某型直升机TA2钛合金平台板烧蚀检测评估

陈 忱，王 鹏，曹瑶琴，谌广昌

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001;2.海军驻景德镇地区航空军事代表室，江西 景德镇 333000)

0 引言

热损伤是飞行器结构损伤的主要形式之一，它是指飞行器结构遇到高温造成的机体结构损伤。飞行器结构热损伤不仅存在起泡、变形等显而易见的外部损伤，而且还会因受热而引起强度、刚度、硬度等机械性能的变化。飞行器结构的热损伤是引起飞行器事故的隐患，因此准确地确定飞机结构热损伤的范围及程度，对保障飞行安全有着重要的作用。目前国内外对钛合金的热损伤评定进行了较多的研究。空军第一航空学院的侯日立、于克杰、吴德新[1-3]，空军航空维修技术学院的陈勇[4]等人对钛合金的热损伤检测进行了大量研究，提出了钛合金热损伤检测的准确度要求和经济性要求。本文在借鉴其研究结果的基础上，采用维氏硬度测试法及金相检测法对烧伤的钛合金板材进行检测和评定。

1 烧伤情况描述

某型直升机由于发动机舱温度过高，导致排气口下方的二段平台被烧伤。本次烧伤的区域主要为直升机动力舱的二段平台，处于直升机发动机的正下方，为发动机的安装平台，同时在直升机中传递一定的载荷，在直升机中具有重要作用，其性能直接影响直升机的飞行安全。目前该平台采用TA2-M-GJB2505A钛合金板材制造，主要承受静载荷的作用，其具体示意见图1。

图1 结构分布图

因此，为保证型号的结构安全，尽量减少因此次烧伤造成的经济损失，降低修理难度，需对烧伤的二段平台钛合金进行热损伤检测评估，以便准确判定其损伤程度并确定后续修理方式。

2 试验过程及方法

2.1 试验过程

对于烧伤的航空构件而言，其强度和组织均匀状况是否受到热损伤影响是工程应用中十分关心的问题。研究表明，目前航空结构件热损伤检测的方法主要有力学性能测试、硬度测试、表面颜色观察、金相组织观察等。由于此次烧伤区域不大，且力学性能测试会对构件产生破坏，实际操作困难，因此根据上述分析，可以通过维氏硬度测试法、金相法、表面观察法对动力舱二段平台钛合金烧伤部位进行热损伤检测和评定。

2.2 试验方法

对烧伤区域进行清洗，去除表面油污，观察烧伤区域的颜色变化情况，初步判断钛合金的烧伤程度。

选取动力舱二段平台顺航向左侧、顺航向右侧及防火墙钛合金变色严重的部位进行检测取样，并且选取状态完好且与装机件完全一致的TA2-M-δ0.6 GJB2505A钛合金进行维氏硬度检测。试验设备采用徕卡维氏硬度计。试验方法为GB/T 4340.1-1999《金属维氏硬度试验 第一部分：试验方法》。根据烧伤部位钛合金硬度与状态完好的钛合金板材硬度之间的对比，判定此次受影响钛合金板材的力学性能的变化情况。

此外采用徕卡金相显微镜，按照GB/T 5168.1-1985《两相钛合金高低倍组织检测方法》对烧伤部位试样及状态完好的试样进行金相检测，判断烧伤钛合金的金相组织是否发生变化

3 检测结果与分析

3.1 表面颜色观察

通过对动力舱二段平台TA2钛合金板材的烧伤现场进行观察，可见左、右发排气口下方区域的平台板(传动平台第二段)上下表面颜色发黄发黑。为去除平台板表面的油污，采用清洗剂对平台板发黄发黑表面进行清洗，清洗后其表面发黑程度降低，但仍存在发黄发蓝现象。平台板疑似烧伤区域如俯视图所示(图2，不显示排气罩)。

图2 疑似烧伤区域

研究表明，钛合金在高温下通常会形成一层较薄、致密和稳定的氧化膜，它具有保护作用，可以阻止氧向内部扩散，防止进一步氧化。查阅相关手册，钛合金表面的氧化膜颜色与其具体的使用温度见表1[5]。由表1可知，如钛合金表面烧伤后出现发黄发蓝的现象，则其烧伤温度可能达到500℃，这与直升机设计中设定的发动机支撑点最高温度300℃不符，所以不能判断钛合金板的烧伤程度，需进行进一步检测分析。

表1 钛合金氧化膜颜色与温度的关系

3.2 硬度

硬度测试结果如表2所示。由测试结果可知，受热影响的动力舱二段平台顺航向左侧、顺航向右侧及防火墙钛合金的硬度值与正常钛合金的硬度基本相当，仅有轻微下降。其中正常TA2板材的维氏硬度在180左右，而受热影响部位的TA2板材的维氏硬度均在170～180之间。

表2 钛合金维氏硬度测试结果

3.3 金相检测

对受热影响的动力舱二段平台顺航向左侧、顺航向右侧及防火墙钛合金的金相组织进行检测，其金相组织均为单相的α的组织，未见异常组织的产生。

4 结论及建议

1) 根据对热影响钛合金的硬度测试及金相组织观察分析可见，受热影响区域的钛合金的硬度并未发生明显改变，且金相组织也未发生改变，因此，可以判断动力舱二段平台顺航向左侧、顺航向右侧及防火墙钛合金未过烧，材料状态未发生改变，可以继续使用。

2) 对于动力舱二段平台顺航向左侧、顺航向右侧及防火墙钛合金，建议选用强度更高、耐温性能更好的TC1/TC2低强度钛合金替代TA2。 TC系列钛合金薄板具有强度相对较高、高温性能保持率好等特点。TC1常温下的强度为590～735 MPa，400℃仍有310MPa以上。TC4常温下的强度为890～1100 MPa，400℃仍有590MPa以上。因此，建议后续型号改用推荐的钛合金板。