盛永清，王浩軍，陳素明

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

鋁合金因輕質、耐蝕性好等特性，是航空、航天不可或缺的重要材料[1-2]?，F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)生應力腐蝕情況，國內外對高強高韌鋁合金的應力腐蝕開裂研究分析報道比較多[3-5]，但對2A12鋁合金的應力腐蝕開裂的研究較少。

某飛機設備艙氧氣導管接頭外套螺母材質為2A12鋁合金，在飛機服役或停放一段時間后，位于進氣端的外套螺母多處發(fā)現裂紋、腐蝕現象。為此，本文作者分析該裂紋產生的原因，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在螺母側面，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要求(4 μm～25 μm)的下限。

圖5 螺母陽極化膜網格狀及孔洞形貌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，特定的顯微結構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，進行組織觀察和分析，結果如圖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

螺母的裂紋沿著螺母的縱向進行擴展，其擴展方向與螺母的周向拉應力方向相垂直；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為應力腐蝕裂紋。

2.2 外套螺母裂紋原因

在特定的化學腐蝕介質環(huán)境和存在的靜應力聯合作用下，零件所產生的低應力脆性斷裂現象為應力腐蝕。產生應力腐蝕的條件：

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)生應力腐蝕，而純金屬不發(fā)生應力腐蝕造成的破壞。

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

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

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

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

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

在能譜分析中，也發(fā)現含有腐蝕性介質元素Cl、S。螺母連接氣密性檢查時，會使用到檢漏試劑，若使用不恰當的肥皂水，或清洗不徹底，會殘留腐蝕介質，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，偶然因素可能導致腐蝕性介質的引入[10-11]。螺母連接設備和導管，服役環(huán)境是內部氧氣溫度為-55 ℃～70 ℃，螺母應力腐蝕裂紋主要由內部環(huán)境氣氛引起的可能性不大。

2.3 工藝改進

結合螺母安裝過程中工具預緊力非恒定，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象。應力腐蝕裂紋的產生可能主要與受到的預緊力較大和腐蝕性介質有關。為防止應力腐蝕裂紋產生，從工藝、設計角度，采用以下改進方法：

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

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

3 結 論

1)螺母裂紋的性質為應力腐蝕裂紋。

2)采取增加氧氣系統(tǒng)導管內碗形墊，使用潤滑脂，采用合格的專用氣密性檢查的檢漏試劑，并嚴格清洗要求等措施后，未再出現應力腐蝕裂紋現象。