1、 ：飞机舵机壳体裂纹产生原因杨兵（西安飞行自动控制研究所，西安 ）摘要：某飞机舵机壳体在服役过程中多次发生漏油故障，采用化学成分分析、荧光渗透检测、断口分析、金相检验等方法对漏油壳体进行检测及分析，对不同批次壳体材料进行了力学性能测试。结果表明：在脉冲油压的作用下，舵机壳体传感器孔壁萌生裂纹，并进一步扩展导致漏油；故障批次壳体材料为再结晶等轴晶组织，正常批次壳体材料为枝晶网状晶界组织，组织差异导致材料力学性能的差异，故障批次壳体材料的横向力学性能、断裂韧度以及疲劳性能等均低于正常批次壳体材料；力学性能的降低是传感器孔薄壁部位产生疲劳裂纹的主要原因。关键词：舵机；壳体；漏油；铝合金；疲劳裂纹中图
2、分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：杨 兵（），男，硕士，高级工程师，主要从事失效分析及材料应用研究工作，（，）：，：；舵机壳体是飞机飞行控制系统的关键零件，其套筒安装孔内安装有活塞，在壳体内脉冲油压的作用下，活塞往复运动。该壳体内部油路纵横交错，工作时承受 的脉冲油压作用。某型飞机舵机壳体在服役过程中，传感器孔和套筒安装孔之间的薄壁陆续出现裂纹，导致漏油。壳体裂纹部位如图所示，图中：为备传感器孔；为主传感器孔；为套筒安装孔。该壳体材料为 铝合金，是 图飞机舵机壳体裂纹部位示意系热处理强化铝合金，是航空、航天、兵器等行业重要的结构材料之一。壳体的使用状态为固溶时效状态，表面
3、进行了硫酸阳极化处理。杨 兵：飞机舵机壳体裂纹产生原因理化检验荧光渗透检测将故障舵机正常连接电缆和油路，在额定供油状态下正常接通舵机，舵机发生漏油。切取漏油壳体传感器孔和套筒安装孔之间的孔壁进行荧光渗透检测，可见传感器孔壁裂纹沿纵向断续分布，相应套筒安装孔环槽附近存在裂纹，结果如图所示。壳体及孔壁无外力损伤及变形痕迹。化学成分分析对故障批次壳体、正常批次壳体材料分别进行化学成分分析，结果表明：壳体材料均为 铝合金，符合 航空航天用铝合金棒材规范 的要求，结果如表所示。图漏油壳体荧光渗透检测结果表壳体的化学成分分析结果项目质量分数 正常批次料实测值 故障批次料实测值 断口分析在裂纹处将壳体打开，
4、可见断口平坦、有光泽、源区有和两个裂纹源，均位于传感器孔壁，断口宏观形貌如图所示。在扫描电镜（）下观察断口，源区均可见辐射状疲劳台阶（见图），裂纹扩展区可见疲劳条带（见图）。图断口宏观形貌图裂纹源区 形貌金相检验分别从故障壳体裂纹附近及正常批次壳体上截取金相试样，分别在光学显微镜下观察，结果如图所示。由图可知：故障批次壳体材料为再结晶等轴晶组织，正常批次壳体材料为枝晶网状晶界组织。两者均为（）基体上弥散分布有（）相，沿晶界分布有（）相、（）相等。图疲劳条带 形貌 有限元分析运用 有限元分析软件对壳体进行静强度仿真分析，壳体名义壁厚有限元应力分析云图如图所示。额定工作状态与极限工作状态下壳体传感
5、器与套筒安装孔壁处的静强度 有限元分析数据如表所示。由表可知：壳体静强度满足设计规范要求；最大应力部位为该壳体套筒安装孔相邻的传感器孔壁表面部位。杨 兵：飞机舵机壳体裂纹产生原因图故障和正常批次壳体的显微组织形貌图壳体名义壁厚有限元应力分析云图表静强度 有限元分析数据壁厚额定状态 极限状态 极限状态安全系数 （最薄壁厚）（名义壁厚）（最厚壁厚）材料对比试验经调查，该壳体外协生产过程中曾更换材料生产厂家。故障批次壳体材料均为更换后的材料厂家生产，故障批次壳体裂纹的产生与材料生产厂家更换存在相关性。故障批次壳体材料组织与正常批次壳体材料组织间存在差异，因此取故障批次材料和正常批次材料进行纵横向抗拉
6、强度、屈服强度、延伸率、向（向为圆周切线方向，向为径向）断裂韧度、轴向疲劳性能对比试验。取正常批次材料和故障批次材料，按照 金属材料拉伸试验 第部分：室温试验方法 进行纵横向抗拉强度、屈服强度及断后伸长率对比分析，结果如表所示。由表可知：故障批次料横向强度及断后伸长率性能低于正常批次料，故障批次料的横向抗拉强度低，横向屈服强度低，横向断后伸长率低；故障批次料纵向强度及断后伸长率性能高于正常批次料，故障批次料的纵向抗拉强度高，纵向屈服强度高 ，纵向断后伸长率高。表故障和正常批次材料的强度及断后伸长率材料抗拉强度 屈服强度 断后伸长率故障批次料（横）正常批次料（横）故障批次料（纵）正常批次料（纵）
7、按 金属材料平面应变断裂韧度 试验方法，沿棒材向取样，对故障和正常批次材料的断裂韧度进行测试。故障批次材料较正常批次材料的断裂韧性平均值低约。故障批次材料的断裂韧度测试结果为 ，正常批次材料的断裂韧度测试结果为 。在高 频 疲 劳 试 验 机 上，按 照 金属材料轴向加载疲劳试验方法，对故障批次材料和正常批次材料进行室温轴向疲劳寿命对比。选取了 ，三级应力水平进行疲劳对比试验。材料高频疲劳寿命测试数据如表所示。表故障和正常材料在不同应力下的疲劳寿命周次材料应力 故障批次料 正常批次料 由测试数据可见：故障批次材料较正常批次材料的疲劳寿命低，在 和 应力水平下，故障批次材料的疲劳寿命分别较正常批
8、次材料低 和。综合分析传感器孔壁存在多条裂纹，表明薄壁部位存在较大的应力作用，有限元静强度分析也表明，该部位的壳体应力最大。从断口分析可知：裂纹源位于传感器孔壁表面，扩展至套筒安装孔。断口宏观和微观形貌符合疲劳断裂特征。壳体传感器孔壁在脉冲油压的作用下，裂纹由传感器孔壁表面向套筒安装孔疲劳扩展，第一环槽或第二环槽为壁厚最薄处。故障批次材料和正常批次材料相比，显微组织存在明显差异。故障批次材料为再结晶等轴晶组杨 兵：飞机舵机壳体裂纹产生原因织，棒材在热挤压过程中，在一定的挤压温度和挤压比下，在变形的同时可能发生动态再结晶。由于铝合金的层错能较高，并不易发生动态再结晶，因此 铝合金再结晶形核方式是
9、通过挤压变形过程获得较大的热激活能与应变能，经过亚晶转动、聚合形核完成不连续动态再结晶 。正常批次材料可见枝晶网状晶界特征，固溶处理时，枝晶间组织溶入（）基体，残留的（）相、（）相沿晶界分布，时效处理时（）相弥散析出，而晶界处无（）相析出，呈现出白色网状组织形态。可见，不同厂家生产的挤压棒材会由于棒坯状态、挤压工艺及热处理工艺的不同而出现不同的组织特征。对显微组织的要求是不允许有过烧，因此两批材料组织虽存在差异，但均是符合标准要求的。材料组织的差异将导致力学性能的不同，由材料力学性能测试数据可见，虽然故障批次材料的纵向力学性能指标符合 要求，但其他性能存在差异，横向强度及断后伸长率低于正常批次
10、材料。对液压产品而言，腔体内壁各方向承受相同油压作用，横向性能降低将影响结构性能。故障批次材料较正常批次材料的断裂韧性以及疲劳寿命低，表明更易产生疲劳裂纹，并且裂纹寿命将更短。故障批次材料力学性能的降低导致传感器孔壁裂纹多源萌生并疲劳扩展，导致壳体漏油。通常对铝合金材料进行阳极化处理，以生成氧化铝保护膜来进行表面防护。不同的阳极化表面处理工艺对材料的疲劳性能也有影响。研究显示，对于铝合金材料，硫酸阳极化明显降低了材料的疲劳极限，而铬酸阳极化使材料的疲劳极限下降，硼酸硫酸阳极化不降低材料的疲劳极限。壳体材料表面处理工艺为硫酸阳极化，因此通过改进阳极化工艺，也可进一步提高零件的疲劳寿命。结论及建议
11、壳体裂纹均为疲劳裂纹，裂纹源为多源，位于传感器孔壁，疲劳扩展至套筒安装孔第一环槽或第二环槽处，导致壳体漏油。故障批次材料的化学成分和力学性能符合 的要求。故障批次材料与正常批次材料的组织特征存在差异。故障批次材料的横向抗拉强度、横向屈服强度、横向断后伸长率、室温轴向断裂韧度以及疲劳性能均低于正常批次材料，是导致壳体疲劳寿命缩短、批次性出现开裂漏油的主要原因。建议设计增加传感器孔壁厚度，减小壳体孔壁所受的油压应力；建议选用正常批次组织的材料，或各向性能更高的铝合金锻材，提高材料的力学性能；建议选用对疲劳寿命影响小的阳极化工艺，进一步提高壳体的疲劳寿命。参考文献：蔡刚毅，吕广庶，马壮，等 铝合金
12、变形后的组织和性能 轻合金加工技术，（）：，陈灵，何欢，符跃春，等双级固溶处理对 铝合金组织与力学性能的影响 机械工程材料，（）：潘占 铝合金端框接头断裂原因分析理化检验（物理分册），（）：，陈俊东，颜 银 标，申 小 平，等固 溶 处 理 对 多 向 锻 造 铝合金组织和性能的影响 有色金属工程，（）：蔡刚毅，吕广庶，马壮，等 铝合金 变形后的组织和性能轻合金加工技术，（）：，薛勇，赵熹，杨治辉，等扩挤变形对 铝合金组织与性能的影响研究兵器材料科学与工程，（）：，：，（）：张德闯，陈杰，郑理，等铝合金组织特性在挤压成形过程中的响应行为 铸造技术，（）：，李大乔，颜银标，张頔 多向锻造对 铝合金组织与性能的影响 有色金属工程，（）：薛杰，王有为，张志豪，等 挤压温度对 合金动态再结晶、时效组织和力学性能的影响中国有色金属学报，（）：梁岩，孙荣滨 铝合金铸锭均匀化热处理研究轻合金加工技术，（）：，于凤梅，杨薛军，张科伟，等表面处理技术在航天材料中的应用 理化检验（物理分册），（）：蔡健平，李斌，刘明辉，等阳极化对航空铝合金疲劳性能的影响航空材料学报，（）：