飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)不同配副材料的腐蝕磨損行為

王英芹，邱實(shí)，慕仙蓮

（中國特種飛行器研究所結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，荊門 448035）

在腐蝕環(huán)境中因磨損導(dǎo)致材料流失的現(xiàn)象稱為腐蝕磨損［1］（簡稱磨蝕）。磨蝕一般發(fā)生在有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中，是力學(xué)、化學(xué)和電化學(xué)因素交互作用的結(jié)果，涉及摩擦學(xué)、腐蝕學(xué)、金屬學(xué)、電化學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域。在磨蝕過程中，一方面腐蝕性介質(zhì)使材料表面性能惡化，增加了材料的機(jī)械磨損；另一方面機(jī)械磨損使材料表面保護(hù)膜層遭到破壞，防護(hù)作用消失，腐蝕速率大大提高［2］。腐蝕磨損是一個非常復(fù)雜且系統(tǒng)性很強(qiáng)的動態(tài)過程，服役環(huán)境和材料等因素的影響錯綜復(fù)雜［3-4］。

腐蝕磨損的影響因素主要包括配副材料及其表面鍍覆層、配合公差、粗糙度、腐蝕環(huán)境、溫度、載荷、潤滑條件等［5］。 HUTTUNEN-SAARIVIRTA等［6］指出，電位、電解質(zhì)溶液的氧化性、鈍化膜的修復(fù)能力和腐蝕磨損的協(xié)調(diào)作用也會顯著影響材料的腐蝕磨損行為，在選擇可鈍化金屬或合金材料時(shí)，除考慮磨損和腐蝕性能外，還需考慮再鈍化動力學(xué)行為。陳君等［7］采用環(huán)塊試樣研究了海水腐蝕對幾種金屬材料耐磨性能的影響，結(jié)果表明海水腐蝕加速了材料的磨損，海水環(huán)境中腐蝕與磨損的交互作用占比45%～86%。陳君等［8］還分析了海水環(huán)境中316L不銹鋼／鎳基合金摩擦副的腐蝕磨損性能，研究表明該摩擦副在海水中的摩擦因數(shù)低于在純水中的，而316L 不銹鋼在海水中的磨損率比在純水中的更高。然而，不同配副材料運(yùn)動機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和工況更為復(fù)雜，常用的潤滑脂、配合公差的變化、表面粗糙度等因素也影響配副材料的腐蝕摩損行為。

針對水陸兩棲飛機(jī)的起落架機(jī)構(gòu)，研究了不同配副材料在模擬海水環(huán)境中的腐蝕磨損行為，試驗(yàn)件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)條件完全模擬實(shí)際工況。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)采用6對常用配副材料的環(huán)塊試驗(yàn)件，每對配副材料設(shè)置3 個平行試驗(yàn)件，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)件的編號及配副材料詳見表1，方塊材料為表面鍍鎘鈦的30Cr MnSiNi2A 鋼。

表1 試驗(yàn)件的配副材料Tab.1 Matching materials of test pieces

圖1 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of test piece

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

腐蝕磨損試驗(yàn)在擺動軸承摩擦磨損試驗(yàn)臺上進(jìn)行，自制試驗(yàn)夾具見圖2。試驗(yàn)件安裝后浸泡在模擬海水溶液中。

圖2 試驗(yàn)夾具示意圖Fig.2 Schematic diagram of test fixture

1.3 試驗(yàn)方法

參照GB／T 12444－2006《金屬材料磨損試驗(yàn)方法試環(huán)-試塊滑動磨損試驗(yàn)》，在模擬海水溶液中進(jìn)行試驗(yàn)。腐蝕磨損試驗(yàn)在25～35 ℃無振動實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，采用去離子水和NaCl配置3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）模擬海水溶液，溶液p H 為7.5～8.1。輸出軸轉(zhuǎn)速60 r／min，加載端施加載荷6 000 N，試驗(yàn)時(shí)間120 min。試驗(yàn)過程如下。

（1）試驗(yàn)前試驗(yàn)件檢查

初始數(shù)據(jù)檢測與記錄：轉(zhuǎn)軸外徑和襯套內(nèi)徑尺寸測量；轉(zhuǎn)軸質(zhì)量測量。潤滑脂檢查：確保潤滑脂灌滿潤滑槽。

（2）試驗(yàn)前試驗(yàn)機(jī)檢查

檢查摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)加載端是否調(diào)整靈活；檢查設(shè)備是否能正常運(yùn)行。試驗(yàn)夾具及試驗(yàn)件按圖2所示安裝。

（3）試驗(yàn)進(jìn)行及終止

設(shè)置試驗(yàn)時(shí)間、載荷、轉(zhuǎn)速等參數(shù)后開始試驗(yàn)；試驗(yàn)至設(shè)定時(shí)間時(shí)，試驗(yàn)自動停止。

（4）試驗(yàn)結(jié)果檢查與記錄

觀察試驗(yàn)后的模擬海水和擦拭棉布中磨屑的數(shù)量和顏色；將方塊從轉(zhuǎn)軸上取出，擦拭掉潤滑脂后晾干；測量并記錄轉(zhuǎn)軸磨損部位的直徑，測量方塊上襯套的內(nèi)徑；對轉(zhuǎn)軸和方塊進(jìn)行宏觀檢查和拍照；采用三維體視顯微鏡檢查轉(zhuǎn)軸的磨痕深度和磨痕形貌以及方塊的腐蝕情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 磨痕深度與磨損量

由表2可見，試驗(yàn)后轉(zhuǎn)軸和襯套的直徑都有不同程度的變化，轉(zhuǎn)軸外徑減小，襯套內(nèi)徑增大。總體來說，襯套內(nèi)徑的增大量大于轉(zhuǎn)軸外徑的。因磨損導(dǎo)致基準(zhǔn)面變化，轉(zhuǎn)軸的磨痕深度不能完全作為磨損量的判斷依據(jù)。

表2 不同配副材料試驗(yàn)件的直徑變化和磨痕深度對比Tab.2 Comparison of diameter change and wear scar depth of different test pieces

Y001～Y003、A101～A103和A201～A203試驗(yàn)件的轉(zhuǎn)軸材料相同（30Cr MnSiNi2A 鋼），襯套材料不同。對比分析發(fā)現(xiàn)，襯套材料為15-5PH 鈍化的試驗(yàn)件，整體磨損量較小，配合間隙變化較小。A101～A103和A401～A403試驗(yàn)件的轉(zhuǎn)軸和襯套材料均相同，僅轉(zhuǎn)軸材料的表面處理工藝不同。對比分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)噴丸強(qiáng)化鍍硬鉻處理的轉(zhuǎn)軸磨損量較小，但是試驗(yàn)件整體的磨損量較大、配合間隙變化較大。配副材料表面磨損導(dǎo)致配合間隙過大，會造成運(yùn)動機(jī)構(gòu)磨損更嚴(yán)重甚至無法正常工作。因此，從腐蝕磨損量的情況來看，A101～A103試驗(yàn)件的配合間隙變化最小，磨損量最小。

2.2 腐蝕磨損微觀形貌

腐蝕磨損形貌有兩種，一種以磨粒磨損為主（見圖3），另一種以黏著磨損為主（見圖4）。

圖3 試驗(yàn)件轉(zhuǎn)軸的磨粒磨損形貌Fig.3 Abrasive wear morphology of the shaft of the test piece

圖4中試驗(yàn)件的轉(zhuǎn)軸材料均為30Cr MnSiNi2A鋼，磨痕形貌均表現(xiàn)為塑性流動產(chǎn)生的大犁溝及堆積在犁溝上的腐蝕磨損產(chǎn)物，以磨粒磨損為主，同時(shí)伴有黏著磨損。腐蝕磨損產(chǎn)物基本呈黑灰色，因?yàn)樵谀p過程中產(chǎn)生的熱量使腐蝕產(chǎn)物發(fā)生氧化，同時(shí)在腐蝕性溶液中轉(zhuǎn)軸進(jìn)一步發(fā)生腐蝕，生成脆性較大的腐蝕磨損產(chǎn)物。腐蝕磨損產(chǎn)物可能是鉻層磨損破壞后超高強(qiáng)度鋼基體的加速氧化和腐蝕生成的產(chǎn)物，如氧化亞鐵、三氧化二鐵及四氧化三鐵的混合物，也可能是鍍層本身的腐蝕磨損產(chǎn)物。腐蝕磨損產(chǎn)物一部分堆積黏附在犁溝上，一部分被推出摩擦軌道進(jìn)入潤滑脂或模擬海水中，還有一部分存留在摩擦軌道上成為磨粒，加速磨損。

圖4中試驗(yàn)件的轉(zhuǎn)軸材料分別為15-5PH 不銹鋼和4130高強(qiáng)鋼，磨痕形貌表現(xiàn)為非常細(xì)小的片狀結(jié)構(gòu)，呈銀灰色，部分發(fā)生剝落，剝落部位呈紅銅色，沒有河流花樣出現(xiàn)。紅銅色腐蝕磨損產(chǎn)物可能是來不及氧化而被碾壓黏附和轉(zhuǎn)移的襯套（C64200銅合金）。銅合金的硬度比不銹鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼的低，在腐蝕磨損過程中易被磨損，且其氧化物在摩擦軌道上起不到磨粒的作用，或磨粒作用時(shí)間較短，會被碾平、黏附在配副材料上。銀灰色片狀物是遭碾壓而黏附的腐蝕磨損產(chǎn)物的混合物。

圖4 試驗(yàn)件轉(zhuǎn)軸的黏著磨損形貌Fig.4 Adhesive wear morphology of the shaft of the test piece

2.3 腐蝕磨損宏觀形貌

如圖5 所示，A101～A103、A201～A202 和A401～A403試驗(yàn)件的襯套材料均為不銹鋼，基本沒有發(fā)生腐蝕，與方塊的安裝縫隙處腐蝕產(chǎn)物較少，耐蝕性良好；Y001～Y003、A301～A303和A501～A503試驗(yàn)件的襯套材料為銅合金，均出現(xiàn)了腐蝕痕跡，與方塊的安裝縫隙處堆積有較多的灰白色腐蝕產(chǎn)物，耐蝕性較差。

圖5 襯套和方塊的宏觀腐蝕形貌Fig.5 Macroscopic corrosion morphology of bushing and block

如圖6所示，Y001～Y003、A101～A103、A201～A203 和A401～A403 試驗(yàn)件的轉(zhuǎn)軸材料為30Cr MnSiNi2A 鋼，磨痕腐蝕較嚴(yán)重，有些磨痕上可見明顯的紅褐色銹漬；A301～A303 和A501～A503試驗(yàn)件轉(zhuǎn)軸的磨痕腐蝕較輕微。

圖6 轉(zhuǎn)軸的宏觀腐蝕形貌Fig.6 Macroscopic corrosion morphology of shaft

3 結(jié)論

（1）A101 ～A103 試驗(yàn)件（表面鍍硬鉻30Cr MnSiNi2A 鋼／表面鈍化15-5PH 不銹鋼組合）的配合間隙變化最小，磨損量最少，襯套與方塊的腐蝕較輕微，但轉(zhuǎn)軸的磨痕深度最深，腐蝕略嚴(yán)重；

（2）銅合金襯套與方塊的安裝縫隙處腐蝕較嚴(yán)重，建議采用防海水密封劑進(jìn)行貼合面密封和填角密封，防止腐蝕介質(zhì)的浸入。