孫 倩，孫文芳

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 300300)

0 引 言

碳化鎢爆炸噴涂是將氧氣、乙炔和丙烷送入燃料室中點(diǎn)火后爆炸，送粉器霧化的粉末受熱后以超高音速隨爆炸氣體一起射向被噴涂的工件表面，在工件表面形成具有特殊性能涂層的工藝[1]，噴涂后使工件表面獲得極好的耐磨損、耐腐蝕等基材不具備的特性，延長(zhǎng)零部件使用壽命數(shù)倍至數(shù)十倍。碳化鎢涂層的優(yōu)越性能大大降低停機(jī)率，提高了經(jīng)濟(jì)效益，從而廣泛用于直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的關(guān)鍵受力緊固件、連接件中。在實(shí)際使用飛行過(guò)程中，關(guān)鍵受力緊固件、連接件斷裂故障對(duì)直升機(jī)的安全有極大大的隱患[2]。

某型機(jī)噴涂了碳化鎢涂層的旋翼阻尼器安裝螺栓發(fā)生多起斷裂或出現(xiàn)裂紋的故障，該螺栓連接液壓阻尼器至旋翼槳轂中央件，使液壓阻尼器產(chǎn)生的軸向載荷傳遞給中央件和旋翼支臂，主要承受液壓阻尼器產(chǎn)生的槳葉擺振方向的靜、動(dòng)載載荷及液壓阻尼器左端蓋關(guān)節(jié)軸承傳過(guò)來(lái)的力矩，并與相配的襯套內(nèi)孔和軸承內(nèi)圈相互劇烈磨損。阻尼器安裝螺栓是旋翼系統(tǒng)的重要件，直接影響直升機(jī)飛行安全。

筆者通過(guò)對(duì)斷裂螺栓、裂紋螺栓外觀形貌觀察、樣件對(duì)比、斷裂螺栓斷口宏微觀觀察，并對(duì)裂紋螺栓進(jìn)行人工打開(kāi)后斷口宏微觀觀察，對(duì)影響螺栓壽命的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、裝配工藝、阻尼器性能等逐一排查，結(jié)合斷裂螺栓和裂紋螺栓碳化鎢涂層質(zhì)量和基體檢測(cè)結(jié)果，碳化鎢涂層殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，確定斷裂性質(zhì)，分析明確斷裂原因。并對(duì)螺栓斷裂故障影響進(jìn)行分析，明確外場(chǎng)處置措施，保證飛行任務(wù)順利進(jìn)行及確保飛行安全。

1 試驗(yàn)與分析

1.1 機(jī)上同批次阻尼器安裝螺栓檢查

對(duì)機(jī)上分解下的同批次同圖號(hào)的5件阻尼器安裝螺栓進(jìn)行熒光磁粉探傷檢查，發(fā)現(xiàn)其中4件中央件端阻尼器安裝螺栓存在裂紋，見(jiàn)圖1。

圖1 同批次阻尼器安裝螺栓裂紋情況

1.2 故障件斷裂外觀觀察

斷裂螺栓如圖2所示。與阻尼器配合光桿段表面磨損相對(duì)較重，顏色發(fā)黑，與中央件配合光桿表面磨損相對(duì)較輕。

圖2 斷裂螺栓斷口外觀

斷裂螺栓斷口高差較大，斷口可見(jiàn)典型的疲勞弧線，從弧線收斂方向可判斷源區(qū)位于螺栓表面區(qū)域，斷口呈線源。整個(gè)斷面疲勞區(qū)面積占斷口面積超過(guò)95%，瞬斷面積較小，斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)大量的疲勞弧線特征，見(jiàn)圖3。

圖3 斷裂螺栓斷口弧形形貌

1.3 微觀觀察

呈線源，位于螺栓一側(cè)，可見(jiàn)放射棱線匯聚于涂層界面，裂紋源區(qū)涂層斷面相對(duì)較平整，無(wú)明顯二次裂紋，涂層與基體結(jié)合良好，未見(jiàn)明顯層間裂紋。擴(kuò)展期高倍可見(jiàn)典型疲勞條帶。裂紋擴(kuò)展中期重新線性起源，擴(kuò)展后期還可見(jiàn)大量的細(xì)密的疲勞條帶，瞬斷區(qū)為韌窩特征，見(jiàn)圖4。

圖4 螺栓斷口微觀形貌

1.4 金相分析

斷裂螺栓涂層厚度0.166 mm,涂層的孔隙率范圍為1.46%～4.15%，超出技術(shù)要求(≤1.5%)。對(duì)其他裂紋螺栓、疲勞試驗(yàn)后的螺栓、新件等也進(jìn)行了金相觀察，疲勞試驗(yàn)螺栓和新件涂層界面已發(fā)生開(kāi)裂，還存在從涂層外表面向界面發(fā)展的小裂紋，且涂層的孔隙率范圍均超出技術(shù)要求[3]。

對(duì)各螺栓的涂層采用電子探針進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，故障件螺栓C元素略高，超出技術(shù)要求。

1.5 硬度測(cè)試

對(duì)斷裂螺栓、裂紋螺栓、疲勞試驗(yàn)螺栓、新件進(jìn)行硬度測(cè)試，螺栓基體硬度均符合技術(shù)要求。

對(duì)斷裂螺栓、裂紋螺栓、疲勞試驗(yàn)螺栓、新件涂層進(jìn)行硬度測(cè)試，其中試驗(yàn)件和新件螺栓的涂層硬度存在多處硬度不符合技術(shù)要求。

1.6 殘余應(yīng)力測(cè)試

對(duì)斷裂螺栓、裂紋螺栓、試驗(yàn)螺栓和新件表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，螺栓表面均為殘余壓應(yīng)力。

1.7 分析與小結(jié)

斷裂螺栓和裂紋螺栓開(kāi)裂位置相近，斷口源區(qū)均位于表面，呈線源，擴(kuò)展區(qū)宏微觀可見(jiàn)大量的疲勞弧線和疲勞條帶特征，可知螺栓失效性質(zhì)為疲勞。

對(duì)比故障螺栓和疲勞試驗(yàn)件或新件，可知故障螺栓表面涂層C元素含量稍高，涂層硬度也較高，殘余應(yīng)力相對(duì)較大。疲勞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知故障批螺栓疲勞壽命遠(yuǎn)低于其他完好批。

綜上所述，螺栓斷裂性質(zhì)為疲勞，其疲勞斷裂的原因是故障批螺栓的疲勞性能偏低，可能與噴涂工藝過(guò)程控制不嚴(yán)有關(guān)。

2 試驗(yàn)復(fù)查情況

2.1 設(shè)計(jì)、強(qiáng)度、試驗(yàn)復(fù)查

復(fù)查阻尼器安裝螺栓的定型試驗(yàn)件狀態(tài)、設(shè)計(jì)定型狀態(tài)、疲勞試驗(yàn)、壽命評(píng)定等，設(shè)計(jì)定型狀態(tài)阻尼器安裝螺栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和壽命評(píng)估方法正確，結(jié)論有效，滿足壽命指標(biāo)。

2.2 螺栓制造工藝復(fù)查情況

故障批次制造工藝流程如圖5所示，為最新批產(chǎn)制造工藝流程。

圖5 故障批次制造工藝流程

與定型疲勞試驗(yàn)批次制造工藝流程相比，在碳化鎢噴涂工序前增加了無(wú)心磨工序及取消標(biāo)印工序，在碳化鎢噴涂工序后增加了復(fù)驗(yàn)、鉗工、標(biāo)印、成品保護(hù)及軍檢工序，其余工序一致。

增加無(wú)心磨工序原因：采用無(wú)心磨磨削僅為保證設(shè)計(jì)圖樣中碳化鎢噴涂前表面粗糙度R1.6要求。

增加鉗工、成品保護(hù)工序原因：采用鉗工工序?yàn)榱思?xì)化分工，將車(chē)工去毛刺改為鉗工去毛刺，同時(shí)增加螺栓周轉(zhuǎn)防護(hù)要求。

結(jié)論：阻尼器安裝螺栓故障批次制造工藝在定型疲勞試驗(yàn)批次基礎(chǔ)上進(jìn)行工序調(diào)整，但不影響螺栓的制造質(zhì)量。

2.3 原材料復(fù)查

阻尼器安裝螺栓鍛件材料為35Cr2Ni4MoA，II類鍛件，發(fā)生斷裂的螺栓鍛件所使用的原材料爐批號(hào)為母爐：1420312489，子爐：14223070116，入廠數(shù)量212件，其中2件用于破壞試驗(yàn)，其余210件復(fù)驗(yàn)合格，該批螺栓原材料符合圖紙技術(shù)要求。

2.4 機(jī)械加工過(guò)程復(fù)查

對(duì)斷裂阻尼器安裝螺栓的生產(chǎn)檢驗(yàn)記錄、關(guān)重特性記錄表進(jìn)行復(fù)查，記錄完整，該批次螺栓生產(chǎn)過(guò)程受控，未辦理不合格品審理。

2.5 熱處理過(guò)程復(fù)查情況

對(duì)斷裂阻尼器安裝螺栓的熱處理生產(chǎn)檢驗(yàn)記錄單、熱處理制件實(shí)測(cè)硬度記錄表、室溫力學(xué)檢測(cè)報(bào)告進(jìn)行復(fù)查，該批次螺栓熱處理過(guò)程符合圖紙技術(shù)要求。

2.6 液壓阻尼器性能復(fù)測(cè)

對(duì)裝機(jī)的6件液壓阻尼器進(jìn)行性能復(fù)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1、2，可知6件液壓阻尼器的性能均滿足要求。

表2 3.5 Hz下要求值液壓阻尼器載荷性能(kN)對(duì)比

2.7 鍍鎘-鈦過(guò)程復(fù)查情況

對(duì)斷裂阻尼器安裝螺栓的鍍鎘-鈦生產(chǎn)檢驗(yàn)記錄單、金屬化學(xué)/電化學(xué)處理生產(chǎn)檢驗(yàn)記錄單、室溫力學(xué)性能檢測(cè)報(bào)告進(jìn)行核查，該批次螺栓鍍鎘-鈦過(guò)程符合圖紙和標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.8 碳化鎢噴涂工序復(fù)查

爆炸噴涂碳化鎢涂層工藝過(guò)程：

對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量和外觀檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格的零件采用爆炸噴涂方法按以下工藝過(guò)程在工件表面制備碳化鎢涂層：

除油→防護(hù)→噴砂→夾裝→噴涂→去防護(hù)→粗磨→精磨→水洗磨削液→烘干→拋光→檢驗(yàn)→真空包裝。

工件噴涂碳化鎢前表面采用噴砂粗化處理，由于砂礫的嵌入和割傷形成疲勞源，疲勞壽命會(huì)顯著降低。

復(fù)查碳化鎢噴涂過(guò)程的人員、設(shè)備、材料、工藝方法、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、性能檢測(cè)等方面，發(fā)現(xiàn)故障件批次螺栓噴涂遍數(shù)過(guò)多造成碳化鎢粉末過(guò)熱和送粉不均勻，導(dǎo)致碳化鎢涂層硬度偏高或偏低[4]。涂層硬度偏高在較大載荷作用下易產(chǎn)生裂紋[5]。因此送粉器故障是影響本批次阻尼器安裝螺栓碳化鎢涂層質(zhì)量穩(wěn)定性的主要原因。

通過(guò)上述復(fù)查和斷口分析，排除設(shè)計(jì)原因，確定為該批次螺栓碳化鎢噴涂工序質(zhì)量不穩(wěn)定導(dǎo)致螺栓提前出現(xiàn)疲勞斷裂。

3 故障件螺栓斷裂的影響分析

3.1 故障件斷裂對(duì)該槳轂中央件的影響分析

在故障件斷裂過(guò)程中，存在僅中央件單側(cè)耳片承受阻尼器載荷的情況，鑒于故障件斷裂后到發(fā)現(xiàn)前經(jīng)過(guò)一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，經(jīng)歷較多大載荷循環(huán)，損傷很大，中央件剩余壽命無(wú)法評(píng)估，故該中央件報(bào)廢。

3.2 液壓阻尼器一端脫開(kāi)影響分析

液壓阻尼器與中央件相連的螺栓斷裂，導(dǎo)致液壓阻尼器一端脫開(kāi)，在離心力的作用下，液壓阻尼器甩出，重心位置發(fā)生變化，造成主槳轂離心力不平衡，經(jīng)強(qiáng)度評(píng)估，一端脫開(kāi)造成的離心力不平衡不會(huì)影響飛行安全。

3.3 旋翼氣彈穩(wěn)定性分析

球柔性旋翼氣彈穩(wěn)定性分析中，阻尼最小的模態(tài)為擺振一階。擺振一階模態(tài)的阻尼主要來(lái)自三個(gè)部分：液壓阻尼器阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼、氣動(dòng)阻尼，其中液壓阻尼器阻尼占主要成分。因此，液壓阻尼器失效后主要評(píng)估對(duì)擺振一階模態(tài)的穩(wěn)定性影響[6]。

對(duì)于阻尼器傳統(tǒng)布置旋翼的氣彈穩(wěn)定性，分析通?？紤]每片槳葉的獨(dú)立狀態(tài)，阻尼的下降僅和與其相連接的液壓阻尼器失效相關(guān)。當(dāng)液壓阻尼器失效后，槳葉還具有結(jié)構(gòu)阻尼和氣動(dòng)阻尼，結(jié)構(gòu)阻尼和氣動(dòng)阻尼較小，其中氣動(dòng)阻尼涉及極其復(fù)雜的非定常空氣動(dòng)力學(xué)，很難用計(jì)算分析給出準(zhǔn)確值[7]。

故障件斷裂，即單個(gè)液壓阻尼器阻尼功能失效后的故障飛行經(jīng)驗(yàn)過(guò)程表明：當(dāng)單個(gè)阻尼器失效后，采用穩(wěn)定飛行狀態(tài)時(shí)，槳葉運(yùn)動(dòng)仍然是穩(wěn)定的。當(dāng)采用非平穩(wěn)飛行狀態(tài)時(shí)(降落前的消速下滑)，由于槳葉受到較大擾動(dòng)，在沒(méi)有液壓阻尼器的情況下擾動(dòng)衰減緩慢，振動(dòng)增加明顯，但飛行結(jié)果表明該振動(dòng)依然是衰減的，因此可以判定，此時(shí)的結(jié)構(gòu)阻尼和氣動(dòng)阻尼仍然可以保證穩(wěn)定，但是穩(wěn)定性裕度較小。

3.4 地面共振影響分析

阻尼器失效時(shí)，失效的阻尼器越多，抑制共振的可用阻尼越小，越容易發(fā)生地面共振。若空中飛行出現(xiàn)阻尼器失效，著陸時(shí)按直升機(jī)飛行手冊(cè)應(yīng)急程序中地面共振的處置措施，觸地后迅速將總距放到底，收油門(mén)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。

3.5 對(duì)旋翼結(jié)構(gòu)損傷分析

液壓阻尼器中央件端脫開(kāi)后，液壓阻尼器在離心力的作用下將繞阻尼器與連接件相連的關(guān)節(jié)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓阻尼器與液壓折疊管路相連，有一定的固定作用。液壓阻尼器在離心力的作用下會(huì)導(dǎo)致液壓折疊管路變形、斷裂；液壓阻尼器揮舞9°以上就會(huì)與中央件叉耳完全脫離，關(guān)節(jié)軸承最大揮舞角度為±22°，之后可能會(huì)與變距搖臂和變距拉桿反復(fù)磕碰，并越過(guò)變距搖臂和變距拉桿與連接件和折疊接頭相撞。

液壓折疊管路屬于液壓折疊系統(tǒng)，為輔助液壓系統(tǒng)，與用于飛行操縱的液壓系統(tǒng)(主液壓系統(tǒng))通過(guò)多個(gè)單向閥、電磁閥隔離，液壓折疊管理斷裂不會(huì)影響直升機(jī)操縱。

液壓阻尼器可能會(huì)與變距搖臂和變距拉桿反復(fù)相碰，但此處液壓阻尼器擺動(dòng)空間較小，碰撞力不大，變距搖臂和變距拉桿會(huì)造成一定程度的磕傷，但不會(huì)危及直升機(jī)飛行安全。

當(dāng)液壓阻尼器越過(guò)變距搖臂和變距拉桿后，將會(huì)與連接件和折疊接頭相碰，但不會(huì)與槳葉根部相撞。由于此時(shí)液壓阻尼器運(yùn)動(dòng)行程較長(zhǎng)，發(fā)生碰撞時(shí)有較大速度，碰撞力較大，會(huì)導(dǎo)致連接件和折疊接頭發(fā)生損傷，立即通過(guò)平緩操縱轉(zhuǎn)入平穩(wěn)飛行返航，具備著陸條件后應(yīng)立即著陸，并放低總距，迅速關(guān)車(chē)，可以保證直升機(jī)飛行安全。

通過(guò)上述分析認(rèn)為：故障件螺栓斷裂對(duì)中央件阻尼器耳片造成了很?chē)?yán)重的疲勞損傷，中央件剩余壽命無(wú)法評(píng)估，該中央件報(bào)廢。

液壓阻尼器與中央件、支臂脫開(kāi)后，對(duì)旋翼氣彈穩(wěn)定性和地面共振均有一定的影響[4]。液壓阻尼器與中央件、支臂脫開(kāi)時(shí)，飛行員能感覺(jué)到振動(dòng)異常，需要轉(zhuǎn)入平穩(wěn)飛行，著陸時(shí)按直升機(jī)飛行手冊(cè)應(yīng)急程序章節(jié)地面共振的處置措施，觸地后迅速將總距放到底，收油門(mén)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，避免液壓阻尼器脫開(kāi)對(duì)飛行安全造成影響。

4 外場(chǎng)處置措施

由于故障件螺栓斷裂對(duì)中央件阻尼器耳片造成很?chē)?yán)重的疲勞損傷，導(dǎo)致中央件剩余壽命無(wú)法評(píng)估，報(bào)廢中央件。因此在外場(chǎng)裝機(jī)過(guò)程中，選用疲勞試驗(yàn)考核合格的其他批次螺栓裝機(jī)，保證飛行過(guò)程中旋翼氣彈穩(wěn)定性和地面共振。定期將螺栓離機(jī)進(jìn)行磁力探傷檢查和監(jiān)控使用，保證飛行安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)故障件進(jìn)行外觀觀察、斷口宏微觀觀察、金相分析、硬度測(cè)試、表面涂層等評(píng)價(jià)，得出螺栓提前出現(xiàn)疲勞裂紋或斷裂的原因是碳化鎢噴涂工藝出現(xiàn)批次性質(zhì)量問(wèn)題。

螺栓的斷裂與原材料、熱處理、制造工藝、液壓阻尼器性能無(wú)關(guān)。

螺栓斷裂的原因?yàn)閲娡勘閿?shù)過(guò)多造成碳化鎢粉末過(guò)熱和送粉不均勻會(huì)導(dǎo)致碳化鎢涂層硬度偏高或偏低。涂層硬度不穩(wěn)定導(dǎo)致在較大載荷作用下易產(chǎn)生裂紋。因此送粉器故障是影響本批次阻尼器安裝螺栓碳化鎢涂層質(zhì)量穩(wěn)定性的主要原因。

解決了故障件螺栓斷裂問(wèn)題，保證飛行安全，為后續(xù)故障件出現(xiàn)類似狀況提供了解決方案。