淺析氫脆試驗(yàn)在民航飛機(jī)維修中的應(yīng)用

李 伯，李春光

(1.北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100621； 2.中國民航科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100028)

民航客機(jī)主要承載部件多采用低合金高強(qiáng)度鋼，在進(jìn)行鍍覆翻修過程中，由于氫在鋼中有一定的溶解度，若除氫處理不當(dāng)，殘留的氫無法充分逸出，將在鋼內(nèi)部迅速擴(kuò)散。鋼中氫含量較高時(shí)，過剩的氫將進(jìn)入鋼的一些原始缺陷中，如間隙、氣孔、砂眼等。缺陷附近由于氫的聚集會產(chǎn)生強(qiáng)大的內(nèi)壓，從而導(dǎo)致微裂紋的萌生與擴(kuò)展。缺陷吸附了氫原子之后，會使鋼材機(jī)械性能大大降低，具體表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)鋼和高強(qiáng)度鋼由于氫和應(yīng)力的作用，在小于屈服強(qiáng)度的靜載荷下持續(xù)一定時(shí)間就會發(fā)生早期的脆性斷裂。且材料強(qiáng)度級別越高，受氫程度也越敏感，氫脆的危險(xiǎn)性越大。

1 應(yīng)用分析

以民用客機(jī)起落架為例，作為主要承載部件，其結(jié)構(gòu)主要由高強(qiáng)度合金鋼構(gòu)成，內(nèi)筒采用AISI 4340高強(qiáng)度鋼，熱處理后強(qiáng)度可達(dá)到1516.9 MPa以上，由于具有良好的機(jī)械性能和極高的比強(qiáng)度，故廣泛應(yīng)用于波音、空中客車的客機(jī)上。國外曾對AISI 4340鋼作過氫脆敏感試驗(yàn)，當(dāng)其抗拉強(qiáng)度低于1265 MPa時(shí)，吸收1～10 ppm的氫不會發(fā)生明顯的氫脆，但經(jīng)過熱處理后，強(qiáng)度為1800～1960 MPa時(shí)，僅吸收0.03～0.05 ppm的氫，就會發(fā)生顯著的氫脆。鑒于高強(qiáng)度鋼對于氫脆的敏感特性，國內(nèi)外機(jī)構(gòu)、專家一直致力于研究和完善氫脆的測定方法和預(yù)防性措施。我國航空部為測定氫脆而制訂過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(HB5067)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用延遲破壞的方法，試驗(yàn)和鑒定抗拉強(qiáng)度≥1275 MPa的結(jié)構(gòu)鋼和高強(qiáng)度鋼在經(jīng)電鍍和化學(xué)覆蓋工藝處理后的氫脆性能。

民用客機(jī)維修過程中，按照波音和空中客車商用飛機(jī)適航要求，起落架屬于時(shí)壽件，裝機(jī)使用達(dá)到規(guī)定年限或起降循環(huán)次數(shù)后，需進(jìn)行全面的翻修工作。起落架內(nèi)筒作為核心承重部件，同時(shí)也是翻修率、翻修工藝質(zhì)量要求最高的的部件，對整個(gè)起落架，乃至整架飛機(jī)都有著重要的安全和經(jīng)濟(jì)影響。起落架內(nèi)筒翻修流程中涉及電鍍鎳、電鍍鉻和低氫脆電鍍鎘工藝，在酸洗除氧化層除油、鍍前去應(yīng)力、鍍中工藝控制中的任何偏差都可能造成析氫滲氫。若鍍后無法有效排除殘留氫，可能導(dǎo)致氫脆的發(fā)生。因此，對鍍覆工藝以及電鍍翻修后起落架部件的氫脆測定具有極大的意義。美國波音公司標(biāo)準(zhǔn)(BAC)和空中客車公司、起落架制造商SAFRAN公司工藝標(biāo)準(zhǔn)(PCS)中均規(guī)定，按照美國材料與試驗(yàn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM F519《電鍍涂覆工藝機(jī)械氫脆評定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和應(yīng)用環(huán)境》中方法和要求進(jìn)行鍍后氫脆的測定。 本文檢測采用缺口拉伸方法，是目前國內(nèi)外可靠性高，且被最廣泛選擇的氫脆檢驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法將被測試材料制成規(guī)定的缺口拉伸試棒尺寸，采用與飛機(jī)部件相同的制造工藝，在試樣中心部位加工一V型缺口，該缺口尺寸約定采用波音公司和ASTM F519規(guī)定的0.254 mm(拉伸試棒要求見圖1，拉伸試棒見圖2)。拉伸試棒通過與飛機(jī)部件相同的電鍍工藝后，4根依次連接至QC-100型氫脆試驗(yàn)機(jī)上，并通過專用砝碼施加缺口抗拉強(qiáng)度(NFS)75%的靜載荷。若持續(xù)200 h后未發(fā)生斷裂，則證明無氫脆傾向；如果有一根試棒發(fā)生斷裂，則將未斷試棒繼續(xù)進(jìn)行逐級加載，每2 h加載5%NFS，增加載荷至90%NFS后保持2 h，未斷裂也可判定為無氫脆傾向。若有2根或以上試棒發(fā)生斷裂，則說明有氫脆傾向。試驗(yàn)全程采用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。

圖1 拉伸試棒尺寸要求 Fig.1 Dimension requirement of tensile test bar

圖2 拉伸試棒Fig.2 Tensile test bar

為了進(jìn)一步分析試棒在氫脆試驗(yàn)過程中發(fā)生脆斷的原因。本實(shí)驗(yàn)以其中一脆斷試棒為例，該試棒氫脆試驗(yàn)載荷為28.71 kN，在試驗(yàn)進(jìn)行至69.50 h發(fā)生斷裂，通過宏觀形貌可見，斷裂位于缺口位置，其他區(qū)域未見明顯變形，觀察斷口呈現(xiàn)平坦略粗糙狀態(tài)，斷裂后外觀形貌見圖3，斷口形貌見圖4。通過掃描電鏡對斷口進(jìn)行微觀形貌分析，試棒斷口整體較平坦，微觀整體形貌見圖5，可見從斷口下邊緣起源的放射棱線特征，即斷口源區(qū)位于下邊緣位置。源區(qū)的形貌見圖6，可見其斷口邊緣的源區(qū)位置(即試棒的缺口位置)存在著一個(gè)明顯的沿晶區(qū)，沿晶區(qū)的寬度為200～300 μm。沿晶區(qū)附近亦有局部區(qū)域呈脆性斷裂特征，見圖7。

圖3 斷裂試棒整體形貌Fig.3 Appearance of fracture test bar

圖4 斷口表面形貌Fig.4 Appearance of fracture surface

圖5 試棒微觀整體形貌 30×Fig.5 Microstructure of test bar 30×

(a)56×；(b)1000×圖6 源區(qū)形貌Fig.6 Microstructure of source region

圖7 沿晶區(qū)脆性斷裂特征 1310×Fig.7 Microstructure of brittle fracture

2 結(jié)論及建議

綜合上述試驗(yàn)和分析，通過氫脆試驗(yàn)對民航飛機(jī)維修過程中起落架翻修電鍍工藝進(jìn)行檢驗(yàn)是切實(shí)可行，且非常可靠的。此試驗(yàn)在企業(yè)應(yīng)用和檢測實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中均展現(xiàn)了良好的實(shí)用性，在保障工藝質(zhì)量的同時(shí)，也進(jìn)一步保障了適航安全。

通過氫脆試驗(yàn)，并結(jié)合失效分析，可以避免使已知的氫脆現(xiàn)象發(fā)生在飛機(jī)部件上，但還需通過不斷完善翻修、鍍覆工藝，從根本上規(guī)避氫脆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。如：

1)改進(jìn)酸洗工藝。降低酸濃度和引入多功能緩抑劑可有效起到緩蝕、抑霧作用，即可提高酸洗效率，又能抑制滲氫的發(fā)生。

2)使用工藝標(biāo)準(zhǔn)指定的除油劑。按要求選擇和使用除油劑，可避免腐蝕涂鍍層。

3)嚴(yán)格控制電鍍槽液濃度、溫度、電流密度等參數(shù)。電鍍關(guān)鍵參數(shù)控制不當(dāng)，會導(dǎo)致鍍層出現(xiàn)微裂紋。

4)嚴(yán)格執(zhí)行去應(yīng)力和除氫工藝。去應(yīng)力處理可避免因應(yīng)力集中產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕開裂，除氫處理可及時(shí)有效地使材料中滲入的氫逸出，避免氫脆的發(fā)生。