盛永清，王浩軍，陳素明

(西安飛機工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 制造工程部，陜西 西安 710089)

鋁合金因輕質(zhì)、耐蝕性好等特性，是航空、航天不可或缺的重要材料[1-2]。現(xiàn)役飛機中常用硼酸-硫酸、鉻酸、硫酸等陽極氧化處理零部件，來獲得表面致密、耐蝕性好的鋁合金氧化膜層。但是在一定的環(huán)境條件下，鋁合金零件仍有很強的腐蝕敏感性，易發(fā)生應(yīng)力腐蝕情況，國內(nèi)外對高強高韌鋁合金的應(yīng)力腐蝕開裂研究分析報道比較多[3-5]，但對2A12鋁合金的應(yīng)力腐蝕開裂的研究較少。

某飛機設(shè)備艙氧氣導(dǎo)管接頭外套螺母材質(zhì)為2A12鋁合金，在飛機服役或停放一段時間后，位于進(jìn)氣端的外套螺母多處發(fā)現(xiàn)裂紋、腐蝕現(xiàn)象。為此，本文作者分析該裂紋產(chǎn)生的原因，并提出改善措施。

1 裂紋的形貌

1.1 裂紋宏觀形貌

外套螺母裂紋主要出現(xiàn)在螺母側(cè)面，從端頭開始，端頭開口較寬，已穿透，裂紋長短不一，如圖1所示。螺紋端面裂紋伴有局部腐蝕。

1.2 裂紋特點

為便于對裂紋斷口進(jìn)行宏觀和微觀觀察，將螺母的裂紋采用人為打開。 螺母裂紋斷口沿螺母表面起始，宏觀無明顯塑性變形、較平直，顏色比人為打斷區(qū)略暗，且長度越長的裂紋斷口色澤越暗，斷口表面有目視可見的覆蓋物，呈顆粒狀，斷口宏觀全貌如圖2所示。微觀呈沿晶斷裂，可見大量顆粒狀覆蓋物及龜裂特征，斷口微觀形貌如圖3所示。人為打開斷口區(qū)呈韌窩斷裂特征，螺母人工斷口微觀形貌如圖4所示。

圖2 螺母裂紋斷口宏觀全貌Fig.2 Full view of the nut crack fracture

圖3 螺母裂紋斷口微觀形貌Fig.3 Fracture morphologies of the nut cracks

圖4 螺母人工斷口微觀形貌Fig.4 Manual fracture morphology of the nut

1.3 陽極氧化形貌觀察

掃描電子顯微鏡觀察螺母陽極化膜形貌，如圖5所示。螺母陽極化膜表面可見網(wǎng)格狀、大小不等的孔洞，部分孔洞已連接成條狀或島狀。有裂紋的螺母底面陽極化膜表面還可見裂紋狀損傷，見圖6。膜層平均厚度4.73 μm，為陽極化膜厚度技術(shù)要求(4 μm～25 μm)的下限。

圖5 螺母陽極化膜網(wǎng)格狀及孔洞形貌Fig.5 Morphology of grid and hole of anodized film of the nut

圖6 螺母底面陽極化膜損傷Fig.6 Anodized film damage on the nut bottom

1.4 斷口表面能譜分析

螺母裂紋斷口表面的掃面電子顯微鏡能譜分析結(jié)果見圖7。由圖7可知，裂紋斷口表面除基體Al元素外，還含有大量的O元素，少量的腐蝕性元素Cl、S，推斷螺母裂紋斷口表面的覆蓋物為腐蝕產(chǎn)物。

圖7 螺母裂紋斷口能譜分析Fig.7 Fracture energy spectrum analysis of the nut

1.5 金相分析

鑒于在特定的外界條件下，特定的顯微結(jié)構(gòu)具有特定的斷裂機制和微觀形貌特征[6]，分別沿裂紋螺母的縱截面和橫截面制取金相試樣，進(jìn)行組織觀察和分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 螺母縱、橫截面組織及裂紋Fig.8 Structure and crack of the nut in longitudinal section and cross section

螺母縱截面和橫截面的金相試樣上均有多條裂紋。裂紋由螺母表面起始，沿螺母縱向擴展，局部樹枝狀特征明顯，個別裂紋源區(qū)坑狀損傷特征明顯。

2 分析與討論

2.1 外套螺母裂紋性質(zhì)

螺母的裂紋沿著螺母的縱向進(jìn)行擴展，其擴展方向與螺母的周向拉應(yīng)力方向相垂直；裂紋由螺母表面起始，局部樹枝狀特征明顯，個別裂紋源區(qū)坑狀損傷特征明顯；裂紋斷口沿螺母表面起始，宏觀無明顯塑性變形，較平直，顏色比人為打斷區(qū)略暗，且長度越長的裂紋斷口色澤越暗，斷口微觀呈沿晶斷裂、表面可見大量顆粒狀腐蝕物及龜裂特征，表明螺母裂紋的性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕裂紋。

2.2 外套螺母裂紋原因

在特定的化學(xué)腐蝕介質(zhì)環(huán)境和存在的靜應(yīng)力聯(lián)合作用下，零件所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆性斷裂現(xiàn)象為應(yīng)力腐蝕。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的條件：

1)在敏感腐蝕環(huán)境中，幾乎所有的合金因添加有少量的合金化元素都可能使之發(fā)生應(yīng)力腐蝕，而純金屬不發(fā)生應(yīng)力腐蝕造成的破壞。

2)存在一定的拉應(yīng)力，其可能是冷加工、焊接、熱處理等加工期間所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，也可能是在使用過程中外加產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，甚至是由于腐蝕產(chǎn)物而引發(fā)的殘余應(yīng)力。

3)在存在能引起金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕的特定活性介質(zhì)中，金屬材料會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂[7]。

發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效，一般要具備拉應(yīng)力作用、存在腐蝕性介質(zhì)、在腐蝕性介質(zhì)中材料具有應(yīng)力腐蝕敏感性等條件。

在氧氣導(dǎo)管裝配連接時，為解決漏氣問題，漏氣時加力擰螺母和漏氣調(diào)整后再次擰緊，都會帶來一定的預(yù)緊力。在實際服役條件下，受導(dǎo)管內(nèi)氧氣壓力和裝配預(yù)緊力，可能會導(dǎo)致螺母發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

鋁合金中高強鋁合金的應(yīng)力腐蝕敏感性強[8]。在對機場飛機檢查和大修中發(fā)現(xiàn)的腐蝕問題的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)易腐蝕結(jié)構(gòu)件中2A12鋁合金占比高達(dá)75%,而某飛機發(fā)生腐蝕的結(jié)構(gòu)中2A12鋁合金占比為79%[9]。

在能譜分析中，也發(fā)現(xiàn)含有腐蝕性介質(zhì)元素Cl、S。螺母連接氣密性檢查時，會使用到檢漏試劑，若使用不恰當(dāng)?shù)姆试硭蚯逑床粡氐?，會殘留腐蝕介質(zhì)，造成腐蝕氣氛環(huán)境。飛機在南方服役，南方濕氣較重，空氣易帶腐蝕性介質(zhì)，偶然因素可能導(dǎo)致腐蝕性介質(zhì)的引入[10-11]。螺母連接設(shè)備和導(dǎo)管，服役環(huán)境是內(nèi)部氧氣溫度為-55 ℃～70 ℃，螺母應(yīng)力腐蝕裂紋主要由內(nèi)部環(huán)境氣氛引起的可能性不大。

2.3 工藝改進(jìn)

結(jié)合螺母安裝過程中工具預(yù)緊力非恒定，同時管路氣密性檢查時使用的檢漏試劑非專用液，而使用非中性的肥皂水，且存在清洗不徹底現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生可能主要與受到的預(yù)緊力較大和腐蝕性介質(zhì)有關(guān)。為防止應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生，從工藝、設(shè)計角度，采用以下改進(jìn)方法：

1)在裝配連接管接頭和外套螺母時,增加氧氣系統(tǒng)導(dǎo)管內(nèi)碗形墊，采用潤滑脂及定力要求，從而降低拉應(yīng)力。

2)采用合格的專用氣密性檢查的檢漏試劑，并嚴(yán)格清洗要求，改變腐蝕介質(zhì)環(huán)境。

3 結(jié) 論

1)螺母裂紋的性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕裂紋。

2)采取增加氧氣系統(tǒng)導(dǎo)管內(nèi)碗形墊，使用潤滑脂，采用合格的專用氣密性檢查的檢漏試劑，并嚴(yán)格清洗要求等措施后，未再出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋現(xiàn)象。