鍍鉻氫脆測(cè)試失效對(duì)起落架電鍍件氫脆影響性分析

吳華波 張培華

摘要：通過(guò)對(duì)飛機(jī)起落架電鍍鉻的高強(qiáng)鋼零件和氫脆持久拉伸試棒中氫含量的測(cè)定，用零件制作的拉伸試樣分別進(jìn)行室溫標(biāo)準(zhǔn)和慢拉伸測(cè)試其力學(xué)性能，并對(duì)斷口截面進(jìn)行微觀(guān)分析，以研究按照標(biāo)準(zhǔn)電鍍鉻工藝規(guī)范的相關(guān)要求鍍鉻的飛機(jī)起落架高強(qiáng)鋼零件在鍍鉻氫脆測(cè)試試驗(yàn)失效后是否有氫脆失效的趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)二次鍍鉻且氫脆測(cè)試試驗(yàn)失效的零件表層（鍍鉻層和部分表層基體金屬）以及基體金屬內(nèi)的氫含量相比原廠(chǎng)鍍鉻零件沒(méi)有明顯變化；測(cè)試?yán)煸嚇拥母黜?xiàng)力學(xué)參數(shù)沒(méi)有明顯變化；在SEM下觀(guān)察試樣斷口呈現(xiàn)韌窩形態(tài)，失效為韌性斷裂。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)鋼；電鍍鉻；氫脆；失效

Keywords：high strength steel；chrome plating；hydrogen embrittlement；failure

0 引言

隨著航空行業(yè)對(duì)節(jié)能環(huán)保要求的提高，許多新型航空材料如鎂鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料等在大中型民航客機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，但在起落架零件方面，目前除了鋼鐵類(lèi)材料還沒(méi)有其他材料能完全滿(mǎn)足中大型民航客機(jī)的起飛著陸要求。飛機(jī)起落架大多選用高強(qiáng)度鋼（300M、4340等）制造，高強(qiáng)鋼降低了飛機(jī)的起飛著陸重量[1]，能夠達(dá)到節(jié)省燃油的目的，但金屬材料的特性是強(qiáng)度越高脆性越大，導(dǎo)致韌性下降，抗氫脆性能力差[2]，后續(xù)經(jīng)過(guò)電鍍等表面處理后出現(xiàn)氫脆失效的風(fēng)險(xiǎn)性較高。因此，對(duì)于這類(lèi)高強(qiáng)度合金鋼，在表面處理過(guò)程中除需達(dá)到相應(yīng)的防護(hù)性能外，還必須考慮到氫脆性影響。

目前，電鍍鉻是民航客機(jī)起落架零件應(yīng)用較常見(jiàn)的表面強(qiáng)化方法[3]，電鍍鉻作為功能性鍍層，既能提高基體金屬的耐磨性又能增加抗腐蝕性能。鍍鉻溶液的主要成分為鉻酸酐，并添加了重量比為1%的硫酸，溶液成分呈強(qiáng)酸性，鋼鐵零件在強(qiáng)酸性溶液中極易吸附氫原子而滲入零件基體。鍍鉻工藝中要求陰極電流密度較大，一般大于30/dm2，但陰極電流效率較低，僅有10%～16%，絕大部分電流用于副反應(yīng)：

另外一小部分氫原子則沿著晶界深入基體金屬，在位錯(cuò)、空穴或應(yīng)力部位存留并積聚[1]。

實(shí)際生產(chǎn)中，一部分OEM廠(chǎng)家要求對(duì)鍍鉻工藝執(zhí)行初始?xì)浯鄿y(cè)試評(píng)估，后續(xù)在生產(chǎn)工藝及相關(guān)溶液未發(fā)生變化時(shí)不需要再執(zhí)行相關(guān)測(cè)試；一部分OEM廠(chǎng)家要求對(duì)鍍鉻工藝執(zhí)行周期氫脆測(cè)試評(píng)估。測(cè)試通常按照ASTM F519《鍍/涂層工藝和使用環(huán)境的機(jī)械氫脆評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

某批起落架零件經(jīng)過(guò)一個(gè)壽命周期使用后進(jìn)行了大修，材料為300M高強(qiáng)鋼。在鍍鉻生產(chǎn)線(xiàn)工藝控制周期性氫脆拉伸測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)了一次氫脆測(cè)試失效。電鍍鉻作為特種工藝，失效原因查找困難，故障現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)性不佳。本文針對(duì)此問(wèn)題，通過(guò)測(cè)試分析二次電鍍鉻處理的高強(qiáng)鋼的氫含量以及斷口微觀(guān)形貌，研究按照標(biāo)準(zhǔn)電鍍鉻工藝規(guī)范要求進(jìn)行的二次鍍鉻對(duì)高強(qiáng)鋼氫脆性的影響，為實(shí)際生產(chǎn)中零件受氫脆影響的判定提供參考和指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)使用的零件為銷(xiāo)子，件號(hào)55-2105257-00。實(shí)驗(yàn)材料為300M低合金高強(qiáng)鋼，強(qiáng)度>1800MPa（263ksi）。零件外形及原材料化學(xué)成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）如圖1和表1所示。

標(biāo)準(zhǔn)氫脆持久拉伸試棒為符合ASTM F 519規(guī)范的1a1型試棒，材料為4340鋼，強(qiáng)度為260～280ksi（1780～1915MPa）。試棒外形及原材料化學(xué)成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）如圖2和表2所示。

實(shí)驗(yàn)中采用的標(biāo)準(zhǔn)電鍍規(guī)范為賽峰起落架集團(tuán)的SPM PCS2110《高強(qiáng)鋼鍍鉻》。電鍍流程為：吹砂（100目氧化鋁）→流水洗→化學(xué)除油（SUPER BEE300 LF）→流水洗→酸蝕（硫酸-氫氟酸）→流水洗→鍍鉻（零件鍍層厚度200～300μm，1a1型氫脆持久拉伸試棒鍍層厚度80～100μm）→流水洗→除氫（電鍍后10h內(nèi)進(jìn)行，190℃，18h以上）。

1.1 不同零件和試樣間以及同零件不同狀態(tài)下氫含量

1.1.1零件氫含量測(cè)定

選用空客公司2個(gè)相同件號(hào)的銷(xiāo)子零件和波音公司1個(gè)相同材料和強(qiáng)度的零件分別進(jìn)行表層含鉻鍍層和不含鍍層以及基體金屬的氫含量的測(cè)定并進(jìn)行對(duì)比，零件狀態(tài)如表3所示。

試樣制備方法：

1）表層試樣：在銷(xiāo)子外表面取規(guī)格為2mm×5mm×65mm長(zhǎng)條狀樣，包含鍍鉻層和部分基體材料；

2）基體試樣：以銷(xiāo)子表面為起點(diǎn)（不含鍍鉻層）向內(nèi)取樣，規(guī)格為φ5×50mm的圓柱形，僅包含基體金屬。

1.1.2標(biāo)準(zhǔn)氫脆持久拉伸試棒（1a1型）氫含量測(cè)定

在一組成功通過(guò)氫脆持久拉伸測(cè)試試驗(yàn)的試棒中選取2支，以及在一組試驗(yàn)失效的試棒中選取2支，分別進(jìn)行基體和表層氫含量測(cè)定。

試樣制備方法：

1）表層試樣：在1a1型試棒表層取規(guī)格為內(nèi)徑φ3mm、外徑φ6.5mm、長(zhǎng)19mm的圓環(huán)，每支取2個(gè)，共計(jì)8個(gè)，試樣包含鍍鉻層和基體金屬；

2）基體試樣：試樣規(guī)格為φ3×24mm的圓柱，每支取1個(gè)，共計(jì)4個(gè)，試樣僅包含基體金屬。

1.2 鍍鉻件力學(xué)拉伸測(cè)試

1.2.1拉伸方法

拉伸方法參照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，測(cè)定鍍鉻件的抗拉強(qiáng)度、屈服極限、延伸率以及斷面收縮率等機(jī)械性能指標(biāo)。拉伸時(shí)采用室溫正常和慢拉伸兩種方法，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，正常拉伸速率為0.5mm/min，慢拉伸速率為0.01mm/min。

1.2.2拉伸試樣制備

在經(jīng)過(guò)二次鍍鉻且氫脆測(cè)試試驗(yàn)失效的銷(xiāo)子零件上，制取標(biāo)距段為直徑φ5mm的圓柱作為拉伸試樣，確保試樣拉伸受力方向與其軋制方向相同。

1.3 拉伸斷口分析

根據(jù)GB/T 6842-1993《掃描電子顯微鏡試驗(yàn)方法》，在掃描電鏡下對(duì)1a1氫脆持久拉伸試棒的斷口以及用零件制成的室溫拉伸和慢拉伸試樣的斷口進(jìn)行觀(guān)察，對(duì)斷口進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 金屬中氫含量分析

2.1.1零件中氫含量

零件中氫含量分析結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出：

1）零件外表面的氫含量明顯高于金屬基體內(nèi)的氫含量；

2）原廠(chǎng)未退鍍的零件與二次鍍鉻的零件基體氫含量相當(dāng)，無(wú)明顯差別；

3）原廠(chǎng)未退鍍的零件較二次鍍鉻的零件外表面氫含量更高，約為1.3～1.5倍；

4）二次鍍鉻的零件與退除鍍層未烘烤和退除鍍層后烘烤的外表面氫含量無(wú)明顯變化。

二次鍍鉻的零件其基體金屬內(nèi)部和外表面氫含量較原廠(chǎng)零件均未增加，零件中的氫原子主要集中在鍍層與基體金屬的界面以下，且在基體金屬的表層。

2.1.2標(biāo)準(zhǔn)氫脆持久拉伸試棒（1a1型）中氫含量

氫脆持久拉伸試棒中氫含量分析結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出：

1）持久試驗(yàn)時(shí)間短的試棒較拉伸成功試棒的基體氫含量有增加的趨勢(shì)，但變化不明顯；

2）持久試驗(yàn)時(shí)間短的試棒較拉伸成功試棒的外表面氫含量高，約為1.5倍。

2.2 鍍鉻件試樣室溫正常拉伸和慢拉伸結(jié)果

鍍鉻件拉伸試樣力學(xué)性能對(duì)比如表6所示。

從表6可以看出：

1）二次鍍鉻零件正常拉伸和慢拉伸的抗拉強(qiáng)度均達(dá)到了原材料的標(biāo)稱(chēng)值；

2）慢拉伸試樣的延伸率和斷面收縮率稍低于正常速率的拉伸試樣，但未見(jiàn)明顯變化。

2.3 斷口微觀(guān)形貌分析

2.3.1標(biāo)準(zhǔn)氫脆持久拉伸試棒（1a1型）斷口SEM形貌

試棒斷口SEM低倍形貌如圖3a）所示，圖中斷口在六點(diǎn)鐘方向的斷口邊緣無(wú)剪切唇，斷裂棱線(xiàn)匯聚于斷口的無(wú)剪切唇區(qū)附近，無(wú)剪切唇區(qū)表面附近為斷口裂紋源，裂紋源為線(xiàn)狀源，但裂紋源的周向尺寸較小。放大觀(guān)察，源區(qū)附近為沿晶斷裂區(qū)，如圖3b）所示。高倍觀(guān)察沿晶區(qū)較干凈，無(wú)明顯腐蝕現(xiàn)象，有的晶界面上可見(jiàn)雞爪痕，有的晶界面上可見(jiàn)發(fā)育不全的細(xì)小韌窩，有的晶粒之間有較寬的裂縫，如圖3c）所示。沿晶區(qū)以外的斷口為準(zhǔn)解理+穿晶韌窩+少量沿晶斷裂。

2.3.2零件制作的拉伸試樣斷口SEM形貌

室溫正常拉伸試樣斷口SEM形貌如圖4b）、圖4c）所示，斷口整體呈韌窩形態(tài)，慢拉伸斷口整體呈現(xiàn)韌窩形態(tài)，局部可見(jiàn)準(zhǔn)解理臺(tái)階（見(jiàn)圖4e）、圖4f）），兩種拉伸方式均未發(fā)生脆性沿晶斷裂。

3 結(jié)論

1）該批次按照標(biāo)準(zhǔn)電鍍鉻規(guī)范進(jìn)行二次電鍍的零件未發(fā)現(xiàn)明顯的氫脆傾向，可以正常放行裝機(jī)使用；

2）電鍍鉻后，氫原子主要集中在零件鍍層與基體金屬交界面和基體金屬淺表層之間；

3）在嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)電鍍工藝規(guī)范要求執(zhí)行操作且電鍍過(guò)程未發(fā)生明顯變化時(shí)，加工的零件不會(huì)產(chǎn)生氫脆傾向。

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