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钛合金自锁螺母裂纹故障分析

发布时间:2011/5/6 17:45:43    浏览量:

  [摘 要]二十世纪末期,国家发展战略进行顺利并且呈现上升趋势,尤其是“921”工程的提出和发展更是大大提高了我国的综合国力和国际地位。高科技领域的繁荣意味着对新技术新材料和新能源的需求更加紧迫。钛合金自身具有的优势使其符合尖端科技行业里对材料的要求,越来越广泛的被应用在建造卫星和飞机等重要领域。因此面对出现钛合金自锁螺母裂纹这个现象,必须对这种故障进行全面细致的研究和分析,以免在日后的应用中造成事故。

  [关键词]钛合金自锁螺母;裂纹;分析

  引言

  钛合金本身作为一种新型的合金材料,具有传统合金材料无法比拟的优越性,用钛合金制作成自锁螺母,零件本身的坚固性和连接紧密性非常好,在防止震动及其引起的零件松动方面性能优越,兼具高强度和低密度的特点。因此,钛合金自锁螺母备受飞机制造业和其他高端机器制造业的青睐,被应用在很多机器的连接处。连接处对于机器设备来说,是非常重要的位置,一旦出现问题发生故障,很有可能造成整个机器无法使用的严重后果。

  面对这种情况,对钛合金自锁螺母裂痕故障进行分析和研究,提出相应的整改措施,无论在保护人员设备安全方面还是在促进技术提高方面都具有非常重要的意义。本文就一些出现裂痕的钛合金自锁螺母进行研究之后,对其形成裂纹的故障进行进一步的描述和分析。

  (一)钛合金自锁螺母裂纹的情况

  为了更好的找出引起故障的可能性,更好的找到对应的解决措施,我们找到一些出现裂纹的钛合金自锁螺母,并且对这些出现问题的螺母进行了标注和检查,进行了模拟实验并对实验数据进行记录。在实验过程中,我们不仅对出现裂纹的钛合金自锁螺母进行了仔细的观察和记录还找到了没有问题的钛合金自锁螺母进行对比和分析。裂纹分布位置如图所示:

  通过检查发现,出现在钛合金自锁螺母的裂痕并不是杂乱无章而是具有一定的规律,裂痕部位并不是很多,集中在短轴的内部表面位置和长轴外部表面位置,并且裂痕方向呈纵向发展。由此可见,基本可以排除了突发意外状况造成裂痕的情况,需要进一步对故障原因进行分析。

  结合钛合金自锁螺母在我国的主要应用方向来看,主要是作为航空零部件来使用,所以对钛合金自锁螺母的加工制造质量的要求也越来越高,由于合金材料本身是一种复合材料,使用新型材料做为零部件,在加工制造的过程中必要的质量控制非常重要。

  随着钛合金制造工艺的发展和应用领域不断扩大,对铸造钛合金零部件的技术以及零部件本身的各方面性能要求也有所提高,同时对于某些特殊行业和尖端领域中应用的钛合金自锁螺母这类重点零部件来说,其结构复杂程度的加大已经日渐明显,像传统观点的那种认为“所有的变形钛合金都适合用作铸造合金”的思想也在逐渐被修正。随着合金使用温度和工作强度的提高,钛合金铸造成自锁螺母等零部件时,根据使用部位和作用不同还会添加不同的元素,元素的加入量也相应增加,但同时必须考虑到合金的铸造性能、流动性凝固区间结晶组织、力学性能等等,因此只要有一方面的操作不准确或者有疏漏出现,就会导致铸造的钛合金自锁螺母质量发生问题,产生如上图所示的裂纹现象。结合诸多因素进行考虑之后,进一步对产生裂纹的原因进行分析。

  (一)引起钛合金自锁螺母裂纹的因素

  (1)铸造过程中的影响因素

  钛合金自锁螺母的铸造仍旧是依靠钛合金这种新型材料为主体来进行,从材料本身的性能来看,与很多传统所知的合金不同的是钛合金材料具有非常高的化学活性,所以易与空气中的N、O、N发生剧烈化学反应。不仅如此,铸造中常用的耐火材料也极其容易和钛合金材料发生化学反应。而钛合金材料的铸造过程中,模具的使用是不可或缺的一个方面,并且钛合金自锁螺母的熔模精铸要比铝和钢等合金材料零件的熔模精铸难度大得多,需借助特殊手段才能实现。主要是借助模具经过加压使其收缩,接下来在压扁的基础上进行一定的处理进而成型。这个过程中模具的选择对钛合金自锁螺母最终定型具有很大影响。

  通过选择几个不同形状尺寸的模具来进行试验,基本可以得出以下几个结论:(1)钛合金材料作为一种可塑性材料,也有着自身的临界点,在对钛合金自锁螺母进行压扁的过程中,如果压扁的程度超过了材料本身的极限,破坏了材料的可塑性,这种情况下,由于长轴和短轴的表面曲率不同,所以在内表面出现了裂痕而外表面并没有受影响。

  (2)选择的模具半径曲率不同也会产生影响。使用半径曲率较小的模具铸造出来的钛合金自锁螺母长轴内表面会出现严重的变形,而且短轴内表面也会出现裂痕或者不同程度的变形。相反的,当模具的半径曲率过大的时候,铸造成的钛合金自锁螺母虽然长轴的外表面完好,但是短轴的内表面会出现不同程度的开裂现象。

  (二)加工过程中的影响因素

  已经成型的钛合金自锁螺母还需要进一步加工,目前最普遍的加工方式是热处理制度。通常进行进一步加工的方法是对材料进行压扁成型,因此挤压模具在选用上选择新型耐热模具的同时保证加热炉到挤压筒的输送速度也要快,在加热和挤压过程中刚刚铸造的新鲜的钛合金自锁螺母本身作为金属材料来说易被气体污染尤其是被氧化污染,所以采用适当的保护措施非常必要。但是通常在进行热处理时,很容易因为控制不当而使金属的表面受到污染,虽然在热处理之后要将零件放在真空的环境下进行固溶时效的处理,但是已经存在的表面污染依旧容易发生氧化,使钛合金自锁螺母本身的硬度和可塑性大打折扣。

  (三)使用过程中的影响因素

  钛合金自锁螺母在使用过程中同样存在着可能引起裂痕的因素。由于这种零件通常是用在连接处或者进行加固作用,进行安装时很容易因为操作不当引起的磨损和损伤,或者进行反复多次的拆卸零件等行为,都??对钛合金自锁螺母造成不同程度破坏,进而降低零件本身的耐磨损度。容易导致开裂现象。

  总结:通过以上分析可以看出来,影响钛合金自锁螺母裂痕的因素有很多。每个因素都不能够忽视,因此在日后对钛合金自锁螺母的铸造上要选择尺寸形状合适的模具,并且严格测量模具的曲率半径,这一点很重要。

  不仅如此,在加工过程中可以将固溶的步骤提前,这样可以避免在固溶时效这一阶段螺母表面被氧化腐蚀和污染;在使用钛合金自锁螺母的过程中,技术人员应当正确安装,避免对零件的损伤和磨损,同时要加强对安装有钛合金自锁螺母部位的检测力度,定期维护,并及时更换有问题的零件。

  由此可见,通过改善技术水平,加强防范意识等方式,可以有效的预防钛合金自锁螺母裂纹,进而避免故障的发生。

  参考文献

  [1] 陶春虎,刘庆,曹春晓等.航空用钛合金的失效极其预防.国防工业出版社.2012年1期.

  [2] 李东东,谷胜民,刘涛,韩露,李阿妮,马瑞忠.钛合金螺栓与自锁螺母咬死故障原因分析[J].失效分析与预防,2012,(04):235-239.

  [3] 赵爱国,王庆如.钛合金自锁螺母裂纹故障分析[J].失效分析与预防,2016,(03):42-45.


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