飞机

 一、飞机机匣接耳裂纹事故分析

  某系列飞机已服役使用20 余年,该机自服役起分别驻于辽宁沿海某地和广东沿海某地,服役地环境较为严酷.20XX 年X 月X 日,该机更换外置机匣,3 日后某团质控室报告发现中央翼第三墙左发动机外置机匣垂直接耳的左侧耳片裂纹.裂纹长度约15 mm,从孔边向下、沿近似内孔径向方向延伸至接耳边缘,穿透耳片厚度,如下图所示.

机匣接耳裂纹

  中央翼第三墙外置机匣接耳裂纹属于多发性常见故障,在该系列飞机全寿命中的各个时间点几乎都有发生.外置机匣接耳位于中央翼第三墙上,中央翼第三墙是飞机的核心承力构件之一.该故障通过影响外置机匣拉杆张力影响到外置机匣与发动机的连接振动特性,同时也威胁到中央翼第三墙的结构完整性,危险性较大.因此,分析外置机匣接耳裂纹的形成原因、机理和影响因素,提出针对性的预防措施对提高飞机的修理质量,保证飞机正常使用维护和飞行安全具有重要意义.

  二、 应力腐蚀裂纹主要条件成因分析

  应力腐蚀是指合金材料或构件在静应力(主要是拉应力)与腐蚀介质的共同作用下发生的脆性断裂.

  从机匣接耳的环境条件、材质和应力状态等情况分析,该故障具备应力腐蚀开裂的所有条件.

  1、 Cl-的来源

  2、 工业大气腐蚀

  3、静应力的来源

  4、锻件的设计缺陷

  5、 冶炼夹杂物

  三、 应力腐蚀机理与腐蚀环境成因

  铝合金的应力腐蚀过程复杂而且影响因素众多,如应力状态、热处理状态、表面处理状态和环境条件等,几十年来的研究尚未对其机理达成一致.目前较为常见的理论有氢至破裂理论、钝化膜破裂理论、阳极溶解理论和Mg-H 相互作用理论[9]等.对于7B04 等高强铝合金,氢至破裂理论和阳极溶解理论得到了比较普遍的认同.

  任广军等认为高强铝合金的应力腐蚀机理是电化学性质的,合金在应力和腐蚀介质的作用下,表面的氧化膜被破坏,破损处的合金基体相对于氧化膜为阳极,金属原子溶解为离子形成裂纹.接耳内孔镶嵌的衬套与内孔的配合性质为过渡配合,衬套压入接耳时的刮擦可能导致接耳内孔表面的阳极化保护膜发生破损;在脱漆工序中,反复使用钢丝刷或钢丝球对狭小空间内漆层清除,会直接导致阳极化保护膜破损.阳极化保护膜破损后,合金基体暴露形成阳极,电化学腐蚀开始、裂纹形成.Gruhl 等[11]认为7XXX 系列铝合金会在水溶液介质中因氢脆产生应力腐蚀,在水溶液介质中阴极反应产生H,H 通过晶界在合金内部扩散,导致晶界强度下降.

  同时,Holroyd 等认为,裂纹内部的介质条件与调质处理无关,而与溶液的酸碱度有关,水化反应在酸性条件下于裂纹侧壁上生成Al(OH)2Cl 和Al(OH)3·H2O 之类的凝胶,从而形成钝化保护,使得阳极溶解只能在裂纹尖端发生,从而促进了内部裂纹的发展.脱漆剂的溶剂CH2Cl2发生分解反应产生HCl 形成H+,工业大气中的SO2在海洋大气中溶解,共同形成酸性水膜环境,形成了氢至破裂理论中腐蚀环境.因此,脱漆工序中脱漆剂的成分、工业大气形成的酸性水膜和工艺方法与腐蚀环境的成因直接相关.表面阳极化工序完成后,对接耳内孔表面产生可能的非预期加工的其他工序也可能产生腐蚀环境.

  四、预防措施

  脱漆工序中残留的CH2Cl2分解,海洋大气产生了Cl-,强制装配在不尽合理的热处理状态、锻件设计缺陷和冶炼杂质的共同作用下产生了超过应力腐蚀门槛值的过大拉应力.这些是构成应力腐蚀的两个必要条件,而且工业大气中的SO2促进了应力腐蚀.

  压入衬套时的非预期加工、脱漆工序中对氧化膜的刮擦、脱漆剂中CH2Cl2的分解和工业大气与海洋大气共同形成的酸性水膜,共同组成了应力腐蚀的外部腐蚀环境.因此,有必要对上述触发应力腐蚀的条件和环境采取有针对性的措施,改进飞机修理过程中的工艺方法和对接耳设计进行适当的修改.

  1)在外置机匣的安装过程中,强制装配对机体结构和拉杆的连接安全危害性较大,应在工作中避免.

  2)外置机匣通过5 个连接点和6 根拉杆固定在飞机上,调整外置机匣柔性轴的振动特性时,不能只调整其中的某两三个点或拉杆,应当使用限力扳手限制调节螺母的预紧力,从而限制单一拉杆的拉力.

  3)在保证结构安全的前提下,将热处理状态由T6 改为T74.

  4)适当加大耳片的厚度,降低耳片上承受的应力值.

  5)在满足发动机外置机匣接耳连接要求和柔性轴振动特性的情况下,适当改动接耳内孔和内嵌衬套之间的公差带,以降低内孔和衬套之间的干涉量,从而消除因过紧的配合带来的附加挤压应力.

  6)参照故障排除方案,改变接耳的加工方式,改整体机加工模锻件为两个不同的零件的螺接,改接耳短横向受拉为第三墙腹板短横向受剪.

  7)更换脱漆剂,使用易挥发或分解不产生Cl-的脱漆剂.

  8)安装衬套前在接耳内孔表面涂TB06-9 底漆或其他功能性涂料,封闭接耳内孔表面.

  9)在脱漆工序中禁止使用钢丝刷或者钢丝球,改为擦除效果较好的聚氨酯泡沫等柔性材料.

  此外,近年来出现的非等温时效处理、稀土转化膜处理、合金表面激光处理、回归再时效工艺和刷涂水置换型缓蚀剂[16-17等新技术和新工艺,有效地改善了7XXX 系列铝合金的抗应力腐蚀能力,值得深入研究和进行工业化生产的尝试.

  五、结论

  该故障机中央翼第三墙发动机外置机匣接耳裂纹的成因为:在氯离子和超过应力腐蚀门槛值的静应力以及锻件夹杂的共同作用下发生的应力腐蚀;同时,修理过程中的工艺过程在海洋大气和工业大气的共同作用下形成了腐蚀环境.该故障件的产生原因在某系列飞机同类故障中具有代表意义,该故障在日常维修中予以关注并采取适当的措施是可以预防的.

  必须指出的是,以7B04 为代表的Al-Zn-Mg-Cu合金在第三代战斗机的核心结构件上大量使用,相信有更多的结构件具备触发应力腐蚀的基本条件.因此,需要在修理实践中对应力腐蚀问题给予足够的重视,并采取适当的前置性措施,以预防灾难性失效的发生.