飛機

 一、飛機機匣接耳裂紋事故分析

    某系列飛機已服役使用20 余年,該機自服役起分別駐于遼寧沿海某地和廣東沿海某地,服役地環境較為嚴酷.20XX 年X 月X 日,該機更換外置機匣,3 日后某團質控室報告發現中央翼第三墻左發動機外置機匣垂直接耳的左側耳片裂紋.裂紋長度約15 mm,從孔邊向下、沿近似內孔徑向方向延伸至接耳邊緣,穿透耳片厚度,如下圖所示.

機匣接耳裂紋

    中央翼第三墻外置機匣接耳裂紋屬于多發性常見故障,在該系列飛機全壽命中的各個時間點幾乎都有發生.外置機匣接耳位于中央翼第三墻上,中央翼第三墻是飛機的核心承力構件之一.該故障通過影響外置機匣拉桿張力影響到外置機匣與發動機的連接振動特性,同時也威脅到中央翼第三墻的結構完整性,危險性較大.因此,分析外置機匣接耳裂紋的形成原因、機理和影響因素,提出針對性的預防措施對提高飛機的修理質量,保證飛機正常使用維護和飛行安全具有重要意義.

    二、 應力腐蝕裂紋主要條件成因分析

    應力腐蝕是指合金材料或構件在靜應力(主要是拉應力)與腐蝕介質的共同作用下發生的脆性斷裂.

    從機匣接耳的環境條件、材質和應力狀態等情況分析,該故障具備應力腐蝕開裂的所有條件.

    1、 Cl-的來源

    2、 工業大氣腐蝕

    3、靜應力的來源

    4、鍛件的設計缺陷

    5、 冶煉夾雜物

    三、 應力腐蝕機理與腐蝕環境成因

    鋁合金的應力腐蝕過程復雜而且影響因素眾多,如應力狀態、熱處理狀態、表面處理狀態和環境條件等,幾十年來的研究尚未對其機理達成一致.目前較為常見的理論有氫至破裂理論、鈍化膜破裂理論、陽極溶解理論和Mg-H 相互作用理論[9]等.對于7B04 等高強鋁合金,氫至破裂理論和陽極溶解理論得到了比較普遍的認同.

    任廣軍等認為高強鋁合金的應力腐蝕機理是電化學性質的,合金在應力和腐蝕介質的作用下,表面的氧化膜被破壞,破損處的合金基體相對于氧化膜為陽極,金屬原子溶解為離子形成裂紋.接耳內孔鑲嵌的襯套與內孔的配合性質為過渡配合,襯套壓入接耳時的刮擦可能導致接耳內孔表面的陽極化保護膜發生破損;在脫漆工序中,反復使用鋼絲刷或鋼絲球對狹小空間內漆層清除,會直接導致陽極化保護膜破損.陽極化保護膜破損后,合金基體暴露形成陽極,電化學腐蝕開始、裂紋形成.Gruhl 等[11]認為7XXX 系列鋁合金會在水溶液介質中因氫脆產生應力腐蝕,在水溶液介質中陰極反應產生H,H 通過晶界在合金內部擴散,導致晶界強度下降.

    同時,Holroyd 等認為,裂紋內部的介質條件與調質處理無關,而與溶液的酸堿度有關,水化反應在酸性條件下于裂紋側壁上生成Al(OH)2Cl 和Al(OH)3·H2O 之類的凝膠,從而形成鈍化保護,使得陽極溶解只能在裂紋尖端發生,從而促進了內部裂紋的發展.脫漆劑的溶劑CH2Cl2發生分解反應產生HCl 形成H+,工業大氣中的SO2在海洋大氣中溶解,共同形成酸性水膜環境,形成了氫至破裂理論中腐蝕環境.因此,脫漆工序中脫漆劑的成分、工業大氣形成的酸性水膜和工藝方法與腐蝕環境的成因直接相關.表面陽極化工序完成后,對接耳內孔表面產生可能的非預期加工的其他工序也可能產生腐蝕環境.

    四、預防措施

    脫漆工序中殘留的CH2Cl2分解,海洋大氣產生了Cl-,強制裝配在不盡合理的熱處理狀態、鍛件設計缺陷和冶煉雜質的共同作用下產生了超過應力腐蝕門檻值的過大拉應力.這些是構成應力腐蝕的兩個必要條件,而且工業大氣中的SO2促進了應力腐蝕.

    壓入襯套時的非預期加工、脫漆工序中對氧化膜的刮擦、脫漆劑中CH2Cl2的分解和工業大氣與海洋大氣共同形成的酸性水膜,共同組成了應力腐蝕的外部腐蝕環境.因此,有必要對上述觸發應力腐蝕的條件和環境采取有針對性的措施,改進飛機修理過程中的工藝方法和對接耳設計進行適當的修改.

    1)在外置機匣的安裝過程中,強制裝配對機體結構和拉桿的連接安全危害性較大,應在工作中避免.

    2)外置機匣通過5 個連接點和6 根拉桿固定在飛機上,調整外置機匣柔性軸的振動特性時,不能只調整其中的某兩三個點或拉桿,應當使用限力扳手限制調節螺母的預緊力,從而限制單一拉桿的拉力.

    3)在保證結構安全的前提下,將熱處理狀態由T6 改為T74.

    4)適當加大耳片的厚度,降低耳片上承受的應力值.

    5)在滿足發動機外置機匣接耳連接要求和柔性軸振動特性的情況下,適當改動接耳內孔和內嵌襯套之間的公差帶,以降低內孔和襯套之間的干涉量,從而消除因過緊的配合帶來的附加擠壓應力.

    6)參照故障排除方案,改變接耳的加工方式,改整體機加工模鍛件為兩個不同的零件的螺接,改接耳短橫向受拉為第三墻腹板短橫向受剪.

    7)更換脫漆劑,使用易揮發或分解不產生Cl-的脫漆劑.

    8)安裝襯套前在接耳內孔表面涂TB06-9 底漆或其他功能性涂料,封閉接耳內孔表面.

    9)在脫漆工序中禁止使用鋼絲刷或者鋼絲球,改為擦除效果較好的聚氨酯泡沫等柔性材料.

    此外,近年來出現的非等溫時效處理、稀土轉化膜處理、合金表面激光處理、回歸再時效工藝和刷涂水置換型緩蝕劑[16-17等新技術和新工藝,有效地改善了7XXX 系列鋁合金的抗應力腐蝕能力,值得深入研究和進行工業化生產的嘗試.

    五、結論

    該故障機中央翼第三墻發動機外置機匣接耳裂紋的成因為:在氯離子和超過應力腐蝕門檻值的靜應力以及鍛件夾雜的共同作用下發生的應力腐蝕;同時,修理過程中的工藝過程在海洋大氣和工業大氣的共同作用下形成了腐蝕環境.該故障件的產生原因在某系列飛機同類故障中具有代表意義,該故障在日常維修中予以關注并采取適當的措施是可以預防的.

    必須指出的是,以7B04 為代表的Al-Zn-Mg-Cu合金在第三代戰斗機的核心結構件上大量使用,相信有更多的結構件具備觸發應力腐蝕的基本條件.因此,需要在修理實踐中對應力腐蝕問題給予足夠的重視,并采取適當的前置性措施,以預防災難性失效的發生.