硬度檢測(cè)在民航維修熱處理工藝中的應(yīng)用

孟 妍,李 伯

(北京飛機(jī)維修工程有限公司,北京 100621)

民航客機(jī)在高溫、高速、腐蝕環(huán)境和交變載荷的工作條件下,且對(duì)安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求極高,因此航空裝備設(shè)計(jì)相對(duì)其他工程裝備對(duì)材料性能的要求更加嚴(yán)苛。熱處理作為民航客機(jī)維修中諸多工藝環(huán)節(jié)中的一個(gè)特殊過(guò)程,對(duì)改變材料組織、提升材料性能方面起到至關(guān)重要的作用。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一個(gè)機(jī)械性能指標(biāo);同時(shí),亦可綜合反映材料表面局部體積內(nèi)的彈性、微量塑變抗力、形變強(qiáng)化能力以及大量塑性變形抗力等性能[1]。由于硬度檢測(cè)操作便捷,對(duì)樣品接近于無(wú)損測(cè)試,同時(shí)又能敏感地反映出材料化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)的差異,因而廣泛應(yīng)用于民航維修業(yè)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。

1 應(yīng)用分析

硬度檢測(cè)一般僅在金屬表面局部體積內(nèi)產(chǎn)生很小的壓痕,通常視為無(wú)損檢測(cè),因而對(duì)大多數(shù)零部件可使用成品試驗(yàn)而無(wú)需專門加工試樣;同時(shí),通過(guò)硬度檢測(cè)也易于檢查金屬表面層情況,如脫碳、滲碳、表面淬火以及化學(xué)熱處理后的表面質(zhì)量等。目前已知的硬度試驗(yàn)方法有十余種,按其方式原理大體上可分為壓入法、回跳法和刻劃法三大類。其中以布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度為代表的壓入法硬度試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于民航維修領(lǐng)域檢查熱處理工藝質(zhì)量。

1.1 硬度檢測(cè)在飛機(jī)起落架零件修理中的應(yīng)用

起落架作為民用客機(jī)起降的主要承載部件,零部件多由高強(qiáng)度合金鋼構(gòu)成,并通過(guò)熱處理、電鍍等工藝優(yōu)化其強(qiáng)度、耐磨和耐腐蝕性能。以件號(hào)161W2160的波音777客機(jī)主起落架輪軸梁(零件形貌見(jiàn)圖1)修理為例,其整體結(jié)構(gòu)采用具有良好機(jī)械性能以及高強(qiáng)度-重量比的AISI 4340M高強(qiáng)度鋼制成,波音零件維護(hù)手冊(cè)(BOEING COMPONENT MANUAL,以下簡(jiǎn)稱CMM)中規(guī)定,熱處理至強(qiáng)度275～300 ksi,檢查其洛氏硬度應(yīng)為55～65 HRC。對(duì)此零件的硬度檢測(cè)需在修理車間現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行,且應(yīng)盡可能選擇較小的試驗(yàn)載荷,以降低零件表面殘留壓痕的深度。綜合上述考慮,最終選擇便攜式超聲波硬度計(jì)(如圖2所示)作為檢測(cè)設(shè)備,此設(shè)備基于超聲波阻抗法原理,具有測(cè)量快速、壓痕小和材料適用性廣的特點(diǎn),非常契合針對(duì)起落架零件進(jìn)行硬度檢測(cè)的場(chǎng)景需求。應(yīng)用便攜式超聲波硬度計(jì)對(duì)該輪軸梁進(jìn)行硬度檢測(cè),硬度平均值為62.1 HRC,符合相應(yīng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 777主起落架輪軸梁Fig.1 777 main landing gear forward axle

圖2 便攜式超聲波硬度計(jì)Fig.2 Portable ultrasonic hardness tester

件號(hào)162A1120的波音737前起落架內(nèi)筒(零件形貌見(jiàn)圖3),波音CMM中規(guī)定,熱處理至強(qiáng)度275～300 ksi,檢查其洛氏硬度應(yīng)滿足55～65 HRC。使用便攜式超聲波硬度計(jì)對(duì)該前起落架內(nèi)筒進(jìn)行硬度檢測(cè),硬度平均值為61.3 HRC,確保了修理工藝的質(zhì)量,亦體現(xiàn)了便攜式硬度計(jì)應(yīng)用于飛機(jī)起落架等大型航空零部件硬度檢測(cè)時(shí)的優(yōu)越性。

圖3 737前起落架內(nèi)筒Fig.3 737 front landing gear inner cylinder

1.2 硬度檢測(cè)在飛機(jī)剎車組件修理中的應(yīng)用

鈦合金材料具備較高的強(qiáng)度以及極好的耐熱性能,廣泛用于民航客機(jī)制造中[2]。如件號(hào)GA32430的波音787電剎車扭力管(零件形貌見(jiàn)圖4),采用鈦合金制造,維修手冊(cè)要求熱處理后檢查其內(nèi)壁硬度應(yīng)不低于270 HB,方可達(dá)到放行標(biāo)準(zhǔn)。由于測(cè)量位置為管體內(nèi)壁,受空間限制較大,且考慮到鈦合金材料特有的彈性模量,因而采用電阻式便攜硬度計(jì)(如圖5所示)作為檢測(cè)設(shè)備。該設(shè)備原理為通過(guò)測(cè)量壓頭表面與試樣接觸后形成的回路中電阻值變化,反映出相應(yīng)的壓痕深度,進(jìn)而得到試樣硬度值。使用該硬度計(jì)對(duì)電剎車扭力管進(jìn)行硬度檢測(cè),硬度平均值為316 HB,前序維修工作的質(zhì)量得到了有效驗(yàn)證。

圖4 787電剎車扭力管Fig.4 Torque tube of 787 electric brakes

圖5 電阻式便攜硬度計(jì)Fig.5 Resistance type portable hardness tester

1.3 硬度檢測(cè)在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)修理中的應(yīng)用

現(xiàn)代民航客機(jī)機(jī)身框架多由復(fù)合材料制成,需使用大量型材來(lái)連接機(jī)身和鋁合金蒙皮,此類型材多由7075鋁合金制成(如圖6所示),具有輕量化、高強(qiáng)度和韌性好的特點(diǎn)。維修手冊(cè)中熱處理工藝要求,型材在487～499 ℃溫場(chǎng)內(nèi)固溶35～45 min,淬火后時(shí)效 22～24 h,其硬度在83.5～94.0 HRBW范圍內(nèi),方可確認(rèn)型材熱處理后為7075-T62狀態(tài)。維修生產(chǎn)中,鑒于其批量化測(cè)試特點(diǎn),實(shí)驗(yàn)室采用全自動(dòng)洛氏硬度計(jì)(如圖7所示)作為檢測(cè)設(shè)備,并結(jié)合專用支撐夾具,最終硬度為89.0 HRBW,保障了熱處理后的材料狀態(tài),亦驗(yàn)證了熱處理工藝的質(zhì)量。

圖6 鋁合金型材Fig.6 Aluminum alloy profiles

圖7 全自動(dòng)洛氏硬度計(jì)Fig.7 Automatic rockwell hardness tester

2 結(jié)論

綜合上述分析,我們認(rèn)為通過(guò)硬度檢測(cè)對(duì)民航飛機(jī)維修中熱處理工藝質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)是經(jīng)濟(jì)有效,且非?？煽康?與此同時(shí),因其具有工作效率高、對(duì)零件損傷小的特點(diǎn),在制造維修產(chǎn)品線和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用中均展現(xiàn)了良好的適用性。航空安全是促進(jìn)航空工業(yè)高效發(fā)展的前提和基礎(chǔ),熱處理工藝作為保障航空產(chǎn)品安全性的重要工藝措施之一,對(duì)其質(zhì)量的有效控制,亦是對(duì)適航安全的有力保障[3]。

3 改善和預(yù)防性建議

隨著航空業(yè)對(duì)熱處理質(zhì)量控制重視程度的不斷提高,還需從根本上完善過(guò)程工藝和相應(yīng)檢測(cè)技術(shù),及時(shí)期發(fā)現(xiàn)和消除熱處理工藝缺陷帶來(lái)的影響。我們結(jié)合工作實(shí)踐,歸納如下缺陷和問(wèn)題,并提出了針對(duì)性的預(yù)防和應(yīng)對(duì)措施。

1)熱處理執(zhí)業(yè)人員專業(yè)技術(shù)能力有待提升。措施：做好人員能力持續(xù)監(jiān)督,定期組織技術(shù)培訓(xùn)和考核,以提升人員專業(yè)技能,確保對(duì)AMS 2750等工藝文件的正確解讀。

2)滲碳件淬火后表面硬度低[4]。措施：進(jìn)行表面滲碳處理后,確保零件溫度低于100 ℃,并采取措施避免零部件面層因接觸空氣而產(chǎn)生氧化脫碳。

3)開(kāi)裂、氫脆現(xiàn)象。措施：嚴(yán)格控制熱處理工藝中各參數(shù)的設(shè)置;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(kāi)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[5]。

4)特殊造型零件不具備硬度檢測(cè)條件。措施：替代采用可間接反映材料力學(xué)性能的其他參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,如電導(dǎo)率等;致力于推進(jìn)硬度檢測(cè)儀器的發(fā)展,以期填補(bǔ)空白。

本文介紹了硬度檢測(cè)在民航維修熱處理工藝中的應(yīng)用,可促使該檢測(cè)技術(shù)和工藝質(zhì)量的提高,進(jìn)一步提升維修效率和可靠性。