馮冬云，李 伯

(北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100621)

硬度測量是衡量金屬材料軟硬的一個指標(biāo)，它是金屬材料的一種重要機(jī)械性能。硬度值的大小不僅取決于金屬的成分和組織結(jié)構(gòu)，而且還取決于測量的條件和方法，它是彈性、塑性、塑性變形強(qiáng)化率、強(qiáng)度和韌性等一系列不同物理量的綜合性能指標(biāo)。一般可以認(rèn)為硬度是指金屬表面上相同體積內(nèi)抵抗變形破裂的能力。硬度檢測是機(jī)械性能檢測中最迅速、最簡便，而且不破壞工件的唯一檢測方法。

1 硬度檢測的特點(diǎn)和應(yīng)用

硬度檢測一般在金屬表面局部范圍內(nèi)產(chǎn)生很小的壓痕，它不致使產(chǎn)品或零件受到破壞，通?？梢暈闊o損檢測。因而對大多數(shù)機(jī)件可直接使用成品進(jìn)行試驗(yàn)，而無需專門加工試驗(yàn)件。同時應(yīng)用硬度檢測也易于對金屬表面層的情況進(jìn)行檢查，如脫碳與滲碳、表面淬火、表面過熱以及化學(xué)熱處理后的表面質(zhì)量等。硬度與其他機(jī)械性能之間存在著一定的關(guān)系，因此在工業(yè)生產(chǎn)中能用以判斷、檢驗(yàn)金屬材料或產(chǎn)品、零件的機(jī)械性能以及在生產(chǎn)流程中用于工藝控制。硬度檢測具有很高的工作效率，易于實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品進(jìn)行100%的檢驗(yàn)。在某些情況下，產(chǎn)品零件不可能加工出試樣，這時硬度檢測就是進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)的唯一途徑。同時，針對一些大型零部件和形狀復(fù)雜的零部件，可利用便攜式硬度計進(jìn)行硬度檢測。

由于硬度檢測具有上述特點(diǎn)，加之試驗(yàn)方法的不斷改進(jìn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科研工作中均已得到廣泛應(yīng)用，成為機(jī)械性能試驗(yàn)中不可缺少的重要方法。

2 硬度檢測在發(fā)動機(jī)零件檢查中的應(yīng)用

2.1 硬度檢測中硬度標(biāo)尺換算的應(yīng)用

在硬度檢測過程中，有時受限于被測樣品尺寸和形狀或檢測設(shè)備的工作條件，不能對要求的硬度標(biāo)尺進(jìn)行直接檢測。針對上述情況，在民航維修領(lǐng)域制定了專門的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即MH/T 3020—2011《金屬硬度標(biāo)尺的轉(zhuǎn)換》。例如，RB211-535E4-37型發(fā)動機(jī)，5DM3670單元體，按發(fā)動機(jī)廠家手冊要求，其低壓渦輪第一級盤、低壓渦輪第二級盤和低壓渦輪第三級盤的硬度值應(yīng)至少為321 HBW。由于檢測設(shè)備的限制，目前尚無滿足需求的布氏硬度計，因此可依據(jù)MH/T 3020—2011，將硬度標(biāo)尺由布氏換算為維氏，其換算硬度值為334 HV。在此基礎(chǔ)上可選擇臺式維氏硬度計作為檢測設(shè)備，輔以千斤頂式的支座，即順利完成了對其的硬度檢測工作。

2.2 硬度檢測在發(fā)動機(jī)零件過熱檢查中的應(yīng)用

發(fā)動機(jī)在工作期間如發(fā)生超溫現(xiàn)象，首先需進(jìn)行硬度檢測以確認(rèn)其零件是否過熱。例如，件號分別為 VL29028、SETM1148、SETY555發(fā)動機(jī)低壓渦輪盤，零件為不銹鋼材料，因該發(fā)動機(jī)經(jīng)過高溫，根據(jù)廠家手冊要檢查榫頭前緣的有效硬度，測量圓周上相互間隔90°的四個位置。如果硬度超過321 HB(334 HV)視為可用，如果低于321 HB(334HV)則視為不可用。應(yīng)用臺式維氏硬度計對其進(jìn)行硬度檢測后，其測試硬度值如表1所示。

表1 低壓渦輪盤的維氏硬度值Table 1 Vickers hardness value of low pressure turbine disk

將以上檢測結(jié)果報某公司后，經(jīng)其核對，確認(rèn)該發(fā)動機(jī)零件沒有過熱，可繼續(xù)使用。

3 硬度檢測在發(fā)動機(jī)零件等離子噴涂修理中的應(yīng)用

在對RB211-535E4-37/39型發(fā)動機(jī)進(jìn)行大修時，其3DM4614單元體修理工作要求高壓渦輪一級轉(zhuǎn)子空氣封嚴(yán)零件采用metco320等離子噴涂進(jìn)行修理。同時，4DM6157單元體的高壓渦輪一級內(nèi)罩環(huán)、高壓渦輪二級內(nèi)罩環(huán)、高壓渦輪一級機(jī)匣、高壓渦輪二級機(jī)匣、高壓渦輪三級機(jī)匣、高壓渦輪四級機(jī)匣也要求采用metco320等離子噴涂進(jìn)行修理。該涂層為ALSI-BN材料，按照羅羅標(biāo)準(zhǔn)大修工藝手冊需先按等離子噴涂的標(biāo)準(zhǔn)工藝對試樣進(jìn)行噴涂。試樣材料為不銹鋼，噴涂試樣的硬度測試結(jié)果應(yīng)為45～70 HR15Y，并通過試樣的硬度值來調(diào)節(jié)等離子噴涂工藝參數(shù)，直到硬度試樣合格，再進(jìn)行金相檢查。金相檢查合格后，再將硬度試樣加熱至425℃，保溫2 h進(jìn)行時效處理，再進(jìn)行硬度檢測時其硬度值應(yīng)大于零。完成上述所有測試后，即可按選定的參數(shù)對待修發(fā)動機(jī)零件進(jìn)行等離子噴涂修理。廠家手冊規(guī)定，最終需對所有等離子噴涂修理后的零件進(jìn)行硬度檢測，為此我們設(shè)計并加工了專用的工裝夾具，見圖1，并應(yīng)用其在臺式表面洛氏硬度計上進(jìn)行測試。例如，對高壓渦輪一級機(jī)匣進(jìn)行硬度檢測，其零件見圖2，其設(shè)計的工裝見圖3，其硬度檢測見圖4。

圖1 涂層硬度檢測工裝Fig.1 The fixture of coating hardness testing

類似上述的情況還有很多，均需在其硬度檢測時設(shè)計相應(yīng)的工裝。

4 硬度檢測在飛機(jī)附件大修中的應(yīng)用

硬度檢測在飛機(jī)附件大修中一般作為例行檢查程序，有時也作為過熱檢查的方法。例如，對于件號為107484-7，序號為7478的高壓級調(diào)節(jié)器，檢查要求對表面A和表面B分別進(jìn)行洛氏硬度檢測，見圖5。硬度值必須為27～60 HRB，如果表面硬度不符合要求，必須更換部件。根據(jù)其要求，我們應(yīng)用臺式洛氏硬度計對此附件進(jìn)行檢測。另如，對件號為121666-13的主球螺桿作動器的活門板組件也要進(jìn)行硬度檢測，其要求封嚴(yán)固化后活門板的硬度應(yīng)最小為27 HRB。在實(shí)際檢測中，我們需要設(shè)計并使用相應(yīng)的工裝夾具，以確保測試面垂直于壓頭的加載軸線。由于震動或沖擊會增加慣性負(fù)荷，從而影響試驗(yàn)結(jié)果，還需保證初負(fù)荷及主負(fù)荷均能夠平穩(wěn)地施加在附件的表面上。

圖2 高壓渦輪一級機(jī)匣Fig.2 Stage casing of high-pressure turbine

圖3 硬度檢測工裝Fig.3 The fixture of hardness testing

圖4 涂層硬度檢測Fig.4 The testing of coating hardness

圖5 高壓級調(diào)節(jié)器Fig.5 High pressure level regulator

5 便攜式硬度計在飛機(jī)維修中的應(yīng)用

民航維修業(yè)的工作特殊性決定，我們可能在現(xiàn)場對飛機(jī)本體及其發(fā)動機(jī)或其他大型零件進(jìn)行硬度檢測，此時即需使用便攜式硬度計。如何根據(jù)不同的零件，不同的檢測條件，合理地選擇硬度計顯得尤為重要。例如，對大尺寸的發(fā)動機(jī)零件，像燃燒室外機(jī)匣組件和IPC前軸承支撐-前軸承腔和I.G.V.組件，見圖6和圖7，通常要求對其安裝邊進(jìn)行硬度檢測，我們選擇的設(shè)備為便攜式洛氏硬度計，見圖8。

這種硬度計測量時的加載方式為直接加載，相對平整的檢測面也符合其應(yīng)用要求，且直接測量所要求的硬度標(biāo)尺，不存在硬度標(biāo)尺轉(zhuǎn)換的問題。綜上所述，相對于使用其他的設(shè)備，應(yīng)用其進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果要可靠得多。

圖6 燃燒室外機(jī)匣組件Fig.6 The casing component of combustion chamber

圖7 IPC前軸承支撐-前軸承腔和I.G.V.組件Fig.7 IPC front bearing-front bearing cavity and I.G.V.component

圖8 便攜式洛氏硬度計Fig.8 Portable Rockwell hardness tester

另如，對起落架輪軸進(jìn)行硬度檢測，考慮到其工作載荷大，以及高溫高壓高腐蝕性的惡劣工作環(huán)境，一般大修時均采用硬度檢測方式對其進(jìn)行過熱檢查。若飛機(jī)有非正常的操作，則還需到飛機(jī)現(xiàn)場對其疑似過熱區(qū)域進(jìn)行硬度檢測。因該零件外型尺寸極大，且測試部位為圓弧面，為確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們選擇了電阻式便攜式硬度計，見圖9。其工作原理為通過測量壓頭與測試樣品之間形成電路的阻值變化來量化壓痕深度，具有施加載荷小、壓痕淺的特點(diǎn)，其內(nèi)置有硬度標(biāo)尺轉(zhuǎn)換功能;且應(yīng)用前均使用與被測試樣硬度值相近的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定，所以其檢測結(jié)果也是相對準(zhǔn)確的。

圖9 電阻型便攜式硬度計Fig.9 Resistance type portable hardness tester

我們曾將其應(yīng)用于件號為65B05133-27的機(jī)翼機(jī)身主架輪軸梁組件檢查中，進(jìn)行酸蝕檢查發(fā)現(xiàn)其軸面有疑似過熱現(xiàn)象，上報波音公司后，要求對硬度檢測予以確認(rèn)。該零件價值高達(dá)十余萬美元，制造材料為4340高強(qiáng)鋼，正常的硬度范圍為52～58 HRC，一旦硬度值結(jié)果低于52 HRC即認(rèn)為失效報廢。應(yīng)用電阻式便攜式硬度計對疑似過熱面進(jìn)行硬度檢測，測試值分別為 56.0、56.6、56.0、56.1、56.4 HRC。在將上述測試結(jié)果向波音公司匯報后，經(jīng)調(diào)查認(rèn)可該檢測結(jié)果并得出零件可繼續(xù)使用結(jié)論。類似的例子還有很多，均充分證明了便攜式硬度計在民航維修領(lǐng)域中廣泛和成功的應(yīng)用。

6 常用硬度測試應(yīng)注意的問題

進(jìn)行硬度檢測時，試樣表面應(yīng)平整，無銹皮、裂縫、顯著加工痕跡、凹坑及其它涂抹物。如有需要，試樣在加工或除去表面的修皮、污垢時應(yīng)保持材料原有狀態(tài)，使其組織性能不變。測試面和支撐面、壓頭表面以及載樣臺面應(yīng)清潔而無外來污物附著，試樣應(yīng)平穩(wěn)地安置在載樣臺上，檢測過程中不應(yīng)發(fā)生滑動。對彎曲形試樣進(jìn)行檢測時，應(yīng)將其凸面緊貼于載樣臺上，以免因彈性變形影響試驗(yàn)結(jié)果。加載過程中，確保試驗(yàn)力施加方向與試樣測試面垂直。在任何情況下，不允許壓頭與載樣臺相觸碰，在試樣支撐面及載物臺工作面上均不得有壓痕痕跡。由于洛氏和表面洛氏硬度應(yīng)用較為普遍，試樣形狀各異，所以試樣的正確安放與載物臺的恰當(dāng)選擇就成為準(zhǔn)確測量試樣硬度極為重要的條件。對于許多復(fù)雜形狀的試樣，須根據(jù)實(shí)際需要準(zhǔn)備適用的特殊載樣臺。

［1］ 何肇基.金屬的力學(xué)性質(zhì)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1982.

［2］ 四川五局.金屬材料機(jī)械性能試驗(yàn)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1983.