郭強(qiáng) 姚德平 周易

摘要：相比于飛機(jī)制造業(yè)的傳統(tǒng)材料鋁合金，鈦合金具有熱穩(wěn)定性好、比強(qiáng)度高，耐腐蝕性能好等特點(diǎn)，如今已經(jīng)成為制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，壓氣機(jī)盤等重要結(jié)構(gòu)的主要材料。本文從航空機(jī)務(wù)維護(hù)工作的角度出發(fā)，通過分析鈦合金件的幾種典型損傷形式，損傷機(jī)理，介紹航空機(jī)務(wù)維護(hù)工作中鈦合金件的相關(guān)維護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：鈦合金;航空機(jī)務(wù)維護(hù)保障;損傷形式

鈦合金在飛機(jī)制造業(yè)的首次亮相是1953年美國(guó)道格拉斯公司生產(chǎn)的DC-T飛機(jī)，它的發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙和防火壁是由鈦材制作，時(shí)至今日鈦合金材料已經(jīng)被應(yīng)用了大半個(gè)世紀(jì)。鈦材在航空制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用是由于它有適用于飛機(jī)材料需求的許多寶貴特性，如強(qiáng)度高，鈦的強(qiáng)度是鋁合金的1.3倍，不銹鋼的3.5倍，因此用較少的材料就可以滿足強(qiáng)度要求，大大減輕航空器的重量;鈦合金熱強(qiáng)度高，比鋁合金的使用溫度高幾百攝氏度，可以在500℃的溫度下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，非常適合航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用和工作溫度需求;鈦合金耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕，對(duì)點(diǎn)蝕，應(yīng)力腐蝕抵抗能力強(qiáng);另外鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小。由于上述優(yōu)異性能，鈦材甚至有“空間金屬”的美譽(yù)，目前世界上生產(chǎn)的鈦及鈦合金，大約有四分之三被用于航空航天工業(yè)，許多原來用鋁合金的部件，都改用了鈦合金。

鈦合金結(jié)構(gòu)件常見損傷形式有氫脆、熱鹽應(yīng)力腐蝕、微動(dòng)疲勞及微動(dòng)磨損損傷、接觸污染及接觸腐蝕等，這些損傷會(huì)降低結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度及壽命，危害飛行安全。因此航空機(jī)務(wù)維護(hù)工作人員應(yīng)了解其損傷的機(jī)理、預(yù)防和控制措施，對(duì)于做好鈦合金結(jié)構(gòu)件的維護(hù)保養(yǎng)工作具有重要意義。

與鋼材料類似，鈦合金對(duì)于氫脆損傷也很敏感，鈦合金氫脆損傷的實(shí)質(zhì)是氫元素在鈦合金中積聚并與金屬鈦形成鈦氫化物，氫元素在鈦基體中滲透擴(kuò)散，最后導(dǎo)致鈦材開裂的過程。在鈦及鈦合金中，氫可固溶于β相和α相，也可以γ相（氫化物）形式存在。氫降低鈦的α+β/β相位點(diǎn)，是一種間隙型β穩(wěn)定元素。當(dāng)鈦及鈦合金中氫含量小于0.020%時(shí)可防止發(fā)生氫化物型氫脆。由于氫鈦化合物標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯焓變?yōu)樨?fù)，從熱力學(xué)角度來看很容易發(fā)生反應(yīng)。另外當(dāng)鈦表面被金屬鐵污染時(shí)會(huì)形成原電池，增大鈦的吸氫量。因此在工業(yè)機(jī)械應(yīng)用中通常會(huì)通過預(yù)氧化處理在鈦合金表面處理生成一層致密的氧化膜，阻斷氫與鈦合金的接觸。因此在日常的維護(hù)工作中要盡量避免尖銳物品劃傷表面氧化膜，減少鈦合金件與其它物品的直接碰撞;同時(shí)工作中做好保護(hù)措施避免鐵器直接碰損，劃傷鈦合金件，尤其不可用鐵質(zhì)工具直接進(jìn)行敲擊，防止鐵元素浸入造成鈦合金件氫脆損傷。

另外，鈦合金件容易發(fā)生熱鹽應(yīng)力腐蝕，在高溫和含有鹵化物的環(huán)境中，在交變應(yīng)力作用下，鈦合金會(huì)變脆甚至完全會(huì)完全脆斷，這種失效形式被稱為鈦合金的熱鹽應(yīng)力腐蝕。該類型腐蝕最敏感溫度范圍是280℃～430℃，該溫度范圍與航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的工作溫度較為接近。因此該部位的鈦合金件如壓氣機(jī)葉片、壓氣機(jī)盤等一旦處于大量鹽分環(huán)境中，在交變應(yīng)力作用下，易發(fā)生熱鹽應(yīng)力腐蝕，造成發(fā)動(dòng)機(jī)損傷，甚至危及飛行安全。因此要避免壓氣機(jī)葉片、壓氣機(jī)盤等鈦合金件處于高鹽度的環(huán)境中，在執(zhí)行海邊飛行任務(wù)時(shí)應(yīng)定期對(duì)以上機(jī)件上的鹽分進(jìn)行清潔，防止鹽分積累;在飛機(jī)的日常維護(hù)或定期檢修中應(yīng)及時(shí)清理維修人員的汗液，避免汗水中的鹽分在機(jī)件表面沉積。

鈦合金在循環(huán)載荷作用下，表面某一部位與其它接觸表面間產(chǎn)生小振幅相對(duì)位移會(huì)產(chǎn)生微動(dòng)疲勞和微動(dòng)磨損腐蝕;當(dāng)沒有外加的循環(huán)載荷作用時(shí)，微動(dòng)影響會(huì)導(dǎo)致鈦合金件表面發(fā)生磨損破壞。由于鈦合金耐磨性能很差，因此對(duì)于微動(dòng)損傷十分敏感。例如鈦合金葉片榫頭和壓氣機(jī)盤榫槽配合間由于長(zhǎng)期磨損，極易產(chǎn)生微動(dòng)疲勞損傷?，F(xiàn)階段利用表面涂層和其他工藝處理是防止鈦合金微動(dòng)損傷的主要措施，因此在機(jī)務(wù)維護(hù)工作中要注意保護(hù)鈦合金的表面處理層，防止微動(dòng)腐蝕的發(fā)生。

鈦合金件的接觸污染是指鈦合金受到某些低熔點(diǎn)金屬的影響而導(dǎo)致脆性開裂，常見的有銀脆、鎘脆、鋁脆和銅脆等類型。因此接觸污染也被稱為低熔點(diǎn)金屬致脆，其作用機(jī)理是低熔點(diǎn)金屬原子與鈦合金機(jī)體發(fā)生作用，導(dǎo)致鈦原子鍵合強(qiáng)度變低，或是形成脆性金屬化合物，降低了鈦合金的塑性性能。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)工況下，鈦合金的接觸污染是一個(gè)典型問題。在航空機(jī)務(wù)維護(hù)工作中應(yīng)當(dāng)從切斷污染因素入手，除了不可避免的維修措施外，盡量減少有致脆隱患的金屬與鈦合金件接觸，保護(hù)鈦合金表面的鍍層，降低鈦合金件接觸污染的概率。

接觸腐蝕（電偶腐蝕）也是失效的一種重要形式，不過被腐蝕的對(duì)象不是鈦合金，而是與鈦合金接觸的其它金屬。鈦合金鈍性較強(qiáng)，因此當(dāng)鈦合金與其它金屬直接接觸時(shí)，在某些環(huán)境下，會(huì)加速其他金屬材料的腐蝕。在一般條件下，由于鈦合金會(huì)與空氣中的氧氣形成一層致密的氧化膜，阻斷鈦合金與相鄰金屬的電子流動(dòng)。但在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)鈦合金與鋁合金、鍍鋅構(gòu)件及鋼件直接緊密接觸時(shí)，在電解質(zhì)充足的環(huán)境中，很容易導(dǎo)致相鄰金屬機(jī)件的腐蝕，造成相鄰金屬機(jī)件失效，進(jìn)而造成機(jī)器損壞。例如用鈦合金緊固件緊固的鋁合金板，緊固孔周圍易發(fā)生接觸腐蝕破壞;鈦合金壓氣機(jī)盤、葉片造成耐熱不銹鋼固定卡環(huán)發(fā)生嚴(yán)重接觸腐蝕。產(chǎn)生接觸腐蝕必須具備三個(gè)條件：腐蝕電解液的存在（導(dǎo)電回路），存在電位更正的金屬或非金屬導(dǎo)體，電連接（電子導(dǎo)電回路）。防止接觸腐蝕的實(shí)質(zhì)就是使三個(gè)條件不能同時(shí)滿足，現(xiàn)階段航空制造業(yè)主要采取以下四種方法防止接觸污染的發(fā)生：制作金屬涂層，通過在鈦合金表面涂層減小腐蝕體系的電位差，進(jìn)而降低電偶效應(yīng);在鈦合金表面制作化學(xué)轉(zhuǎn)化膜層，增大鈦合金與相鄰機(jī)件的接觸電阻，降低電偶效應(yīng);涂漆，涂漆與化學(xué)轉(zhuǎn)化膜配合使用，隔斷鈦合金與相鄰機(jī)件的導(dǎo)電回路，徹底杜絕電偶效應(yīng);絕緣與密封，采用惰性材料如密封膠等直接隔絕導(dǎo)電回路，保護(hù)機(jī)件。機(jī)務(wù)維護(hù)保障工作中對(duì)于鈦合金相鄰機(jī)件接觸腐蝕的防護(hù)工作應(yīng)當(dāng)以上述描述為依據(jù)，在日常檢查工作中，應(yīng)加強(qiáng)與鈦合金機(jī)件密切接觸尤其是鈦合金緊密件周圍金屬結(jié)構(gòu)的檢查，觀察其有無腐蝕現(xiàn)象。拆裝，檢查有涂層、涂膠或化學(xué)轉(zhuǎn)化膜等包裹的鈦合金件時(shí)，應(yīng)注意保護(hù)機(jī)件表面的保護(hù)層，避免劃傷，碰損。

鈦合金件以其優(yōu)異的特性成為航空器的重要結(jié)構(gòu)材料，因此，對(duì)于航空機(jī)務(wù)維護(hù)人員來說，應(yīng)當(dāng)深入了解鈦合金的損傷形式，損傷機(jī)理，采用科學(xué)的方法來檢查，發(fā)現(xiàn)可能的失效狀況，保證飛行安全。

作者簡(jiǎn)介：郭強(qiáng)，中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，助理工程師。

姚德平，中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，助理工程師。

（作者單位：中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院）