航空鈦合金件機務維護保障技術(shù)研究

郭強 姚德平 周易

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

關(guān)鍵詞：鈦合金;航空機務維護保障;損傷形式

鈦合金在飛機制造業(yè)的首次亮相是1953年美國道格拉斯公司生產(chǎn)的DC-T飛機，它的發(fā)動機吊艙和防火壁是由鈦材制作，時至今日鈦合金材料已經(jīng)被應用了大半個世紀。鈦材在航空制造領(lǐng)域的廣泛應用是由于它有適用于飛機材料需求的許多寶貴特性，如強度高，鈦的強度是鋁合金的1.3倍，不銹鋼的3.5倍，因此用較少的材料就可以滿足強度要求，大大減輕航空器的重量;鈦合金熱強度高，比鋁合金的使用溫度高幾百攝氏度，可以在500℃的溫度下長期穩(wěn)定工作，非常適合航空發(fā)動機的使用和工作溫度需求;鈦合金耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕，對點蝕，應力腐蝕抵抗能力強;另外鈦合金導熱系數(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，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、熱鹽應力腐蝕、微動疲勞及微動磨損損傷、接觸污染及接觸腐蝕等，這些損傷會降低結(jié)構(gòu)件的強度及壽命，危害飛行安全。因此航空機務維護工作人員應了解其損傷的機理、預防和控制措施，對于做好鈦合金結(jié)構(gòu)件的維護保養(yǎng)工作具有重要意義。

與鋼材料類似，鈦合金對于氫脆損傷也很敏感，鈦合金氫脆損傷的實質(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散，最后導致鈦材開裂的過程。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，是一種間隙型β穩(wěn)定元素。當鈦及鈦合金中氫含量小于0.020%時可防止發(fā)生氫化物型氫脆。由于氫鈦化合物標準生成吉布斯焓變?yōu)樨?，從熱力學角度來看很容易發(fā)生反應。另外當鈦表面被金屬鐵污染時會形成原電池，增大鈦的吸氫量。因此在工業(yè)機械應用中通常會通過預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;同時工作中做好保護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)生熱鹽應力腐蝕，在高溫和含有鹵化物的環(huán)境中，在交變應力作用下，鈦合金會變脆甚至完全會完全脆斷，這種失效形式被稱為鈦合金的熱鹽應力腐蝕。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)動機壓氣機的工作溫度較為接近。因此該部位的鈦合金件如壓氣機葉片、壓氣機盤等一旦處于大量鹽分環(huán)境中，在交變應力作用下，易發(fā)生熱鹽應力腐蝕，造成發(fā)動機損傷，甚至危及飛行安全。因此要避免壓氣機葉片、壓氣機盤等鈦合金件處于高鹽度的環(huán)境中，在執(zhí)行海邊飛行任務時應定期對以上機件上的鹽分進行清潔，防止鹽分積累;在飛機的日常維護或定期檢修中應及時清理維修人員的汗液，避免汗水中的鹽分在機件表面沉積。

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)生小振幅相對位移會產(chǎn)生微動疲勞和微動磨損腐蝕;當沒有外加的循環(huán)載荷作用時，微動影響會導致鈦合金件表面發(fā)生磨損破壞。由于鈦合金耐磨性能很差，因此對于微動損傷十分敏感。例如鈦合金葉片榫頭和壓氣機盤榫槽配合間由于長期磨損，極易產(chǎn)生微動疲勞損傷。現(xiàn)階段利用表面涂層和其他工藝處理是防止鈦合金微動損傷的主要措施，因此在機務維護工作中要注意保護鈦合金的表面處理層，防止微動腐蝕的發(fā)生。

鈦合金件的接觸污染是指鈦合金受到某些低熔點金屬的影響而導致脆性開裂，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金屬致脆，其作用機理是低熔點金屬原子與鈦合金機體發(fā)生作用，導致鈦原子鍵合強度變低，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)動機壓氣機工況下，鈦合金的接觸污染是一個典型問題。在航空機務維護工作中應當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，因此當鈦合金與其它金屬直接接觸時，在某些環(huán)境下，會加速其他金屬材料的腐蝕。在一般條件下，由于鈦合金會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。但在工業(yè)實際應用中，當鈦合金與鋁合金、鍍鋅構(gòu)件及鋼件直接緊密接觸時，在電解質(zhì)充足的環(huán)境中，很容易導致相鄰金屬機件的腐蝕，造成相鄰金屬機件失效，進而造成機器損壞。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;鈦合金壓氣機盤、葉片造成耐熱不銹鋼固定卡環(huán)發(fā)生嚴重接觸腐蝕。產(chǎn)生接觸腐蝕必須具備三個條件：腐蝕電解液的存在（導電回路），存在電位更正的金屬或非金屬導體，電連接（電子導電回路）。防止接觸腐蝕的實質(zhì)就是使三個條件不能同時滿足，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，進而降低電偶效應;在鈦合金表面制作化學轉(zhuǎn)化膜層，增大鈦合金與相鄰機件的接觸電阻，降低電偶效應;涂漆，涂漆與化學轉(zhuǎn)化膜配合使用，隔斷鈦合金與相鄰機件的導電回路，徹底杜絕電偶效應;絕緣與密封，采用惰性材料如密封膠等直接隔絕導電回路，保護機件。機務維護保障工作中對于鈦合金相鄰機件接觸腐蝕的防護工作應當以上述描述為依據(jù)，在日常檢查工作中，應加強與鈦合金機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、涂膠或化學轉(zhuǎn)化膜等包裹的鈦合金件時，應注意保護機件表面的保護層，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，對于航空機務維護人員來說，應當深入了解鈦合金的損傷形式，損傷機理，采用科學的方法來檢查，發(fā)現(xiàn)可能的失效狀況，保證飛行安全。

作者簡介：郭強，中國飛行試驗研究院，助理工程師。

姚德平，中國飛行試驗研究院，助理工程師。

（作者單位：中國飛行試驗研究院）