某型飛機典型結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕開裂成因及其處理方案探究

李勇

北京飛機維修工程有限公司武漢分公司 湖北 武漢 430000

金屬材料使用中受周圍環(huán)境影響受到損傷，金屬腐蝕是與周圍環(huán)境發(fā)生化學作用引起變質(zhì)。金屬腐蝕現(xiàn)象普遍，會造成重大經(jīng)濟損失，腐蝕是飛機結(jié)構(gòu)主要損傷形式，飛機結(jié)構(gòu)受環(huán)境腐蝕問題日益突出，用于飛機結(jié)構(gòu)維修費用昂貴，飛機服役中由于所處環(huán)境產(chǎn)生損傷，軍用飛機服役大部分時間處于停放狀態(tài)。統(tǒng)計表明結(jié)構(gòu)腐蝕嚴重的飛機約占80%，空軍部門發(fā)現(xiàn)多架殲系列飛機存在腐蝕裂紋，造成大量飛機停飛。某型飛機進廠維修中發(fā)現(xiàn)兩孔圓心連線處等典型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，采用AA7B04厚軋板制造，裂紋擴展與板材軋制方向平行，分析證實結(jié)構(gòu)失效為應(yīng)力腐蝕開裂。

1 飛機典型結(jié)構(gòu)腐蝕研究

為確保飛機使用安全，必須確定飛機機體結(jié)構(gòu)能力，應(yīng)發(fā)現(xiàn)機體結(jié)構(gòu)潛在問題。由于服役環(huán)境是氣候化學腐蝕環(huán)境，飛機外部結(jié)構(gòu)密封性不好，導致許多結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量積水，如得不到及時清理會使內(nèi)腔出現(xiàn)腐蝕。結(jié)構(gòu)腐蝕發(fā)展隨著服役時間增加加快，有些飛機內(nèi)腔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)腐蝕，對飛機結(jié)構(gòu)危害表現(xiàn)為使結(jié)構(gòu)承載力截面減小，改變應(yīng)力應(yīng)變分布情況，增加飛機飛行安全隱患。

飛機結(jié)構(gòu)腐蝕導致維修工作難度增加，腐蝕加速裂紋擴展，減小裂紋斷裂臨界尺寸，嚴重影響飛機正常使用。飛機內(nèi)腔結(jié)構(gòu)通常為關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)腐蝕失效會產(chǎn)生嚴重后果[1]。內(nèi)腔腐蝕難以檢查，加重內(nèi)腔結(jié)構(gòu)腐蝕危害性。過去采用傳統(tǒng)浸涂方法防腐，將涂料灌入內(nèi)腔，通過晃動在表面形成土層倒出多余涂料，不能滿足對涂層厚度等方面技術(shù)要求，導致服役期間出現(xiàn)嚴重腐蝕。某型飛機平尾大軸內(nèi)腔腐蝕導致疲勞實驗斷裂，內(nèi)腔表面防腐處理存在缺陷。斷裂部位未發(fā)現(xiàn)材料加工缺陷，分析腐蝕是導致斷裂主要原因。

2 AA7B04-T6飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕開裂分析

2.1 材料分析

AA7B04通過純化鐵等雜質(zhì)元素得到，抗斷裂性能提高。但熱處理制度對合金SCC敏感性影響，由于熱處理導致合金組織變化，結(jié)構(gòu)使用高強度AA7B04熱處理為T651。觀察合金晶界分布連續(xù)鏈狀彌散相，存在晶界無析出帶。根據(jù)形狀對端粒狀物為不穩(wěn)定MgZn2相。晶界分布連續(xù)鏈狀彌撒相，3.5%NaCl溶液中MgZn2相電位低于α-Al基體電位，MgZn2相優(yōu)先溶解。

在有Cl-情況下厚板高向SCC敏感不明顯，合金晶內(nèi)有淬火殘留位錯線塞積在晶界附近，在應(yīng)力下產(chǎn)生集中是腐蝕裂紋源。峰值時效下存在Mg偏析，晶界存在自由鎂與氫形成Mg-H復合體，降低晶界結(jié)合能。觀察合金縱斷面金相組織，晶界傾向于分布在同平面內(nèi)，促使晶間腐蝕延伸。

2.2 緊固件孔過渡配合應(yīng)力計算

SCC連接孔與緊固件以過渡配合形式安裝，φ8孔加工公差要求為H9，緊固件螺栓MJ8×1.25公差要求為d1，計算過渡量為0.012mm，0.016mm，0.020mm時孔邊應(yīng)力分布云圖。單邊過渡量為0.010mm孔邊存在104Mpa拉應(yīng)力，增大為0.012mm時，孔邊拉應(yīng)力大于7B04-T6狀態(tài)下應(yīng)力腐蝕門檻值120MPa?？走叴嬖趹?yīng)力集中，易誘發(fā)SCC。應(yīng)嚴格控制過渡量，預先采用孔擠壓技術(shù)對孔強化，引入殘余壓應(yīng)力避免孔結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

2.3 制造工藝與服役環(huán)境分析

分解某些下緣條連接螺栓后，未安裝補償墊板，通過加大螺栓預緊力去除下緣條間隙，在R角底部產(chǎn)生裝配應(yīng)力。不匹配安裝法產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。設(shè)計要求飛機典型而機構(gòu)用模鍛件制造，生產(chǎn)采用δ=50mm厚板加工制造，高向應(yīng)力腐蝕傾向嚴重，不當銑削工藝在表面引入?yún)⑴c拉應(yīng)力[2]。大氣分為工業(yè)大氣、海洋工業(yè)大氣、農(nóng)村大氣等。工業(yè)大氣環(huán)境中硫化物會引起腐蝕產(chǎn)物自催化。海洋大氣中主要是含海鹽粒子，海洋工業(yè)大氣中有害工業(yè)廢氣，SO2與海鹽粒子聯(lián)用對金屬腐蝕嚴重。隨著工業(yè)化進程加快，由于空氣沉降物中富含鹽類物質(zhì)，對鋁合金破壞嚴重。東部沿海地區(qū)，典型結(jié)構(gòu)用鋁合金材料受到Cl-侵襲。

表1 不同地區(qū)飛機結(jié)構(gòu)腐蝕等級

3 結(jié)束語

典型結(jié)構(gòu)使用AA7B04-T6受微觀組織結(jié)構(gòu)影響，不當過渡配合在孔邊產(chǎn)生拉應(yīng)力，構(gòu)件加工方法造成孔結(jié)構(gòu)是軋制鋁合金高向。隨著工業(yè)化進程加快，氯離子存在于大氣中。不銑削工藝在構(gòu)件表面引入?yún)⑴c拉應(yīng)力。多種因素耦合導致典型結(jié)構(gòu)SCC發(fā)生。飛機制造在保障材料疲勞強度等性能基礎(chǔ)上，更換材料，對應(yīng)力腐蝕開裂高頻區(qū)采取局部強化處理，做好阿洛丁氧化處理，提高飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕開裂抗性。

新飛機制造中保障材料剛度等性能下，考慮選用T73熱處理狀態(tài)。已服役飛機材料可在維修中進行局部材料強化處理。維修中注意孔與緊固件安裝過渡，避免引入拉應(yīng)力，建議預先在孔壁引入有益參與壓應(yīng)力。注意R角結(jié)構(gòu)安裝，杜絕強迫裝配引入拉應(yīng)力。