某型飛機(jī)柱塞組件故障件失效分析及CT掃描技術(shù)研究

摘 要：某型飛機(jī)液壓柱塞泵柱塞組件的柱塞滑靴端面由鋼層-銅層結(jié)構(gòu)的雙金屬擴(kuò)散焊工藝加工而成。由于焊接工藝等原因，鋼銅結(jié)合面偶有發(fā)生滑靴端面銅層剝落、滑靴端面及轉(zhuǎn)子端面異常磨損等故障。經(jīng)過體式顯微鏡和掃描電鏡等失效分析和觀察，鋼層與銅層之間存在局部未熔合導(dǎo)致銅層端面受力異常，是銅層疲勞掉塊的主要原因。超聲檢測僅能對未加工凸臺凹槽的擴(kuò)散焊毛坯件檢查，嘗試對已成型的柱塞座開展工業(yè)CT掃描。實(shí)驗表明，以柱塞座組件端面鋼銅擴(kuò)散層為初始切面，以步長0.04 mm向兩側(cè)逐層進(jìn)行切面，可以有效發(fā)現(xiàn)銅、鋼擴(kuò)散焊交界面存在離散型氣孔和未熔合等缺陷，工業(yè)CT掃描銅鋼雙金屬擴(kuò)散焊成型柱塞座具有定位準(zhǔn)確、圖像易識別和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：柱塞組件；雙金屬；擴(kuò)散焊；失效分析；CT掃描

中圖分類號：TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）28-0094-04

Abstract： The end face of the plunger shoe of a certain aircraft hydraulic plunger pump is processed by a bimetallic diffusion welding process with a steel layer-copper layer structure. Due to welding process and other reasons， failures such as copper layer peeling off on the end face of the shoe， abnormal wear on the end face of the shoe and the end face of the rotor occasionally occur on the steel-copper joint surface. Through failure analysis and observation with a solid microscope and a scanning electron microscope， it was found that there was a local lack of fusion between the steel layer and the copper layer， which led to abnormal stress on the end face of the copper layer， which was the main reason for fatigue loss of the copper layer. Ultrasonic testing can only inspect diffusion welded blanks without machined boss grooves， and attempts to carry out industrial CT scanning of the formed plunger seat. Experiments show that： taking the steel-copper diffza2Km0uJArN+OjE819d4cg==usion layer on the end face of the plunger seat assembly as the initial section， and slicing the section layer by layer to both sides with a step length of 0.04 mm， defects such as discrete pores and unfusion can be effectively discovered at the interface between copper and steel diffusion welding. Industrial CT scanning copper-steel bimetallic diffusion welding has the advantages of accurate positioning， easy image recognition and high resolution.

Keywords： plunger assembly; bimetallic; diffusion welding; failure analysis; CT scanning

擴(kuò)散焊接[1]是一種比較成熟的焊接技術(shù)，擴(kuò)散焊屬于一種固態(tài)焊接方法，它通過擴(kuò)散控制過程，產(chǎn)出接觸表面的結(jié)合。擴(kuò)散焊接作為材料連接的重要技術(shù)，現(xiàn)已大量應(yīng)用于鈦合金、不銹鋼、鎂合金、鋁合金和陶瓷的同種、異種材料的焊接中。

擴(kuò)散焊接主要焊接機(jī)理就是金屬原子在溫度與壓力下的滲透。在一定的溫度和壓力下，將兩種待焊金屬的焊接表面相互接觸，通過微觀塑性變形或通過焊接面產(chǎn)生微量液相而擴(kuò)大待焊表面的物理接觸，使之距離在（1～5）×10-8 cm以內(nèi)，再經(jīng)過較長時間的原子相互間的不斷擴(kuò)散，相互滲透，來實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的一種焊接方法。由于擴(kuò)散連接母材不需要熔化，在精密焊接、微細(xì)連接、特殊材料連接、異種材料連接以及難以進(jìn)行熔焊的領(lǐng)域發(fā)揮很大的作用，成為航空、航天等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域和一些工業(yè)產(chǎn)品組裝中不可缺少的技術(shù)。

某液壓柱塞泵柱塞組件的柱塞滑靴端面由鋼層-銅層結(jié)構(gòu)的雙金屬擴(kuò)散焊工藝加工而成，在柱塞泵使用過程中發(fā)現(xiàn)柱塞座組件端面存在掉塊現(xiàn)象，實(shí)物圖如圖1所示。組件端面較為平滑，凸臺掉塊處與滑靴端面基本齊平，凸臺斷截面粗糙鋸齒狀，整個斷面未見明顯裂紋。

1 失效分析

痕跡分析是失效分析中重要的技術(shù)方法，通過對機(jī)械表面痕跡的識別和分析，可以了解痕跡的形成過程及其影響因素，從而為機(jī)械零件失效原因的確定提供重要依據(jù)。對損傷形貌進(jìn)行宏觀和微觀的痕跡分析，查明了失效原因，并給出了針對性結(jié)論和建議，對于提高裝備質(zhì)量，防止類似現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生具有重要意義。選取掉塊柱塞組件開展失效分析。

在體視顯微鏡下對斷口進(jìn)行觀察，檢查未焊合區(qū)域可見明顯的機(jī)加紋路，如圖2所示。

沿徑向觀察斷口，檢查焊合區(qū)域和未焊合區(qū)域可見明顯區(qū)別，未焊合區(qū)域內(nèi)可見鋼基體與銅板之間存在明顯的分層。

在掃描電鏡下進(jìn)一步觀察斷口形貌，未焊合區(qū)域可見明顯機(jī)加紋路，如圖3所示。

將斷口在掃描電鏡下進(jìn)行微觀觀察，可見裂紋起源于銅層外端面，為線性起源，擴(kuò)展區(qū)可見明顯疲勞條帶形貌。裂紋源區(qū)內(nèi)未見夾雜、孔洞等缺陷，如圖4所示。

沿軸向切割柱塞座組件，斷口處鋼層與銅層之間存在較長的未焊合區(qū)域，未見銅層往鋼層擴(kuò)散形貌，如圖5所示，長約1.7 mm。在另一處存在約0.7 mm未焊合區(qū)域。檢查鋼層和銅層之間未焊合部位的間隙，約11.66 ？滋m，如圖6所示。

對斷口進(jìn)行能譜定性分析，結(jié)果見圖7和表1，可知焊合區(qū)域銅含量相對較高、鐵含量相對較低，分別為34.62%和0.99%，未焊合區(qū)域（機(jī)加形貌區(qū)域）銅含量相對較低、鐵含量相對較高，分別為7.57%和9.62%。

根據(jù)對柱塞座組件進(jìn)行的宏觀分析、微觀分析、金相分析和能譜定性分析可知：柱塞座組件掉塊位置為疲勞斷裂，裂紋起源于銅層外端面，為線性起源，擴(kuò)展區(qū)可見明顯疲勞條帶，疲勞源區(qū)未見夾雜、孔洞等缺陷。斷口處鋼層與銅層之間存在1.7 mm的未焊合區(qū)域，另一處存在約0.7 mm的未焊合區(qū)域，檢查鋼層和銅層之間未焊合部位的間隙約11.66 ？滋m，未焊合區(qū)域內(nèi)無銅層往鋼層擴(kuò)散形貌。局部未焊合導(dǎo)致銅層端面受力異常，是銅層疲勞掉塊的主要原因。

2 CT檢測

對液壓柱塞泵柱塞組件內(nèi)部擴(kuò)散焊未焊合部位開展無損檢測的方法主要有超聲檢測方法和X射線三維成像掃描檢測方法。超聲檢測方法主要針對無加工凸臺凹槽的擴(kuò)散焊毛坯件，對于成品件則可嘗試開展X射線CT檢測方法。

選取1件未進(jìn)行線切割破壞的柱塞開展擴(kuò)散焊質(zhì)量檢測，工業(yè)CT掃描參數(shù)見表2，檢測后的數(shù)據(jù)處理方法為：以柱塞座組件N端面向下1 mm位置（理論上銅鋼擴(kuò)散層）為初始切面，以步長0.04 mm向兩側(cè)逐層進(jìn)行切面。

根據(jù)檢測結(jié)果，柱塞銅、鋼擴(kuò)散焊交接面約處于端面向下0.90 mm附近，基本符合圖紙設(shè)計要求。此時CT掃描缺陷尺寸測量較為精準(zhǔn)，如圖8所示。

從CT掃描結(jié)果來看，缺陷主要集中在端面向下0.88 mm切面和0.92 mm切面，位于端面向下0.92 mm處最大缺陷尺寸為1.039 mm，孔隙率約0.7%，分別如圖9、圖10所示。

由圖中可以看出，柱塞銅、鋼擴(kuò)散焊交接面主要缺陷為離散型的氣孔，無大面積未焊合狀態(tài)，與失效件柱塞缺陷有明顯的差異，CT掃描件柱塞最大缺陷尺寸為1.039 mm，位于最外緣的支撐臺階，不在通常認(rèn)為的柱塞上最容易發(fā)生損傷失效的位置。

以端面向下0.92 mm最大缺陷尺寸處向上和向下切片，切片厚度0.04 mm，分布觀察各切面CT掃描情況，如圖11所示。

從CT掃描結(jié)果來看，缺陷主要集中在端面向下0.88 mm切面和0.92 mm切面，0.8、0.84、0.96、1.0、1.04、1.08、1.12、1.16 mm缺陷相對較小，基本可忽略。工業(yè)CT掃描銅鋼雙金屬擴(kuò)散焊成型柱塞座影像檢測分辨率高，同時缺陷定位準(zhǔn)確、缺陷所在位置識別清晰。

3 結(jié)論

柱塞座組件掉塊位置為疲勞斷裂，裂紋起源于銅層外端面，為線性起源，擴(kuò)展區(qū)可見明顯疲勞條帶，疲勞源區(qū)未見夾雜、孔洞等缺陷。斷口處鋼層與銅層之間存在未焊合區(qū)域，未焊合區(qū)域內(nèi)無銅層往鋼層擴(kuò)散形貌。局部未焊合導(dǎo)致銅層端面受力異常，是銅層疲勞掉塊的主要原因。

以柱塞座組件端面鋼銅擴(kuò)散層為初始切面，以步長0.04 mm向兩側(cè)逐層進(jìn)行切面，可以有效發(fā)現(xiàn)銅、鋼擴(kuò)散焊交界面存在離散型氣孔和未熔合等缺陷，工業(yè)CT掃描銅鋼雙金屬擴(kuò)散焊成型柱塞座具有定位準(zhǔn)確、圖像易識別和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。

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