郭强 姚德平 周易

摘要：相比于飛机制造业的传统材料铝合金，钛合金具有热稳定性好、比强度高，耐腐蚀性能好等特点，如今已经成为制造航空发动机风扇叶片，压气机盘等重要结构的主要材料。本文从航空机务维护工作的角度出发，通过分析钛合金件的几种典型损伤形式，损伤机理，介绍航空机务维护工作中钛合金件的相关维护措施。

关键词：钛合金;航空机务维护保障;损伤形式

钛合金在飞机制造业的首次亮相是1953年美国道格拉斯公司生产的DC-T飞机，它的发动机吊舱和防火壁是由钛材制作，时至今日钛合金材料已经被应用了大半个世纪。钛材在航空制造领域的广泛应用是由于它有适用于飞机材料需求的许多宝贵特性，如强度高，钛的强度是铝合金的1.3倍，不锈钢的3.5倍，因此用较少的材料就可以满足强度要求，大大减轻航空器的重量;钛合金热强度高，比铝合金的使用温度高几百摄氏度，可以在500℃的温度下长期稳定工作，非常适合航空发动机的使用和工作温度需求;钛合金耐酸、耐碱、耐大气腐蚀，对点蚀，应力腐蚀抵抗能力强;另外钛合金导热系数小、弹性模量小。由于上述优异性能，钛材甚至有“空间金属”的美誉，目前世界上生产的钛及钛合金，大约有四分之三被用于航空航天工业，许多原来用铝合金的部件，都改用了钛合金。

钛合金结构件常见损伤形式有氢脆、热盐应力腐蚀、微动疲劳及微动磨损损伤、接触污染及接触腐蚀等，这些损伤会降低结构件的强度及寿命，危害飞行安全。因此航空机务维护工作人员应了解其损伤的机理、预防和控制措施，对于做好钛合金结构件的维护保养工作具有重要意义。

与钢材料类似，钛合金对于氢脆损伤也很敏感，钛合金氢脆损伤的实质是氢元素在钛合金中积聚并与金属钛形成钛氢化物，氢元素在钛基体中渗透扩散，最后导致钛材开裂的过程。在钛及钛合金中，氢可固溶于β相和α相，也可以γ相（氢化物）形式存在。氢降低钛的α+β/β相位点，是一种间隙型β稳定元素。当钛及钛合金中氢含量小于0.020%时可防止发生氢化物型氢脆。由于氢钛化合物标准生成吉布斯焓变为负，从热力学角度来看很容易发生反应。另外当钛表面被金属铁污染时会形成原电池，增大钛的吸氢量。因此在工业机械应用中通常会通过预氧化处理在钛合金表面处理生成一层致密的氧化膜，阻断氢与钛合金的接触。因此在日常的维护工作中要尽量避免尖锐物品划伤表面氧化膜，减少钛合金件与其它物品的直接碰撞;同时工作中做好保护措施避免铁器直接碰损，划伤钛合金件，尤其不可用铁质工具直接进行敲击，防止铁元素浸入造成钛合金件氢脆损伤。

另外，钛合金件容易发生热盐应力腐蚀，在高温和含有卤化物的环境中，在交变应力作用下，钛合金会变脆甚至完全会完全脆断，这种失效形式被称为钛合金的热盐应力腐蚀。该类型腐蚀最敏感温度范围是280℃～430℃，该温度范围与航空发动机压气机的工作温度较为接近。因此该部位的钛合金件如压气机叶片、压气机盘等一旦处于大量盐分环境中，在交变应力作用下，易发生热盐应力腐蚀，造成发动机损伤，甚至危及飞行安全。因此要避免压气机叶片、压气机盘等钛合金件处于高盐度的环境中，在执行海边飞行任务时应定期对以上机件上的盐分进行清洁，防止盐分积累;在飞机的日常维护或定期检修中应及时清理维修人员的汗液，避免汗水中的盐分在机件表面沉积。

钛合金在循环载荷作用下，表面某一部位与其它接触表面间产生小振幅相对位移会产生微动疲劳和微动磨损腐蚀;当没有外加的循环载荷作用时，微动影响会导致钛合金件表面发生磨损破坏。由于钛合金耐磨性能很差，因此对于微动损伤十分敏感。例如钛合金叶片榫头和压气机盘榫槽配合间由于长期磨损，极易产生微动疲劳损伤。现阶段利用表面涂层和其他工艺处理是防止钛合金微动损伤的主要措施，因此在机务维护工作中要注意保护钛合金的表面处理层，防止微动腐蚀的发生。

钛合金件的接触污染是指钛合金受到某些低熔点金属的影响而导致脆性开裂，常见的有银脆、镉脆、铝脆和铜脆等类型。因此接触污染也被称为低熔点金属致脆，其作用机理是低熔点金属原子与钛合金机体发生作用，导致钛原子键合强度变低，或是形成脆性金属化合物，降低了钛合金的塑性性能。在航空发动机压气机工况下，钛合金的接触污染是一个典型问题。在航空机务维护工作中应当从切断污染因素入手，除了不可避免的维修措施外，尽量减少有致脆隐患的金属与钛合金件接触，保护钛合金表面的镀层，降低钛合金件接触污染的概率。

接触腐蚀（电偶腐蚀）也是失效的一种重要形式，不过被腐蚀的对象不是钛合金，而是与钛合金接触的其它金属。钛合金钝性较强，因此当钛合金与其它金属直接接触时，在某些环境下，会加速其他金属材料的腐蚀。在一般条件下，由于钛合金会与空气中的氧气形成一层致密的氧化膜，阻断钛合金与相邻金属的电子流动。但在工业实际应用中，当钛合金与铝合金、镀锌构件及钢件直接紧密接触时，在电解质充足的环境中，很容易导致相邻金属机件的腐蚀，造成相邻金属机件失效，进而造成机器损坏。例如用钛合金紧固件紧固的铝合金板，紧固孔周围易发生接触腐蚀破坏;钛合金压气机盘、叶片造成耐热不锈钢固定卡环发生严重接触腐蚀。产生接触腐蚀必须具备三个条件：腐蚀电解液的存在（导电回路），存在电位更正的金属或非金属导体，电连接（电子导电回路）。防止接触腐蚀的实质就是使三个条件不能同时满足，现阶段航空制造业主要采取以下四种方法防止接触污染的发生：制作金属涂层，通过在钛合金表面涂层减小腐蚀体系的电位差，进而降低电偶效应;在钛合金表面制作化学转化膜层，增大钛合金与相邻机件的接触电阻，降低电偶效应;涂漆，涂漆与化学转化膜配合使用，隔断钛合金与相邻机件的导电回路，彻底杜绝电偶效应;绝缘与密封，采用惰性材料如密封胶等直接隔绝导电回路，保护机件。机务维护保障工作中对于钛合金相邻机件接触腐蚀的防护工作应当以上述描述为依据，在日常检查工作中，应加强与钛合金机件密切接触尤其是钛合金紧密件周围金属结构的检查，观察其有无腐蚀现象。拆装，检查有涂层、涂胶或化学转化膜等包裹的钛合金件时，应注意保护机件表面的保护层，避免划伤，碰损。

钛合金件以其优异的特性成为航空器的重要结构材料，因此，对于航空机务维护人员来说，应当深入了解钛合金的损伤形式，损伤机理，采用科学的方法来检查，发现可能的失效状况，保证飞行安全。

作者简介：郭强，中国飞行试验研究院，助理工程师。

姚德平，中国飞行试验研究院，助理工程师。

（作者单位：中国飞行试验研究院）