一架波音737-800 飛機主輪轂斷裂失效分析

■ 謝明立 崔相國 馬曉明/ 中國民航科學(xué)技術(shù)研究院航空安全研究所 東方航空技術(shù)有限公司

0 引言

飛機機輪輪轂上安裝了輪胎和剎車轂，是起落架的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)的完整性影響飛機的安全起降。由于飛機主機輪輪轂要承受機身負荷、機輪滾動時的交變載荷以及飛機降落時的沖擊載荷，載荷水平較高，因此主機輪輪轂易在輪緣根部R 處、中心轂轉(zhuǎn)接R 處等應(yīng)力高度集中部位產(chǎn)生表面疲勞裂紋[1，2]。文獻[3]、[4]報道了兩起輪轂輪緣根部R 部位受到腐蝕損傷引發(fā)裂紋萌生導(dǎo)致輪轂斷裂的失效案例，這些裂紋均在輪轂輪緣根部轉(zhuǎn)角部位沿輪轂周向擴展。但在輪轂的一些非R 轉(zhuǎn)角部位，如輪轂中心轂軸承杯安裝面，由于受較大的交變周向拉伸載荷，當表面出現(xiàn)較深的腐蝕坑時，腐蝕坑坑底也可能出現(xiàn)（腐蝕）疲勞裂紋的萌生和擴展，進而引起輪轂斷裂。

本文分析的一起波音737-800 飛機主輪轂中心轂斷裂案例裂紋就是起源于輪轂中心轂軸承杯安裝面靠近封嚴臺階處的腐蝕坑，裂紋萌生后沿中心轂軸向和徑向擴展，最終導(dǎo)致輪轂中心轂軸向斷裂，使飛機降落后在滑行道上無法移動。

1 理化檢驗與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

輪轂中心轂從根部斷裂，中心轂筒體沿中心轂軸向斷裂為3 大塊，分別編為1 ～3 號，3 個斷塊的中心轂筒體根部斷口均為斜斷口（見圖1）。中心轂筒體軸承杯安裝面外側(cè)的3 ～8mm 區(qū)域呈銀色，該銀色區(qū)域未見明顯的劃痕（見圖2）。中心轂軸承杯安裝面靠定位凸肩一側(cè)的大部分圓周也有5 ～8mm區(qū)域呈銀色，該區(qū)域可見明顯的周向劃痕。中心轂軸承杯安裝面中間區(qū)域有灰白色表面覆蓋層，灰白色表面覆蓋層區(qū)與外側(cè)銀色區(qū)之間的界線沿周向呈起伏較大的波浪形，灰白色表面覆蓋層區(qū)域與定位凸肩一側(cè)的銀色區(qū)域界線較為平直。此外，在軸承杯安裝面鄰近封嚴臺階的邊緣處有多個小凹坑。

圖1 輪轂中心轂斷裂形貌

圖2 輪轂中心轂斷塊內(nèi)側(cè)軸承杯安裝面損傷形貌

中心轂3 大斷塊之間的斷口基本沿中心轂筒體的軸向斷開。1 號和2 號斷塊之間的匹配斷口如圖3 所示，斷口在中心轂封嚴臺階附近有一弧形區(qū)，弧形區(qū)斷口較光滑細膩，可見多條半圓形弧線，弧形區(qū)的弧心位于中心轂軸承杯安裝面靠近封嚴臺階處；弧形區(qū)以外的斷口較粗糙。1 號和3 號斷塊與2 號和3號斷塊之間的匹配斷口局部磨平，磨平區(qū)以外的區(qū)域均較為粗糙，未見弧形區(qū)。

圖3 輪轂中心轂斷塊內(nèi)側(cè)軸承的軸承杯安裝面外側(cè)損傷形貌

內(nèi)側(cè)軸承的軸承杯鋼套組件基本完好，內(nèi)側(cè)軸承內(nèi)圈和滾棒組件轉(zhuǎn)動自如，形貌完好。

1.2 體視顯微鏡觀察

在中心轂軸承杯安裝面鄰近封嚴臺階的邊緣處有多個腐蝕坑，這些腐蝕坑附近的臺階端面均發(fā)生表面漆層脫落露出了基底層，其中一個腐蝕坑形貌如圖4 所示，從中看出，中心轂軸承杯安裝面外側(cè)鄰近封嚴臺階的邊緣區(qū)表面無灰白色表面覆蓋層，軸承杯安裝面外側(cè)靠近封嚴臺階處有密集短小的軸向劃痕。

圖4 輪轂中心轂斷塊內(nèi)側(cè)軸承軸承杯安裝面外側(cè)損傷形貌

1 號斷塊脆性斷口弧形區(qū)的弧心處也有腐蝕坑，該腐蝕坑位于軸承杯安裝面緊鄰封嚴臺階處，腐蝕坑附近的封嚴臺階端面同樣發(fā)生了局部的表面漆層脫落（見圖5）。

圖5 中心轂斷塊內(nèi)側(cè)軸承的軸承杯安裝面外側(cè)封嚴臺階附近形貌

1.3 掃描電鏡觀察

1 號斷塊脆性斷口弧形區(qū)弧心部位的腐蝕坑形貌如圖6 所示，該腐蝕坑位于軸承杯安裝面緊鄰封嚴臺階處，腐蝕坑的徑向深度約為0.25mm。放大觀察，弧形區(qū)斷口表面輪廓圓鈍，無斷裂特征，有大量的短劃痕和小壓坑痕。斷口距弧心9.0mm 處為類解理+疲勞條帶特征，同時斷口具有明顯的氧化腐蝕特征（見圖7）?；【€以外的斷口具有撕裂棱和韌窩的形貌特征。

圖6 輪轂中心轂腐蝕疲勞斷口裂紋源區(qū)的腐蝕坑形貌

圖7 輪轂中心轂腐蝕疲勞斷口類解理+疲勞條帶形貌

1.4 能譜成分分析

對圖7 中斷口疲勞條帶區(qū)域進行X射線能譜成分分析，檢測到少量的氧含量。

對輪轂金相試塊進行X 射線能譜成分分析，其合金元素半定量計算結(jié)果為（WT）0.97%Mg、3.78%Cu、0.63%Mn、0.32%Si，余量為Al，為Al-Cu-Mg-Mn系硬鋁合金，與美國2A14 鋁合金成分相近，相當于國產(chǎn)LD10 鋁合金。

輪轂中心轂軸承杯安裝面灰白色表面覆蓋層主要含Al 和O，為表面陽極化層。輪轂中心轂軸承杯安裝面外側(cè)銀色區(qū)O 含量很低，主要為基體材料成分。

1.5 顯微硬度測試

輪轂中心轂金相試樣侵蝕之前進行了顯微硬度檢測，檢測加載500gf，結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，輪轂中心轂硬度平均值為HV144.8，相當于HB137.8。對照LD10 熱處理制度：通常為500℃±5℃固溶，152℃人工時效6 ～10h，對一定厚度的自由鍛件，其縱向力學(xué)性能為，HB=120[5]，該輪轂材料硬度HB137.8 符合一般技術(shù)要求。

表1 輪轂中心轂顯微硬度測量結(jié)果

1.6 金相分析

圍繞圖5 所示腐蝕坑切取試塊，將試塊的軸承杯安裝面朝下鑲嵌試塊，磨制金相試樣，在金相顯微鏡下觀察腐蝕坑和腐蝕坑底部裂紋萌生情況。圖8 所示為腐蝕坑的金相形貌，腐蝕坑軸向深度達0.8mm，且腐蝕坑坑底已有裂紋萌生。

圖8 中心轂斷塊內(nèi)側(cè)軸承軸承杯安裝面外側(cè)封嚴臺階附近的腐蝕坑金相形貌

2 機輪維修歷史和超聲無損探傷相關(guān)要求

失效機輪最近一次小修（換胎皮）是在輪轂斷裂事件發(fā)生前3個月完成的，小修后共使用141FC。失效機輪最近一次大修是在輪轂斷裂事件發(fā)生前1 年零3個月完成的，大修時對輪轂進行了分解、清洗、修理、超聲波探傷、組裝試驗等工作，更換了活門芯、活門封圈、油脂封圈和胎皮等零部件，大修后共使用527FC。機輪自新總共使用10733FC。航空公司維修記錄顯示，自飛機交付以來未對該機輪軸承杯進行過拆裝。

機輪小修時，維修手冊規(guī)定對輪轂中心轂內(nèi)側(cè)軸承的軸承杯定位凸肩轉(zhuǎn)角部位要進行超聲無損探傷，未要求對中心轂軸承杯安裝面鄰近封嚴臺階的邊緣處進行超聲無損探傷。

3 分析與討論

輪轂中心轂從根部斷裂，中心轂筒體沿中心轂軸向斷裂為3 大塊，3 個斷塊的中心轂筒體根部斷口均為斜斷口，1 號與2 號斷塊之間的斷口靠中心轂端頭封嚴臺階處有弧形區(qū)，弧形區(qū)內(nèi)斷口較光滑細膩，弧形區(qū)外斷口較粗糙，1號與3 號斷塊之間的斷口和2 號與3 號斷塊之間的斷口磨損痕以外的區(qū)域均較為粗糙，未見弧形區(qū)，表明1 號與2 號斷塊之間的斷口存在脆性斷裂區(qū)，為脆性斷裂，中心轂斷塊其余斷口的斷裂性質(zhì)為韌性斷裂。

1 號與2 號斷塊之間脆性斷口的弧形區(qū)可見多條半圓形弧線，弧形區(qū)的弧心位于中心轂軸承杯安裝面緊鄰封嚴臺階的一個腐蝕坑，弧形區(qū)內(nèi)有斷裂棱線匯聚于弧心；弧形區(qū)斷口微觀為類解理+疲勞條帶，且弧形區(qū)斷口有明顯的氧化腐蝕現(xiàn)象，輪轂中心轂脆性斷口為起源于中心轂軸承杯安裝面緊鄰封嚴臺階處腐蝕坑的腐蝕疲勞斷裂。

中心轂軸承杯安裝面緊鄰封嚴臺階處有多個腐蝕坑，金相檢查表明這些腐蝕坑底部已經(jīng)有裂紋萌生，進一步證明中心轂腐蝕疲勞斷裂起源于中心轂軸承杯安裝面緊鄰封嚴臺階處的腐蝕坑。

根據(jù)維修手冊，輪轂中心轂軸承杯安裝面表面應(yīng)進行陽極化處理。中心轂軸承杯安裝面中間區(qū)域的灰白色表面層主要含Al 和O，為表面陽極化層。中心轂軸承杯安裝面外側(cè)距封嚴臺階3 ～8mm 的區(qū)域呈銀色，X 射線能譜成分分析結(jié)果顯示該銀色區(qū)域表面成分與中心轂基體材料相同，幾乎不含O，表明該銀色區(qū)域表面陽極化層缺失。2A14鋁合金為Al-Cu-Mg-Si 系鋁合金，屬于高強度鋁合金，具有較高的強度和硬度，也具有很好的塑性和韌性，其鍛造性、耐熱性以及可焊性良好，因而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，但易發(fā)生腐蝕疲勞失效[6，7]。缺失表面陽極化保護層的中心轂軸承杯安裝面緊鄰封嚴臺階的區(qū)域靠近外界環(huán)境，易受到水汽的侵蝕，因而容易發(fā)生腐蝕而形成腐蝕坑，中心轂軸承杯安裝面緊鄰封嚴臺階處的腐蝕坑是由于中心轂軸承杯安裝面外側(cè)表面陽極化層缺失造成的。可能腐蝕坑在臺階端面露頭降低了腐蝕坑處臺階端面表面漆層與基底層的結(jié)合力，這些腐蝕坑處臺階端面的表面漆層均發(fā)生脫落而露出了基底層。由于輪轂中心轂軸承杯安裝面受較大的周向交變拉伸載荷，腐蝕坑底的應(yīng)力集中使腐蝕坑處的周向交變拉伸載荷增大，促進腐蝕坑沿中心轂軸向和徑向發(fā)生腐蝕疲勞裂紋的萌生和擴展。

中心轂軸承杯安裝面外側(cè)緊鄰封嚴臺階的表面陽極化層缺失的銀色區(qū)未見明顯的周向劃痕，表明該區(qū)域表面陽極化層的缺失不是中心轂裂紋形成后軸承杯鋼套與中心轂之間發(fā)生旋轉(zhuǎn)摩擦造成的。

中心轂軸承杯安裝面中間區(qū)域保留的灰白色陽極化層區(qū)與外側(cè)銀色無表面陽極化層區(qū)之間的界線呈沿周向起伏較大的波浪形，這種波浪形界線只有軸向的擠壓磨損才能形成。軸承杯安裝面外側(cè)無陽極化層區(qū)緊鄰封嚴臺階處存在密集短小的軸向劃痕，證實軸承杯鋼套安裝時與中心轂軸承杯安裝面之間發(fā)生了軸向擠壓磨損和位移。為實現(xiàn)軸承杯鋼套組件與中心轂之間的過盈配合，軸承杯鋼套組件的外徑尺寸略大于中心轂軸承腔內(nèi)徑尺寸。軸承杯鋼套安裝時需要將軸承杯鋼套組件用液氮冷卻到規(guī)定溫度，中心轂或輪轂整體也要加熱到適當溫度，使中心轂軸承腔內(nèi)徑尺寸大于軸承杯鋼套組件的外徑尺寸，以便軸承杯鋼套組件能夠裝入中心轂軸承腔。如果中心轂或輪轂的加熱溫度不夠高或軸承杯鋼套的冷卻溫度不夠低，軸承杯鋼套裝入中心轂軸承腔時空隙不夠大，且中心轂軸承腔外端溫度下降較快，如果尺寸較早發(fā)生收縮，軸承杯鋼套組件裝入中心轂軸承腔時軸承杯鋼套后段容易被中心轂軸承腔卡住。這種情況下如使用強力將軸承杯鋼套推入，中心轂軸承腔軸承杯安裝面外側(cè)區(qū)域會受到嚴重的擠壓磨損，導(dǎo)致其表面陽極化層缺失，并會在直徑最小的中心轂軸承腔軸承杯安裝面靠近封嚴臺階區(qū)域留下軸向短劃痕。而中心轂端口附近以外的部位溫度下降較為緩慢，中心轂端口附近以外的軸承腔內(nèi)徑尺寸尚未明顯收縮，因而中心轂軸承腔軸承杯安裝面外側(cè)區(qū)域以外的表面未受擠壓磨損，表面陽極化層仍然完好。因此，中心轂軸承杯安裝面外側(cè)區(qū)域表面陽極化層的缺失是強力安裝軸承杯鋼套組件造成的。

中心轂軸承腔軸承杯安裝面靠近封嚴臺階處的腐蝕坑底部萌生的腐蝕疲勞裂紋在中心轂筒體軸向截面同時向中心轂外表面和中心轂里外兩端擴展。當裂紋穿透中心轂外端表面和中心轂外圓表面時，裂紋張口增大，使中心轂軸承杯安裝段中部和外端尺寸增大，喪失過盈度，因而當軸承杯鋼套發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，中心轂軸承杯安裝面中部和外側(cè)區(qū)域未受到周向磨損，而里側(cè)區(qū)域由于還存在一定的過盈配合就發(fā)生了周向磨損。

機輪維修時，軸承杯如未達到拆換標準，是不對其進行拆裝的，中心轂軸承杯安裝面出現(xiàn)的腐蝕坑和坑底裂紋被軸承杯鋼套壓住就無法直接觀察到。機輪小修時，維修手冊規(guī)定要對輪轂中心轂內(nèi)軸承的軸承杯定位凸肩轉(zhuǎn)角部位進行超聲無損探傷，未要求對中心轂軸承杯安裝面緊鄰封嚴臺階的區(qū)域進行超聲無損探傷。修理廠現(xiàn)有的超聲檢測工裝是為檢測中心轂軸承杯定位凸肩轉(zhuǎn)角部位的周向裂紋設(shè)計的，難以檢測到中心轂軸承杯安裝面緊鄰封嚴臺階區(qū)域沿軸向和徑向擴展的早期腐蝕疲勞裂紋，而機輪維修時軸承杯損傷未達到拆換標準不需要拆裝，因此現(xiàn)有的機輪小修時的檢測手段難以檢測到中心轂軸承杯安裝面靠近封嚴臺階處的腐蝕坑和起源于腐蝕坑的早期腐蝕疲勞裂紋。

由于中心轂軸承杯安裝面靠近封嚴臺階的邊緣區(qū)幾乎所有腐蝕坑對應(yīng)的臺階端面的表面漆層均發(fā)生了脫落并露出了基底層，因此維修時應(yīng)借助放大鏡目視檢查中心轂封嚴段與軸承杯安裝段之間的臺階端面，如果發(fā)現(xiàn)臺階端面局部區(qū)域有表面漆層脫落且露出了基底層，應(yīng)將該機輪內(nèi)側(cè)軸承杯拆下，對中心轂軸承杯安裝面鄰近封嚴臺階區(qū)域進行腐蝕檢查。

航空公司機輪維修記錄顯示，自飛機交付以來未對該機輪軸承杯進行過拆裝，判定該機輪軸承杯鋼套組件的不正確安裝發(fā)生在飛機或機輪的出廠安裝時，因此建議飛機或機輪制造商和機輪維修商要嚴格按照技術(shù)要求安裝軸承杯鋼套組件。

4 結(jié)論和建議

1）輪轂中心轂軸向脆性斷口為起源于中心轂軸承杯安裝面靠近封嚴臺階處腐蝕坑的腐蝕疲勞斷裂。機輪滾動時中心轂軸承杯安裝面靠近封嚴臺階處的腐蝕坑坑底的應(yīng)力集中使腐蝕坑處的周向交變載荷增大，促進腐蝕坑沿中心轂軸向和徑向發(fā)生腐蝕疲勞裂紋的萌生和擴展。

2）中心轂軸承杯安裝面靠近封嚴臺階處的腐蝕坑是由于中心轂軸承杯安裝面外側(cè)區(qū)域表面陽極化層缺失造成的。飛機或機輪制造商使用強力安裝軸承杯鋼套組件造成了中心轂軸承杯安裝面外側(cè)區(qū)域表面陽極化層的缺失。

3）機輪小修時，現(xiàn)有的超聲檢測裝置難以檢測到中心轂軸承杯安裝面靠近封嚴臺階處的腐蝕坑和起源于腐蝕坑沿中心轂軸向和徑向擴展的早期腐蝕疲勞裂紋。

4）建議機輪小修時，目視檢查中心轂封嚴段與軸承杯安裝段之間的臺階端面，如發(fā)現(xiàn)臺階端面局部區(qū)域有表面漆層脫落而露出基底層，應(yīng)將該機輪內(nèi)側(cè)軸承杯拆下對中心轂軸承杯安裝面鄰近封嚴臺階區(qū)域進行腐蝕檢查。