田 楊,黃 晶,解 春,朱金海,孫潔暉

(航天海鷹(鎮(zhèn)江)特種材料有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

直升機(jī)旋翼的運(yùn)動(dòng)與固定翼飛機(jī)機(jī)翼不同,旋翼的槳葉除了隨直升機(jī)一同作直線或曲線運(yùn)動(dòng)外,還要繞旋翼軸旋轉(zhuǎn),因此槳葉空氣動(dòng)力現(xiàn)象要比機(jī)翼復(fù)雜得多。旋翼系統(tǒng)靠減擺器和前后限動(dòng)塊實(shí)現(xiàn)擺振運(yùn)動(dòng),槳葉揚(yáng)起下墜過(guò)程中,槳葉會(huì)不斷地與限動(dòng)塊發(fā)生碰撞,產(chǎn)生較大的沖擊載荷,通過(guò)上、下限動(dòng)塊和限制器實(shí)現(xiàn)揮舞運(yùn)動(dòng)[1]。當(dāng)槳葉繞水平鉸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),產(chǎn)生揮舞,揮舞角在結(jié)構(gòu)上受限動(dòng)塊限制;槳葉繞垂直鉸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其轉(zhuǎn)動(dòng)角為后擺角或前擺角,在結(jié)構(gòu)上也受限動(dòng)塊限制。

失效件上限動(dòng)塊(圖1)固定于連接件支臂上,六個(gè)連接件支臂每個(gè)支臂上均固定一個(gè)上限動(dòng)塊。當(dāng)飛機(jī)停止飛行時(shí),槳葉折疊,由于槳葉及連接件自身重力,整個(gè)連接件支臂下垂,支臂上端的上變距鎖上的鎖銷(xiāo)由上向下運(yùn)動(dòng),與穿過(guò)上限動(dòng)塊兩側(cè)的兩螺栓頭部接觸連接,通過(guò)鎖銷(xiāo)和上限動(dòng)塊接觸,以固定上限動(dòng)塊,達(dá)到固定連接件、控制槳葉上下方向變距的作用。上限動(dòng)塊在槳葉揮舞時(shí)起作用,可稱為揮舞限動(dòng)塊。直升機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)可能會(huì)遇到惡劣天氣,特別是在海面上執(zhí)行任務(wù)時(shí),復(fù)雜多變的海況會(huì)影響旋翼的起動(dòng)和停轉(zhuǎn),在此過(guò)程中槳葉會(huì)與限動(dòng)塊發(fā)生較為強(qiáng)烈的碰撞[2]。因此,分析研究上限動(dòng)塊開(kāi)裂失效的原因和機(jī)理,并提出改進(jìn)措施,對(duì)促進(jìn)直升機(jī)技術(shù)發(fā)展,提高旋翼槳轂及直升機(jī)的修理和保養(yǎng)質(zhì)量,以及保障直升機(jī)的安全飛行具有重要意義。

圖1 上限動(dòng)塊位置Fig.1 Location of the up-stop blocks

直升機(jī)沿海服役后,例行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)6件上限動(dòng)塊均出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象,失效件上限動(dòng)塊主要加工工藝流程為數(shù)控、熱處理、鉗工、探傷、總檢、鈍化、成檢。本文對(duì)開(kāi)裂限動(dòng)塊進(jìn)行了宏觀觀察、斷口宏觀分析、掃描電鏡觀察和能譜分析以及金相組織觀察、硬度檢測(cè)、化學(xué)成分分析等,確定了上限動(dòng)塊開(kāi)裂的性質(zhì),對(duì)上限動(dòng)塊開(kāi)裂的原因進(jìn)行了綜合分析。

1 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

1.1 失效件宏觀觀察

對(duì)6件失效上限動(dòng)塊進(jìn)行宏觀形貌觀察,裂紋位置見(jiàn)圖2,未見(jiàn)其他開(kāi)裂部位。6件失效件的開(kāi)裂位置大致相同,裂紋長(zhǎng)度見(jiàn)表1。

表1 失效件裂紋長(zhǎng)度(mm)Table 1 Crack length of failed parts(mm)

圖2 失效件形貌Fig.2 Morphology of failed parts

1.2 裂紋附近宏觀觀察

采用實(shí)體顯微鏡對(duì)6件失效件裂紋及其附近形貌進(jìn)行宏觀觀察,裂紋均沿上限動(dòng)塊孔壁處縱向延伸。裂紋由孔口外側(cè)起源,沿孔壁向下延伸,裂紋較直,無(wú)分叉現(xiàn)象,兩側(cè)偶合性較好,如圖3所示。對(duì)孔口處裂紋附近表面進(jìn)行觀察,孔壁外側(cè)表面為數(shù)控加工痕跡,如圖4所示,孔口處可見(jiàn)明顯鉗工機(jī)加工痕跡。

圖3 裂紋形貌Fig.3 Crack morpholog

圖4 孔口處機(jī)加工形貌Fig.4 Machined topography at the orifice

1.3 斷口宏觀觀察

將失效件沿裂紋擴(kuò)展方向打開(kāi),超聲波清洗后觀察斷口形貌,見(jiàn)圖5?？梢钥闯?斷口齊平,部分呈銀灰色,斷面覆蓋一層紅褐色物質(zhì),無(wú)剪切唇口及明顯塑性變形,斷口表面呈顆粒狀堆疊形貌。裂紋起源于孔口外側(cè)45°倒角處(見(jiàn)圖4),呈多源特征,起源處可見(jiàn)凹坑形貌,源區(qū)附近可見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物。

圖5 斷口宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of fracture surface

1.4 裂紋源區(qū)形貌

將斷口打開(kāi)后沿平行于圖3所在面鑲嵌,磨制金相試樣,觀察裂紋源區(qū)微觀形貌。試樣拋光未腐蝕時(shí),可見(jiàn)彎曲樹(shù)枝狀顯微形貌,見(jiàn)圖6(a);試樣腐蝕后,可見(jiàn)樹(shù)枝狀形貌沿晶擴(kuò)展,為沿晶腐蝕形貌,見(jiàn)圖6(b)。

(a)未腐蝕;(b)腐蝕后圖6 裂紋源區(qū)微觀形貌 500×(a) not corroded; (b) after corrosionFig.6 Micro morphology at crack source area 500×

1.5 斷口SEM觀察

采用掃描電子顯微鏡觀察斷口微觀形貌,裂紋源區(qū)附近部分被氧化腐蝕產(chǎn)物覆蓋,見(jiàn)圖7(a);裂紋源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)均為沿晶特征,見(jiàn)圖7(b);瞬斷區(qū)呈韌窩形貌,圖7(c)。

圖7 (a)裂紋源區(qū)腐蝕產(chǎn)物形貌;(b)擴(kuò)展區(qū)沿晶形貌;(c)瞬斷區(qū)韌窩形貌Fig.7 (a)morphology of corrosion products in crack source area;(b)intergranular morphology in expansion area;(c)dimple morphology in final rupture area

1.6 沖擊斷口觀察

在上限動(dòng)塊失效件上截取沖擊試樣,沖擊試樣斷口形貌如圖8所示?？梢钥闯?沖擊斷口可分為起始纖維區(qū)、呈銀灰色有強(qiáng)烈金屬光澤和明顯結(jié)晶顆粒的顆粒狀區(qū)、過(guò)渡纖維區(qū)及最后斷裂的剪切唇區(qū)。起始纖維區(qū)呈淺韌窩形貌,見(jiàn)圖8(b);顆粒狀區(qū)放大形貌為沿晶特征,見(jiàn)圖8(c);過(guò)渡纖維區(qū)及最后斷裂部分均呈剪切韌窩形貌,見(jiàn)圖8(d)。

(a)斷口形貌;(b)起始纖維區(qū)韌窩形貌;(c)擴(kuò)展區(qū)沿晶形貌;(d)最后斷裂區(qū)剪切韌窩形貌圖8 沖擊斷口形貌(a)fracture morphology;(b)dimple morphology in the initial fiber area;(c)intergranular morphology in the expansion area;(d)shear dimple morphology in the final rupture areaFig.8 Morphology of the impact fracture

1.7 斷口能譜分析

對(duì)斷口進(jìn)行能譜分析,結(jié)果見(jiàn)表2。整個(gè)斷面均有腐蝕性Cl元素,且O含量較高,表明斷面大部分區(qū)域被氧化腐蝕。

表2 能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 2 Result of energy spectrum analysis (mass fraction,%)

1.8 金相組織觀察

在失效件上截取金相試樣,用標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼腐蝕溶液輕微擦拭后觀察金相組織,見(jiàn)圖9,存在明顯晶界,表明試樣易被腐蝕。金相組織為回火索氏體[3],可見(jiàn)白色粗大鐵素體。

圖9 淺腐蝕后金相組織 500×Fig.9 Microstructure after shallow corrosion 500×

1.9 硬度檢測(cè)

失效件上限動(dòng)塊回火溫度為460～540 ℃。對(duì)失效件進(jìn)行布氏硬度檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)表3,可以看出3件失效件的布氏硬度均不符合技術(shù)要求。

表3 布式硬度檢測(cè)結(jié)果(HBS)Table 3 Brinell hardness test results(HBS)

1.10 化學(xué)成份分析

對(duì)失效件進(jìn)行材料化學(xué)成分檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)表4,符合航空材料手冊(cè)中1Cr17Ni2材料對(duì)應(yīng)元素含量要求。

表4 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 4 Chemical composition test results(mass fraction,%)

2 分析與討論

2.1 上限動(dòng)塊開(kāi)裂性質(zhì)分析

上限動(dòng)塊在海洋環(huán)境服役后飛機(jī)例行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂。槳葉揮舞時(shí),上限動(dòng)塊開(kāi)裂部位基本不受力;當(dāng)飛機(jī)停止飛行時(shí),槳葉折疊,上限動(dòng)塊受到來(lái)自上變距鎖上鎖銷(xiāo)傳遞的壓應(yīng)力及槳葉震蕩時(shí)的拉壓應(yīng)力。斷面未發(fā)現(xiàn)疲勞斷裂特征,可排除疲勞斷裂的可能性。上限動(dòng)塊在室溫下斷裂,無(wú)三軸應(yīng)力產(chǎn)生條件,斷面及裂紋源區(qū)附近覆蓋腐蝕產(chǎn)物,排除氫脆斷裂的可能性[4]。

上限動(dòng)塊裂紋源區(qū)位于孔口外側(cè)45°倒角處,人工打開(kāi)斷口后發(fā)現(xiàn)斷面覆蓋一層氧化腐蝕產(chǎn)物,斷口齊平,部分呈銀灰色,表面呈顆粒狀堆疊形貌,為結(jié)晶顆粒形貌,即沿晶斷口特征[5],沒(méi)有剪切唇口及明顯的塑性變形。裂紋源區(qū)位于斷口表面,可見(jiàn)凹坑形貌及腐蝕產(chǎn)物,呈多源特征,能譜分析顯示裂紋源區(qū)附近存在腐蝕元素氯,服役環(huán)境為海面環(huán)境,符合應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂環(huán)境條件。因此,上限動(dòng)塊開(kāi)裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[6-7]。

2.2 上限動(dòng)塊開(kāi)裂原因分析

孔壁外側(cè)表面為數(shù)控加工痕跡,符合技術(shù)條件要求。鉗工工序要求“拋光數(shù)控加工不足之處,孔口倒角1×45°”,沒(méi)有鉗工倒角后倒角表面粗糙度要求,該處未進(jìn)行拋光或其他減小粗糙度步驟工序。鉗工倒角后進(jìn)行零件表面鈍化,由于孔口倒角處經(jīng)鉗工機(jī)加工后表面粗糙度較大,影響鈍化對(duì)零件表面的保護(hù)效果,是導(dǎo)致零件在沿海環(huán)境中失效的一個(gè)原因[8]。

金相試樣經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)溶液輕微擦拭后晶界顯示,表明試樣晶界能較低,晶界被弱化,微觀可見(jiàn)粗大鐵素體(見(jiàn)圖9)。熱處理工藝對(duì)1Cr17Ni2鋼組織及性能的影響已有大量文獻(xiàn)報(bào)道[9-12],文獻(xiàn)[13]對(duì)影響1Cr17Ni2鋼中δ-鐵素體含量的因素進(jìn)行研究分析。1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼淬火+高溫回火后的金相組織主要為回火索氏體+δ-鐵素體,鋼中δ-鐵素體為富含Cr的脆性相,它的存在一方面造成組織成分不均勻,另一方面破壞了基體金屬的連續(xù)性,從而使鋼的韌性降低[14-16]。

上限動(dòng)塊硬度要求為352～415 HBS,對(duì)應(yīng)回火溫度范圍為460～540 ℃(油冷或水冷),所檢測(cè)的三個(gè)失效件硬度均不符合技術(shù)要求。《中國(guó)航空材料手冊(cè)》中對(duì)1Cr17Ni2鋼的描述為：1)如果按硬度選擇回火溫度,硬度要求為320～375 HBS時(shí),回火溫度的選擇范圍為480～540 ℃(油冷或水冷);硬度要求>375 HBS時(shí),應(yīng)選擇回火溫度<350 ℃(空冷)。2)為避免出現(xiàn)回火脆性,除零件有特殊要求外,不宜在400～580 ℃溫度范圍內(nèi)回火。

上限動(dòng)塊根據(jù)布氏硬度選擇對(duì)應(yīng)回火溫度范圍時(shí),硬度在352～415 HBS范圍內(nèi)將對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同回火溫度區(qū)間：①硬度在352～375 HBS范圍內(nèi),選擇回火溫度480～540 ℃;②硬度在375～415 HBS范圍內(nèi),選擇回火溫度<350 ℃。

第二類(lèi)回火脆性的發(fā)生主要有以下兩種情況[17]：1)回火溫度高于600 ℃,在450～550 ℃溫度區(qū)間緩慢冷卻;2)直接在450～550 ℃溫度區(qū)間回火。這種脆性可以采用重新加熱至600 ℃以上溫度,隨后快速冷卻的方法予以消除,這種脆性為第二類(lèi)回火脆性,也稱可逆回火脆性、高溫回火脆性。

在上限動(dòng)塊無(wú)缺陷位置取樣制備沖擊試樣,沖擊斷口宏觀形貌分為四個(gè)部分：起始纖維區(qū)、呈銀灰色有強(qiáng)烈金屬光澤和明顯結(jié)晶顆粒的顆粒狀區(qū)、過(guò)渡纖維區(qū)、最后斷裂部分的剪切唇區(qū)。起始纖維區(qū)呈淺韌窩形貌,顆粒狀區(qū)放大形貌為沿晶特征,過(guò)渡纖維區(qū)及最后斷裂部分均呈剪切韌窩形貌。表明上限動(dòng)塊在460～540 ℃區(qū)間回火后出現(xiàn)了回火脆性,使得上限動(dòng)塊室溫沖擊韌性大幅降低的同時(shí),韌-脆轉(zhuǎn)變溫度顯著提高。這是導(dǎo)致上限動(dòng)塊開(kāi)裂失效的根本原因。

綜上所述,上限動(dòng)塊失效的直接原因是海洋環(huán)境造成的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,回火后材料出現(xiàn)的回火脆性是上限動(dòng)塊開(kāi)裂的根本原因,孔口倒角處鉗工機(jī)加工后表面粗糙度較大促進(jìn)了零件的開(kāi)裂。

3 結(jié)論與預(yù)防

1)上限動(dòng)塊裂紋起源位置基本相同,開(kāi)裂性質(zhì)均為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是上限動(dòng)塊開(kāi)裂的直接原因,回火溫度不當(dāng)造成的回火脆性是開(kāi)裂的根本原因,加工后表面粗糙度較大加速了上限動(dòng)塊的開(kāi)裂。

2)對(duì)表面進(jìn)行噴涂面漆處理,降低了材料表面應(yīng)力腐蝕敏感性。鉗工工序要求“拋光數(shù)控加工不足之處,孔口倒角1×45°”,增加表面粗糙度要求,倒角后粗糙度Ra≥1.6。

3)建議結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求將上限動(dòng)塊硬度要求調(diào)整為352～375 HBS或375～415 HBS。