浅析硬度检测在飞机维修中的应用

冯冬云，李 伯

(北京飞机维修工程有限公司，北京 100621)

硬度测量是衡量金属材料软硬的一个指标，它是金属材料的一种重要机械性能。硬度值的大小不仅取决于金属的成分和组织结构，而且还取决于测量的条件和方法，它是弹性、塑性、塑性变形强化率、强度和韧性等一系列不同物理量的综合性能指标。一般可以认为硬度是指金属表面上相同体积内抵抗变形破裂的能力。硬度检测是机械性能检测中最迅速、最简便，而且不破坏工件的唯一检测方法。

1 硬度检测的特点和应用

硬度检测一般在金属表面局部范围内产生很小的压痕，它不致使产品或零件受到破坏，通常可视为无损检测。因而对大多数机件可直接使用成品进行试验，而无需专门加工试验件。同时应用硬度检测也易于对金属表面层的情况进行检查，如脱碳与渗碳、表面淬火、表面过热以及化学热处理后的表面质量等。硬度与其他机械性能之间存在着一定的关系，因此在工业生产中能用以判断、检验金属材料或产品、零件的机械性能以及在生产流程中用于工艺控制。硬度检测具有很高的工作效率，易于实现对产品进行100%的检验。在某些情况下，产品零件不可能加工出试样，这时硬度检测就是进行机械性能试验的唯一途径。同时，针对一些大型零部件和形状复杂的零部件，可利用便携式硬度计进行硬度检测。

由于硬度检测具有上述特点，加之试验方法的不断改进，因此在工业生产和科研工作中均已得到广泛应用，成为机械性能试验中不可缺少的重要方法。

2 硬度检测在发动机零件检查中的应用

2.1 硬度检测中硬度标尺换算的应用

在硬度检测过程中，有时受限于被测样品尺寸和形状或检测设备的工作条件，不能对要求的硬度标尺进行直接检测。针对上述情况，在民航维修领域制定了专门的技术标准，即MH/T 3020—2011《金属硬度标尺的转换》。例如，RB211-535E4-37型发动机，5DM3670单元体，按发动机厂家手册要求，其低压涡轮第一级盘、低压涡轮第二级盘和低压涡轮第三级盘的硬度值应至少为321 HBW。由于检测设备的限制，目前尚无满足需求的布氏硬度计，因此可依据MH/T 3020—2011，将硬度标尺由布氏换算为维氏，其换算硬度值为334 HV。在此基础上可选择台式维氏硬度计作为检测设备，辅以千斤顶式的支座，即顺利完成了对其的硬度检测工作。

2.2 硬度检测在发动机零件过热检查中的应用

发动机在工作期间如发生超温现象，首先需进行硬度检测以确认其零件是否过热。例如，件号分别为 VL29028、SETM1148、SETY555发动机低压涡轮盘，零件为不锈钢材料，因该发动机经过高温，根据厂家手册要检查榫头前缘的有效硬度，测量圆周上相互间隔90°的四个位置。如果硬度超过321 HB(334 HV)视为可用，如果低于321 HB(334HV)则视为不可用。应用台式维氏硬度计对其进行硬度检测后，其测试硬度值如表1所示。

表1 低压涡轮盘的维氏硬度值Table 1 Vickers hardness value of low pressure turbine disk

将以上检测结果报某公司后，经其核对，确认该发动机零件没有过热，可继续使用。

3 硬度检测在发动机零件等离子喷涂修理中的应用

在对RB211-535E4-37/39型发动机进行大修时，其3DM4614单元体修理工作要求高压涡轮一级转子空气封严零件采用metco320等离子喷涂进行修理。同时，4DM6157单元体的高压涡轮一级内罩环、高压涡轮二级内罩环、高压涡轮一级机匣、高压涡轮二级机匣、高压涡轮三级机匣、高压涡轮四级机匣也要求采用metco320等离子喷涂进行修理。该涂层为ALSI-BN材料，按照罗罗标准大修工艺手册需先按等离子喷涂的标准工艺对试样进行喷涂。试样材料为不锈钢，喷涂试样的硬度测试结果应为45～70 HR15Y，并通过试样的硬度值来调节等离子喷涂工艺参数，直到硬度试样合格，再进行金相检查。金相检查合格后，再将硬度试样加热至425℃，保温2 h进行时效处理，再进行硬度检测时其硬度值应大于零。完成上述所有测试后，即可按选定的参数对待修发动机零件进行等离子喷涂修理。厂家手册规定，最终需对所有等离子喷涂修理后的零件进行硬度检测，为此我们设计并加工了专用的工装夹具，见图1，并应用其在台式表面洛氏硬度计上进行测试。例如，对高压涡轮一级机匣进行硬度检测，其零件见图2，其设计的工装见图3，其硬度检测见图4。

图1 涂层硬度检测工装Fig.1 The fixture of coating hardness testing

类似上述的情况还有很多，均需在其硬度检测时设计相应的工装。

4 硬度检测在飞机附件大修中的应用

硬度检测在飞机附件大修中一般作为例行检查程序，有时也作为过热检查的方法。例如，对于件号为107484-7，序号为7478的高压级调节器，检查要求对表面A和表面B分别进行洛氏硬度检测，见图5。硬度值必须为27～60 HRB，如果表面硬度不符合要求，必须更换部件。根据其要求，我们应用台式洛氏硬度计对此附件进行检测。另如，对件号为121666-13的主球螺杆作动器的活门板组件也要进行硬度检测，其要求封严固化后活门板的硬度应最小为27 HRB。在实际检测中，我们需要设计并使用相应的工装夹具，以确保测试面垂直于压头的加载轴线。由于震动或冲击会增加惯性负荷，从而影响试验结果，还需保证初负荷及主负荷均能够平稳地施加在附件的表面上。

图2 高压涡轮一级机匣Fig.2 Stage casing of high-pressure turbine

图3 硬度检测工装Fig.3 The fixture of hardness testing

图4 涂层硬度检测Fig.4 The testing of coating hardness

图5 高压级调节器Fig.5 High pressure level regulator

5 便携式硬度计在飞机维修中的应用

民航维修业的工作特殊性决定，我们可能在现场对飞机本体及其发动机或其他大型零件进行硬度检测，此时即需使用便携式硬度计。如何根据不同的零件，不同的检测条件，合理地选择硬度计显得尤为重要。例如，对大尺寸的发动机零件，像燃烧室外机匣组件和IPC前轴承支撑-前轴承腔和I.G.V.组件，见图6和图7，通常要求对其安装边进行硬度检测，我们选择的设备为便携式洛氏硬度计，见图8。

这种硬度计测量时的加载方式为直接加载，相对平整的检测面也符合其应用要求，且直接测量所要求的硬度标尺，不存在硬度标尺转换的问题。综上所述，相对于使用其他的设备，应用其进行硬度检测，结果要可靠得多。

图6 燃烧室外机匣组件Fig.6 The casing component of combustion chamber

图7 IPC前轴承支撑-前轴承腔和I.G.V.组件Fig.7 IPC front bearing-front bearing cavity and I.G.V.component

图8 便携式洛氏硬度计Fig.8 Portable Rockwell hardness tester

另如，对起落架轮轴进行硬度检测，考虑到其工作载荷大，以及高温高压高腐蚀性的恶劣工作环境，一般大修时均采用硬度检测方式对其进行过热检查。若飞机有非正常的操作，则还需到飞机现场对其疑似过热区域进行硬度检测。因该零件外型尺寸极大，且测试部位为圆弧面，为确保检测结果的准确性，我们选择了电阻式便携式硬度计，见图9。其工作原理为通过测量压头与测试样品之间形成电路的阻值变化来量化压痕深度，具有施加载荷小、压痕浅的特点，其内置有硬度标尺转换功能;且应用前均使用与被测试样硬度值相近的标准硬度块进行现场标定，所以其检测结果也是相对准确的。

图9 电阻型便携式硬度计Fig.9 Resistance type portable hardness tester

我们曾将其应用于件号为65B05133-27的机翼机身主架轮轴梁组件检查中，进行酸蚀检查发现其轴面有疑似过热现象，上报波音公司后，要求对硬度检测予以确认。该零件价值高达十余万美元，制造材料为4340高强钢，正常的硬度范围为52～58 HRC，一旦硬度值结果低于52 HRC即认为失效报废。应用电阻式便携式硬度计对疑似过热面进行硬度检测，测试值分别为 56.0、56.6、56.0、56.1、56.4 HRC。在将上述测试结果向波音公司汇报后，经调查认可该检测结果并得出零件可继续使用结论。类似的例子还有很多，均充分证明了便携式硬度计在民航维修领域中广泛和成功的应用。

6 常用硬度测试应注意的问题

进行硬度检测时，试样表面应平整，无锈皮、裂缝、显著加工痕迹、凹坑及其它涂抹物。如有需要，试样在加工或除去表面的修皮、污垢时应保持材料原有状态，使其组织性能不变。测试面和支撑面、压头表面以及载样台面应清洁而无外来污物附着，试样应平稳地安置在载样台上，检测过程中不应发生滑动。对弯曲形试样进行检测时，应将其凸面紧贴于载样台上，以免因弹性变形影响试验结果。加载过程中，确保试验力施加方向与试样测试面垂直。在任何情况下，不允许压头与载样台相触碰，在试样支撑面及载物台工作面上均不得有压痕痕迹。由于洛氏和表面洛氏硬度应用较为普遍，试样形状各异，所以试样的正确安放与载物台的恰当选择就成为准确测量试样硬度极为重要的条件。对于许多复杂形状的试样，须根据实际需要准备适用的特殊载样台。

［1］ 何肇基.金属的力学性质［M］.北京:冶金工业出版社，1982.

［2］ 四川五局.金属材料机械性能试验［M］.北京:国防工业出版社，1983.