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水陸兩棲飛機起落架機構不同配副材料在海洋環境中的腐蝕磨損行為研究

2021-07-07 15:48:37 作者：王英芹，邱實來源：腐蝕與防護分享至：

在腐蝕環境中因磨損導致材料流失的現象稱為腐蝕磨損（簡稱磨蝕）。磨蝕一般發生在有腐蝕介質的環境中，是力學、化學和電化學因素交互作用的結果，涉及摩擦學、腐蝕學、金屬學、電化學等多學科領域。在磨蝕過程中，一方面腐蝕性介質使材料表面性能惡化，增加了材料的機械磨損；另一方面機械磨損使材料表面保護膜層遭到破壞，防護作用消失，腐蝕速率大大提高。

腐蝕磨損是一個非常復雜且系統性很強的動態過程，服役環境和工況錯綜復雜，其配副材料及其表面鍍覆層、配合公差、粗糙度、腐蝕環境、溫度、載荷、潤滑條件等因素都會影響配副材料的腐蝕磨損行為。

中國特種飛行器研究所結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室的科研人員針對水陸兩棲飛機的起落架機構，研究了不同配副材料在模擬海水環境中的腐蝕磨損行為，試驗件設計及試驗條件完全模擬實際工況。

模擬試驗方法

試驗采用6對常用配副材料的環塊試驗件，每對配副材料設置3個平行試驗件，試驗件結構如圖1所示。

圖1 試驗件結構

試驗件的編號及配副材料詳見表1，配合公差H8/f7，配合面粗糙度Ra為0.8，采用環形潤滑槽，3號艦用潤滑脂；方塊材料為表面鍍鎘鈦的30CrMnSiNi2A鋼。

表1 試驗件的配副材料

腐蝕磨損試驗在擺動軸承摩擦磨損試驗臺上進行，自制試驗夾具見圖2。

圖2 試驗夾具示意圖

采用去離子水和NaCl配置質量分數為3.5%、pH為7.5~8.1的模擬海水溶液。試驗件安裝后浸泡在模擬海水溶液中，參照GB/T 12444-2006《金屬材料磨損試驗方法試環-試塊滑動磨損試驗》進行試驗。試驗在25~35℃無振動實驗室中進行，輸出軸轉速60r/min，加載端施加載荷6000N，試驗時間120min。具體試驗過程如下：

No.1試驗前試驗件檢查

初始數據檢測與記錄：轉軸外徑和襯套內徑尺寸測量；轉軸質量測量。

潤滑脂檢查：確保潤滑脂灌滿潤滑槽。

No.2試驗前試驗機檢查

檢查摩擦磨損試驗機加載端是否調整靈活；檢查設備是否能正常運行。試驗夾具及試驗件按圖2所示安裝。

No.3試驗進行及終止

設置試驗時間、載荷、轉速等參數后開始試驗；試驗至設定時間時，試驗自動停止。

No.4試驗結果檢查與記錄

觀察試驗后的模擬海水和擦拭棉布中磨屑的數量和顏色；將方塊從轉軸上取出，擦拭掉潤滑脂后晾干；測量并記錄轉軸磨損部位的直徑，測量方塊上襯套的內徑；對轉軸和方塊進行宏觀檢查和拍照；采用三維體視顯微鏡檢查轉軸的磨痕深度和磨痕形貌以及方塊的腐蝕情況。

模擬試驗結果

01 磨痕深度與磨損量

表2 不同配副材料試驗件的直徑變化和磨痕深度對比

由表2可見，試驗后轉軸和襯套的直徑都有不同程度的變化，轉軸外徑減小，襯套內徑增大。總體來說，襯套內徑的增大量大于轉軸外徑的減小量。因磨損導致基準面變化，轉軸的磨痕深度不能完全作為磨損量的判斷依據。

Y001~Y003?A101~A103和A201~A203試驗件的轉軸材料相同（30CrMnSiNi2A鋼），襯套材料不同。對比分析發現，襯套材料為15-5PH鈍化的試驗件，整體磨損量較小，配合間隙變化較小。

A101~A103和A401~A403試驗件的轉軸和襯套材料均相同，僅轉軸材料的表面處理工藝不同。對比分析發現，經噴丸強化鍍硬鉻處理的轉軸磨損量較小，但是試驗件整體的磨損量較大、配合間隙變化較大。配副材料表面磨損導致配合間隙過大，會造成運動機構磨損更嚴重甚至無法正常工作。因此，從腐蝕磨損量的情況來看，A101~A103試驗件的配合間隙變化最小，磨損量最小。

02 腐蝕磨損微觀形貌

腐蝕磨損形貌有兩種，一種以磨粒磨損為主，如圖3所示；另一種以黏著磨損為主，如圖4所示。

（a） Y002

（b） A101

（c） A201

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（d） A402 （e） A103

圖3 試驗件轉軸的磨粒磨損形貌

（a） A301 （b） A502

圖4 試驗件轉軸的黏著磨損形貌

圖3中試驗件的轉軸材料均為30CrMnSiNi2A鋼，磨痕形貌均表現為塑性流動產生的大犁溝及堆積在犁溝上的腐蝕磨損產物，以磨粒磨損為主，同時伴有黏著磨損。腐蝕磨損產物基本呈黑灰色，因為在磨損過程中產生的熱量使腐蝕產物發生氧化，同時在腐蝕性溶液中轉軸進一步發生腐蝕，生成脆性較大的腐蝕磨損產物。腐蝕磨損產物可能是鉻層磨損破壞后超高強度鋼基體的加速氧化和腐蝕生成的產物，如氧化亞鐵、三氧化二鐵及四氧化三鐵的混合物，也可能是鍍層本身的腐蝕磨損產物。腐蝕磨損產物一部分堆積黏附在犁溝上，一部分被推出摩擦軌道進入潤滑脂或模擬海水中，還有一部分存留在摩擦軌道上成為磨粒，加速磨損。

圖4中試驗件的轉軸材料分別為15-5PH不銹鋼和4130高強鋼，磨痕形貌表現為非常細小的片狀結構，呈銀灰色，部分發生剝落，剝落部位呈紅銅色，沒有河流花樣出現。紅銅色腐蝕磨損產物可能是來不及氧化而被碾壓黏附和轉移的襯套（C64200銅合金）。銅合金的硬度比不銹鋼和合金結構鋼的低，在腐蝕磨損過程中易被磨損，且其氧化物在摩擦軌道上起不到磨粒的作用，或磨粒作用時間較短，會被碾平、黏附在配副材料上。銀灰色片狀物是遭碾壓而黏附的腐蝕磨損產物的混合物。

03 腐蝕磨損宏觀形貌

（a） Y001 （b） A103

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（c） A201 （d） A301

（e） A401 （f） A501

圖5 襯套和方塊的宏觀腐蝕形貌

如圖5所示，A101~A103?A201~A202和A401~A403試驗件的襯套材料均為不銹鋼，基本沒有發生腐蝕，與方塊的安裝縫隙處腐蝕產物較少，耐蝕性良好；Y001~Y003?A301~A303和A501~A503試驗件的襯套材料為銅合金，均出現了腐蝕痕跡，與方塊的安裝縫隙處堆積有較多的灰白色腐蝕產物，耐蝕性較差。