鋁合金高鎖螺母褪色故障原因分析

曾馨靚，蔣智華

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司工程技術(shù)部，四川 成都 610091）

鋁合金高鎖螺母是一種航空用緊固件，具有自鎖、高強(qiáng)度、高抗疲勞性、抗振動(dòng)、耐腐蝕、易安裝等優(yōu)良特性，因此近幾年來(lái)被越來(lái)越多地應(yīng)用于新型飛機(jī)[1]。按產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范，鋁合金高鎖螺母需要進(jìn)行陽(yáng)極氧化、電解著色及封閉，最終生成具有一定光澤、耐蝕、耐磨的氧化膜，使鋁合金具有優(yōu)異的裝飾和保護(hù)功能[2-6]。某型飛機(jī)上的鋁合金高鎖螺母多達(dá)20 000顆，主要是著綠色和著橙色2種，占螺母總數(shù)的23%及高鎖螺母總數(shù)的80%，分布于飛機(jī)機(jī)身壁板、骨架結(jié)構(gòu)、外罩貯箱等輕量化結(jié)構(gòu)中[7]。本文運(yùn)用故障樹(shù)分析方法對(duì)該型飛機(jī)上的鋁合金高鎖螺母褪色現(xiàn)象進(jìn)行原因分析，并提出了改進(jìn)措施。

1 故障情況

某型飛機(jī)上的鋁合金高鎖螺母在出庫(kù)、安裝及裝配完成后均為正常的綠色，飛機(jī)在后續(xù)擦洗時(shí)也無(wú)褪色情況，但擱置約1個(gè)月后出現(xiàn)大面積褪色(見(jiàn)圖1)。現(xiàn)場(chǎng)未安裝和庫(kù)存的同批次產(chǎn)品均無(wú)褪色現(xiàn)象，操作人員分別用丙酮、汽油和乙酸乙酯清洗后也無(wú)明顯的褪色現(xiàn)象。

圖1 高鎖螺母褪色現(xiàn)象Figure 1 Discoloration on high lock nuts

于是操作人員將裝配現(xiàn)場(chǎng)拆卸下來(lái)的4件褪色螺母進(jìn)行了外觀、原材料成分、膜厚和耐蝕性檢測(cè)。

1.1 外觀

如圖2所示，4件褪色產(chǎn)品的支撐面及內(nèi)螺紋仍有綠色，其余部位出現(xiàn)不同程度的褪色，表面有明顯的拆卸痕跡和涂覆的鋅黃底漆。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)已安裝產(chǎn)品拆卸后的外觀Figure 2 Appearance of installed nuts after removal

1.2 原材料成分

基體是7075鋁合金材質(zhì)，T73狀態(tài)，入廠復(fù)驗(yàn)合格。采用S1 TITAN600手持式X熒光光譜儀對(duì)褪色產(chǎn)品進(jìn)行分析，并用HVZ-30T維氏硬度計(jì)測(cè)量鋁合金高鎖螺母的硬度，按HB 0-94–1977《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算表》進(jìn)行換算，結(jié)果列于表1。可見(jiàn)基材的組分和硬度都符合要求。

表1 高鎖螺母基體的組成和硬度Table 1 Composition and hardness of high lock nut substrate

1.3 產(chǎn)品膜厚

隨機(jī)取1件褪色產(chǎn)品進(jìn)行金相檢測(cè)，如圖3所示，陽(yáng)極氧化膜完整，膜厚約10.33 μm，符合HB 5055–1993《鋁及鋁合金硫酸陽(yáng)極氧化 膜層質(zhì)量檢驗(yàn)》規(guī)定的膜厚在4 ～ 20 μm范圍內(nèi)的要求。

圖3 陽(yáng)極氧化膜的截面金相照片F(xiàn)igure 3 Metallographic images of cross-section of anodization film

1.4 耐蝕性檢測(cè)

取2個(gè)拆機(jī)件和同批次庫(kù)存件，按GJB 715.1–1989《緊固件試驗(yàn)方法 鹽霧》，懸掛于35 °C的試驗(yàn)箱中，用5% NaCl溶液連續(xù)噴霧336 h。如圖4所示，拆機(jī)故障件表面有灰黑色腐蝕產(chǎn)物，同批次庫(kù)存件無(wú)腐蝕。

圖4 故障件和同批次庫(kù)存件中性鹽霧試驗(yàn)后的表面狀態(tài)Figure 4 Surface states of the defective parts and the unused ones produced in the same batch after neutral salt spray test

2 故障排查

如圖5所示，采用故障樹(shù)分析法可以確定導(dǎo)致鋁合金高鎖螺母褪色的中間事件有2個(gè)，分別為表面處理工序和產(chǎn)品使用環(huán)境。陽(yáng)極化及著色主要由表面處理工序完成，可能的影響因素有表面處理工藝、表面處理生產(chǎn)過(guò)程及染料。另一方面，產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中的丙酮擦洗和工作環(huán)境是直接原因。

圖5 高鎖螺母褪色故障樹(shù)Figure 5 A tree showing the causes of discoloration of high lock nut

2.1 表面處理工藝

鋁合金高鎖螺母采用的表面處理工藝參考了HB/Z 233–1993《鋁及鋁合金硫酸陽(yáng)極氧化工藝》、HB 5055–1993《鋁及鋁合金硫酸陽(yáng)極化膜層質(zhì)量檢驗(yàn)》、MIL-A-8625Anodic Coatings, for Aluminum and Aluminum Alloys和HB 5362–1986《飛機(jī)常用金屬防護(hù)層耐蝕性質(zhì)量檢驗(yàn)》進(jìn)行的。主要生產(chǎn)流程為：下料→數(shù)車(chē)→去毛刺→制標(biāo)→滲透探傷→表面處理。其中表面處理的主要工序有堿腐蝕、出光、陽(yáng)極化、著色和固色處理(封閉)。

經(jīng)復(fù)查，表面處理工藝要求與產(chǎn)品要求對(duì)標(biāo)一致，滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，故排除該因素。

2.2 表面處理生產(chǎn)過(guò)程

表面處理所用的堿蝕槽、出光槽、陽(yáng)極化槽等都按規(guī)定進(jìn)行了周期性檢查，槽液濃度都符合工藝要求，生產(chǎn)所用溫度控制儀表也按要求進(jìn)行檢定，均在有效期內(nèi)，故不能判斷表面處理過(guò)程是否存在造成褪色的因素。

2.3 染料

著色使用的綠色染料為GN414，橙色為OR214，均屬于酸性偶氮類(lèi)染料。HB/Z 233–1993中規(guī)定了染色染料為酸性染料，但并未規(guī)定具體的牌號(hào)，未對(duì)染料的色牢固度作出要求，也沒(méi)有規(guī)定相應(yīng)的檢測(cè)方法，但產(chǎn)品在正常生產(chǎn)制造及貯存過(guò)程中并無(wú)褪色現(xiàn)象，因此所用的綠色、橙色染料可以滿(mǎn)足正常的使用要求，它們并不是造成螺母褪色的原因。

2.4 產(chǎn)品實(shí)際使用環(huán)境

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋得知，該鋁合金高鎖螺母在裝配時(shí)要用丙酮擦洗，而現(xiàn)場(chǎng)未裝配的產(chǎn)品及庫(kù)存產(chǎn)品均未發(fā)生褪色現(xiàn)象，推測(cè)丙酮擦洗對(duì)高鎖螺母褪色可能有較大的影響。

3 故障復(fù)現(xiàn)

為了追溯原因，復(fù)現(xiàn)問(wèn)題，提取與故障件同批次、同規(guī)格并已陽(yáng)極氧化和著色處理入庫(kù)的T1(染綠色)和T2(染橙色)2個(gè)批次的鋁合金高鎖螺母進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證不同封閉方法、丙酮接觸與光照對(duì)染色陽(yáng)極氧化膜的影響。根據(jù)HB/Z 233–1993第5.9.3條，固色處理可選擇熱水處理、蒸汽處理或鎳鹽處理中的任意一種。因蒸汽封閉原理與熱水類(lèi)似，故本次驗(yàn)證不進(jìn)行。

用丙酮浸泡不同試驗(yàn)件20 min，敞開(kāi)放置后觀察褪色情況。結(jié)果顯示，除了采用熱水封閉的著綠色試驗(yàn)件在放置第5天開(kāi)始明顯褪色外，其余試驗(yàn)件均無(wú)明顯變化(見(jiàn)圖6和圖7)。這說(shuō)明熱水封閉的著綠色產(chǎn)品在浸泡丙酮后光照對(duì)褪色影響顯著。因此，進(jìn)一步采用不同溶液對(duì)熱水封閉的著綠色試驗(yàn)件進(jìn)行擦洗和浸泡，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖6 染綠色產(chǎn)品浸泡丙酮前、后的表面狀態(tài)Figure 6 Surface states of green colored products before and after immersion in acetone

圖7 染橙色產(chǎn)品浸泡丙酮前、后的表面狀態(tài)圖7 Surface states of orange colored products after immersion in acetone

表3 不同溶液浸泡或擦拭后的褪色情況Table 3 Discoloration after being immersed in or wiped with different solutions

從表3可知，著色后產(chǎn)品有一定的耐溶劑性，丙酮、苯甲醇、乙酸乙酯這些溶劑在短時(shí)間內(nèi)都不會(huì)使產(chǎn)品褪色；但不耐酸和堿，采用除油液和活化液浸泡或擦洗會(huì)立刻發(fā)生嚴(yán)重褪色現(xiàn)象。在堿性除油液中浸泡為均勻褪色，用蘸堿性除油液的脫脂棉擦洗后明顯掉色，表面發(fā)霧；在酸性活化液中浸泡為不均勻褪色。但安裝現(xiàn)場(chǎng)并沒(méi)有酸、堿性物質(zhì)，況且樣品是現(xiàn)場(chǎng)安裝一段時(shí)間后才褪色，因此可排除因接觸酸堿引起的褪色。

4 原因分析

陽(yáng)極氧化膜屬于多孔膜，未封閉時(shí)易受到大氣及其他有害物質(zhì)的侵蝕，使著色成分遭到破壞而褪色，因此封閉是提高陽(yáng)極氧化膜顏色穩(wěn)定性的關(guān)鍵。本次故障的原因是樣品在熱水封閉后表面微孔沒(méi)有被完全封閉，加上安裝過(guò)程中用丙酮擦洗時(shí)有丙酮滲入孔內(nèi)，引起染料溶解脫附，光照下染料分解而緩慢褪色。

5 建議

(1) 改進(jìn)固色工藝，所有產(chǎn)品均改用鎳鹽封閉，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行鎖緊力、擰斷力矩、預(yù)緊力、松脫力矩等性能測(cè)試，以檢驗(yàn)鎳鹽封閉是否會(huì)影響產(chǎn)品性能。

(2) 增加耐溶劑性試驗(yàn)，如產(chǎn)品可能接觸的丙酮、乙酸乙酯等，及時(shí)更換不合適的溶劑。