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水陸兩棲飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)不同配副材料在海洋環(huán)境中的腐蝕磨損行為研究

2021-07-07 15:48:37 作者：王英芹，邱實(shí) 來源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

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（簡(jiǎn)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。

腐蝕磨損是一個(gè)非常復(fù)雜且系統(tǒng)性很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)過程，服役環(huán)境和工況錯(cuò)綜復(fù)雜，其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、潤滑條件等因素都會(huì)影響配副材料的腐蝕磨損行為。

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)室的科研人員針對(duì)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。

模擬試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用6對(duì)常用配副材料的環(huán)塊試驗(yàn)件，每對(duì)配副材料設(shè)置3個(gè)平行試驗(yàn)件，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)件的編號(hào)及配副材料詳見表1，配合公差H8/f7，配合面粗糙度Ra為0.8，采用環(huán)形潤滑槽，3號(hào)艦用潤滑脂；方塊材料為表面鍍鎘鈦的30CrMnSiNi2A鋼。

表1 試驗(yàn)件的配副材料

腐蝕磨損試驗(yàn)在擺動(dòng)軸承摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，自制試驗(yàn)夾具見圖2。

圖2 試驗(yàn)夾具示意圖

采用去離子水和NaCl配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%、pH為7.5~8.1的模擬海水溶液。試驗(yàn)件安裝后浸泡在模擬海水溶液中，參照GB/T 12444-2006《金屬材料磨損試驗(yàn)方法試環(huán)-試塊滑動(dòng)磨損試驗(yàn)》進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)在25~35℃無振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，輸出軸轉(zhuǎn)速60r/min，加載端施加載荷6000N，試驗(yàn)時(shí)間120min。具體試驗(yàn)過程如下：

No.1試驗(yàn)前試驗(yàn)件檢查

初始數(shù)據(jù)檢測(cè)與記錄：轉(zhuǎn)軸外徑和襯套內(nèi)徑尺寸測(cè)量；轉(zhuǎn)軸質(zhì)量測(cè)量。

潤滑脂檢查：確保潤滑脂灌滿潤滑槽。

No.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。

No.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(dòng)停止。

No.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(cè)量并記錄轉(zhuǎn)軸磨損部位的直徑，測(cè)量方塊上襯套的內(nèi)徑；對(duì)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。

模擬試驗(yàn)結(jié)果

01 磨痕深度與磨損量

表2 不同配副材料試驗(yàn)件的直徑變化和磨痕深度對(duì)比

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)軸外徑的減小量。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)。

Y001~Y003?A101~A103和A201~A203試驗(yàn)件的轉(zhuǎn)軸材料相同（30CrMnSiNi2A鋼），襯套材料不同。對(duì)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(duì)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(huì)造成運(yùn)動(dòng)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。

02 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，如圖3所示；另一種以黏著磨損為主，如圖4所示。

（a） Y002

（b） A101

（c） A201

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（d） A402 （e） A103

圖3 試驗(yàn)件轉(zhuǎn)軸的磨粒磨損形貌

（a） A301 （b） A502

圖4 試驗(yàn)件轉(zhuǎn)軸的黏著磨損形貌

圖3中試驗(yàn)件的轉(zhuǎn)軸材料均為30CrMnSiNi2A鋼，磨痕形貌均表現(xiàn)為塑性流動(dòng)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(huì)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。

03 腐蝕磨損宏觀形貌

（a） Y001 （b） A103

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（c） A201 （d） A301

（e） A401 （f） A501

圖5 襯套和方塊的宏觀腐蝕形貌

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。

（a） Y002 （b） A102 （c） A202

（d） A303 （e） A401 （f） A503

圖6 轉(zhuǎn)軸的宏觀腐蝕形貌

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30CrMnSiNi2A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。

結(jié)論

A101~A103試驗(yàn)件（表面鍍硬鉻30CrMnSiNi2A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；

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。

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