kuò)散。

4）電鍍后除氫間隔時(shí)間對氫含量無直接影響，也可能是試樣樣本量不足，未能找到相關(guān)規(guī)律，但按照HB/Z 5072-1992《電鍍鉻工藝》，抗拉強(qiáng)度σb大于1240MPa的金屬電鍍后除氫間隔時(shí)間應(yīng)不大于4h，可判斷電鍍后除氫間隔時(shí)間越大，除氫效果越不佳。

4 預(yù)防措施

根據(jù)氫脆機(jī)理，氫脆過程本身不可逆，也就是說，氫脆只可預(yù)防不可糾正，可通過降低高強(qiáng)度鋼氫含量和降低高強(qiáng)度鋼內(nèi)部殘余應(yīng)力兩種方式來預(yù)防。

4.1 減少高強(qiáng)度鋼中滲氫數(shù)量

盡量減少高強(qiáng)度鋼制零件的酸洗，因?yàn)樗嵯纯杉觿浯?。在除銹和氧化皮時(shí)，盡量采用噴砂噴瓦的方法。一定要進(jìn)行酸洗時(shí)，若洛氏硬度等于或大于HRC32的高強(qiáng)度鋼制零件，必須在制定酸洗工藝時(shí)確保零件在酸中浸泡的時(shí)間最長不超過10min，且盡量降低酸液的濃度；在除油時(shí)，采用清洗劑或溶劑除油等化學(xué)除油方式，滲氫量較少，若采用電化學(xué)除油，先陰極后陽極，高強(qiáng)度鋼制零件不允許用陰極電解除油；在熱處理時(shí)，嚴(yán)格控制甲醇和丙烷的滴注量；在電鍍時(shí)，堿性鍍液或高電流效率的鍍液滲氫量較少[3]。

4.2 采用低氫擴(kuò)散性和低氫溶解度的鍍涂層

在電鍍鉻（Cr）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、鎳（Ni）、錫（Sn）、鉛（Pb）時(shí)，滲入高強(qiáng)度鋼制零件的氫容易殘留下來，而銅（Cu）、鉬（Mo）、鋁（Al）、銀（Ag）、金（Au）、鎢（W）等金屬鍍層具有低氫擴(kuò)散性和低氫溶解度，滲氫較少[4]。在滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求的情況下，可采用不會造成滲氫的涂層，如機(jī)械鍍銅或無鉻鋅鋁涂層，不會發(fā)生氫脆，耐腐蝕性高，附著力好，且比電鍍環(huán)保。

4.3 鍍前去應(yīng)力和鍍后去氫以消除氫脆隱患

若零件經(jīng)淬火、焊接、粗暴磨削等工序后內(nèi)部殘余應(yīng)力較大，鍍前、鍍后均應(yīng)進(jìn)行回火處理，回火應(yīng)力實(shí)際上可以減少零件內(nèi)的缺陷數(shù)量，從而減輕發(fā)生氫脆的隱患[5]。在電鍍過程中滲氫較多的高強(qiáng)度鋼零件原則上應(yīng)盡快除氫，因?yàn)殄儗又械臍浜突w表層中的氫在向基體內(nèi)部擴(kuò)散，其數(shù)量隨時(shí)間的延長而增加。

4.4 控制鍍層厚度

由于鍍層覆蓋在高強(qiáng)度鋼制零件表面，在一定程度上會起到氫擴(kuò)散屏障作用，可阻礙氫向高強(qiáng)度鋼零件外擴(kuò)散。當(dāng)鍍層厚度超過2.5μm時(shí)，氫從高強(qiáng)度鋼零件中擴(kuò)散出去就非常困難了。因此硬度小于32HRC的高強(qiáng)度鋼零件，鍍層厚度應(yīng)控制在12μm以下；硬度大于等于32HRC的高強(qiáng)度鋼零件，鍍層厚度應(yīng)控制在8μm以下，因此要求在零件設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮高強(qiáng)度鋼的氫脆風(fēng)險(xiǎn)，合理選用鍍層種類和鍍層厚度。

5 結(jié)語

平尾轉(zhuǎn)軸零件作為某型飛機(jī)平尾與機(jī)身的主要受力件和關(guān)鍵件，其氫脆開裂將直接影響飛行安全，通過對平尾轉(zhuǎn)軸零件工藝過程與失效分析及對氫脆機(jī)理與危害性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，探討了氫脆產(chǎn)生過程，并提出了相應(yīng)預(yù)防措施，可有效降低氫脆發(fā)生概率，以避免應(yīng)氫脆斷裂導(dǎo)致飛行等級事故。

[1]孔煥平,劉德林.平尾軸裂紋失效分析.中航工業(yè)集團(tuán)公司失效分析中心.2014,7.

[2]劉白.30CrMnSiA高強(qiáng)度鋼氫脆斷裂機(jī)理研究.機(jī)械工程材料,2001,25(9).

[3]余志剛,黨恩,嚴(yán)富學(xué).氫脆對低合金高強(qiáng)度鋼沖擊韌性的影響.第九次全國熱處理大會論文集. 2007,9.

[4]潘川,楮武揚(yáng),李正邦，等.氫和氫致馬氏體導(dǎo)致不銹鋼氫脆的定量研究[J].中國科學(xué)（E輯）, 2002,32(3).

[5]FraetegraPhyinFailureAnalysis.1978,P41.

>>>作者簡介

齊磊，男，1979年12月出生，2015年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，碩士，高級工程師，現(xiàn)從事質(zhì)量管理工作。

摘 要：某型飛行模擬器在進(jìn)行駕駛員操縱裝置靜態(tài)特性測試過程中，發(fā)現(xiàn)其縱向、橫向的桿力——桿位移曲線呈非線性變化，與理論的線性梯度曲線不符。本文通過LMS Virtual.Lab軟件對相關(guān)對象進(jìn)行了仿真分析，找到了出現(xiàn)非線性問題的原因，提出了可行性的解決方案，并對其方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：飛行模擬器；仿真；非線性；

Hazard Analysis and Prevention Measures for Hydrogen Embrittlement of High-Strength Steel Horizontal Stabilizer Shaft in Certain Aircraft

Qi Lei,Wan Lipeng,Zhao Ying
（AVIC-HONGDU，Nanchang,Jiangxi，330024）

Close distributed cracks caused by hydrogen embrittlement are found on some surfaces during the magnetic particle testing for high-strength steel horizontal shaft of certain aircraft.By combining the manufacturing process and failure analysis result of horizontal stabilizer shafts,this thesis analyzes the embrittlement mechanism and applies test verification method to find out the regularity of hydrogen embrittlement and to carry out research on prevention measures as well.

High strength steel;Horizontal tail shaft parts;Hydrogen embrittlement;Embrittlement crack

2017-01-19）