飞机起落架材料防护技术现状及研究进展

第8卷第2期

飞机起落架材料防护技术现状及研究进展

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刘鹏1，，蔡健平1，王旭东2，汤智慧1

（1.北京航空材料研究院，北京100095；2. 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083）

摘要：介绍了飞机起落架高强度钢的防护工艺及其防护特点。传统的防护工艺主要是镀铬和镀镉工艺，目前出现了无氰镀镉-钛、高速火焰喷涂（HVOF ）涂层、低氢脆刷镀镉等新型防护工艺。通过对各新型防护工艺与传统工艺的工艺性能及耐腐蚀性能进行对比发现，各新型防护工艺都能很好地取代传统的防护工艺应用于飞机起落架的保护。

关键词：飞机起落架；高强度钢；防护技术；耐蚀性；氢脆；失效机理中图分类号：V267

文献标识码：A

文章编号：1672－9242（2011）02－0067-05

Progress of Aircraft Landing Gear Material Protection Technology

2

LIU Peng 1，，CAI Jian-ping 1，WANG Xu-dong 2，TANG Zhi-hui 1

（1. Beijing Institute of Aeronautical Materials ，Beijing 100095，China ；2. University of Science &Technology Beijing ，Beijing 100083，China ）

Abstract ：The protection technology and protection characteristics of current aircraft landing gear ′s high-strength steel were introduced. Traditional protection technology is mainly chrome and cadmium plating process. There are some new protection technology, such as no-cyanide cadmium-titanium plating, high velocity oxygen flame （HVOF ）spraying coatings, and low-hydrogen embrittlement brush cadmium plating. By the contrast of the new protection technology and traditional technology's technological properties and corrosion resistance, it was found that the new protection technology can be used to replace the traditional protection technology.

Key words ：aircraft landing gear ；high-strength steel ；protection technology ；corrosion resistance ；Hydrogen embrittlement ；failure mechanism

飞机起落架是飞机的关键部件，在飞机中起承重、缓冲、滑跑滑行制动和操纵等作用。统计显示，70%以上的航空飞机事故，都是发生在飞机起飞与

收稿日期：2010-12-21

降落的时候。由4000多个零部件组成的飞机起落架，在技术含量和配置要求上都极为苛刻。目前国内外主要采用低合金超高强钢作为起落架用材料，

基金项目：国防科技工业技术基础环境试验与观测专业2009年计划项目

作者简介：刘鹏（1987—）男，湖南人，硕士研究生，主要研究方向为高强度钢防护工艺研究及其性能评价。

装备环境工程2011年04月

如300M 等。高强度钢在沿海和内陆湿热地区等腐蚀较严重环境下服役期间，结构的若干部位会发生严重腐蚀损伤，飞机起落架关键部位的腐蚀问题严重影响了飞机的可靠性、安全性和寿命，也严重影响了飞机的出勤率和战斗力,在沿海服役条件下经常出现不能满足环境适应性要求的情况。

于氰化物的毒性大，国内无氰镀镉工艺得到了很快发展和应用[2]。无氰镀镉的工艺流程如下：吹砂（除油—水洗—酸洗—水洗）—无氰镀镉—水洗—吹干—回火去氢—3%（质量分数）硝酸浸蚀—水洗—钝化（表调—中温磷化）—水洗—干燥。

1.2电镀硬铬工艺

电镀硬铬，即六价铬酸盐在阴极沉积形成硬度较高的耐磨耐蚀涂层。镀铬层带有微蓝的银白色金属，其标准电极电位为-0.74V。钢铁基体上的镀铬层在一般腐蚀介质中是阴极镀层，它对钢铁基体无电化学保护作用，只有当镀铬层致密无孔时，才能起到机械保护作用。由于金属铬的强烈钝化能力，使镀铬层表现了贵金属的一些特性，具有一定的耐腐蚀性能。铬镀层具有以下优点：1）硬度高，结晶颗粒细小致密，因此摩擦系数很低；2）光泽好，光亮美观；3）耐热性好，在450℃以下能长久保持其光泽；4）具有良好的化学稳定性。

1传统防护工艺介绍

1.1镀镉工艺

飞机起落架传统防护技术主要采用镀镉工艺。美国AE宇航推荐规范中除了某些耐磨性零件采用低氢脆性镀铬外，其余要求防腐蚀的外表面零件基本上都是采用了各种无氢脆或低氢脆的镀镉工艺[1]。美国的道格拉斯和康维尔公司对飞机起落架高强度钢部件采用低脆性松孔镀镉，早期的波音707和720飞机起落架也都采用此工艺[1]。在一般大气环境下，镀镉层属阴极性镀层，起不到电化学保护作用。在海洋和高温大气环境中，镀镉层属于阳极性镀层,对钢有良好的保护能力。镉镀层对钢的保护能力与厚度成正比，镀层越厚，保护能力越高。在对高强度钢的防护中一般性氰化镀镉不能满足要求，容易使钢基体产生“氢脆”断裂，因此在起落架高强度钢防护上主要使用低氢脆松孔镀镉。

镉镀层在起落架中应用主要有以下优点：1）在海洋和高温大气环境中具有很强的耐蚀性能，且使用低氢脆松孔镀镉在满足耐蚀性情况下具有一定的低氢脆性能;

2）镉镀层对钢的阳极保护特性表现在牺牲自己而保护钢，甚至在钢件表面的镉镀层被划伤裸露出钢基体时，钢件仍能受到镉镀层的保护；

3）镉镀层结晶致密、柔软、延展性好，镀液稳定易维护；

4）由于镉的电化学特性，它作为铜和钢零件的防护层可以有效地减缓钢、铜与铝、铝合金或镁合金的接触腐蚀。

镉镀层也存在一些缺点，主要是镉镀层在高强度钢的防护使用中容易产生“后脆”。为了防止在使用过程中出现“后脆”应在镀层表面涂漆。

镀镉层在我国生产的军品中得到广泛应用，由

2新型防护工艺介绍

2.1高速火焰喷涂（HVOF ）涂层

HVOF （High Velocity Oxygen Flame ）是在传统的火焰喷涂基础上发展起来的高速喷涂技术。它的基本原理如图1所示，利用可燃气如氢气、丙烷或乙炔等与氧气混合，在燃烧室点燃，剧烈膨胀的气体受水冷喷嘴的约束形成超音速高温火焰流，粉末沿燃烧室轴心由惰性气体（如氮气）送入，受到加热与加速而喷出，在基体表面形成覆盖层。

图13种HVOF 喷枪的工作原理

Fig. 1Work schematic diagram of three kind of HVOF spray

guns

相比等离子喷涂、喷焊、电弧喷涂、

火焰喷涂，

刘鹏等：飞机起落架材料防护技术现状及研究进展

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HVOF 喷涂能获得性能更优异的涂层。与等离子喷涂相比，HVOF 成本显著降低。超音速火焰喷涂适合喷涂金属粉、合金粉、混合粉以及碳化物粉，特别是对于金属合金及有粘结相的碳化物最具意义。超音速火焰喷涂较低的热源温度与极高的速度能够防止过高热源温度造成的材料过分氧化与蒸发，因此这种方法特别适用于在金属基体中制备含有碳化物的涂层。

与传统的镀铬层相比，HVOF 涂层具有较高的抗腐蚀性和耐磨性；涂层的结合强度很高，与基体的连接较好，平均结合强度超过70MPa [4—6]。由于不接触酸性溶液、不与电流接触,因此避免了氢脆对零件的影响。另外，由于镀铬工艺对环境造成严重的污染,受到越来越严格的限制,因此HVOF 喷涂是镀硬铬层的理想替代工艺。周克菘[7]把HVOF 和镀硬铬工艺进行了比较，从表1中可以看出HVOF 是理想的替代工艺。

表1HVOF 和镀硬铬的工艺比较

Table 1Comparison of HVOF and hard chrome technology

项目涂层厚度化学溶液控制废物处理问题工艺步骤沉积速率工件尺寸限制工作空间要求机动性现场修复能力设备费用

HVOF 均匀，可以很厚

不需要不需要3非常快无小好强低

电镀硬铬不均匀，有限制

严格必需6~8非常低有大差差高

Parker 等[10]的研究表明，HOVF 所制备的WC-17Co 涂层的耐盐雾腐蚀能力强于电镀硬铬。Nestle等[11]的航空飞机起落架盐雾腐蚀实验，结果表明HVOF所制备的WC-CoCr 涂层经750h 盐雾腐蚀后未发生腐蚀，其耐蚀性要优于电镀硬铬。

近年来，HVOF 喷涂工艺已经开始在飞机起落架的制造中应用，并在一些零件制造中代替镀硬铬工艺。目前波音飞机已有100多个部位使用了HVOF 涂层；波音767-400飞机以及美国军方的飞机，包括F216，C25，E22C，P23，C2130飞机以及F235联合战斗机上的起落架和其他一些部件都将考虑使用HVOF 涂层替代电镀硬铬[12]。

2.2无氰镀镉-钛防护工艺

电镀镉-钛是目前国内外对高强度钢防护所采用的比较理想的一种防护方法，1962年日本学者首先发明了电镀镉-钛工艺，接着美国的有关航空公司很快进行了评定并用于航空工业。据报导美国波音公司已将镀镉-钛合金电镀工艺用于波音707，727，737等飞机的起落架防护并编制成工艺标准BAC5084和航宇材料标准AMS2419；洛克希德公司也采用了此工艺并制订了STP58005标准。1970年，海军四八五厂、北京航空航天大学等共同研究成功了无氰镉-钛电镀液，并采用此工艺使我国飞机起落架首次可以达到与飞机同寿，无氰镀镉-钛工艺的研制成功为解决高强度结构材料的防护问题开辟了新途径[13]。

镉-钛镀层兼有低氢脆性和优良的耐腐蚀性的特点。国外的电镀镉-钛是一种专利工艺，在不含光亮剂的氰化镀镉的基础上添加一种不稳定的过钛酸盐——“钛膏”，使镀层成为钛为0.1%~0.7%（质量分数）的镉-钛合金[14]。我国研制的无氰镉-钛工艺是用盐酸溶解“钛膏”后加到中性铵盐镀镉溶液中,采用这种电镀液可以得到美观、结合力好、结晶细且含0.1%~0.7%钛的优质镉-钛合金镀层。无氰镉-钛镀液的分散能力、镀层抗蚀性和低氢脆性都优于氰化镀镉-钛工艺，镀液中的钛盐在较长时间内能保持稳定溶解状态，故可省去循环过滤和频繁分析操作，此工艺简单、维护方便。从1975年开始，该镀层已作为高强度结构钢、弹簧钢及优质工具钢的防护层广泛应用。

汤智慧等[15]对超高强度钢的氯化铵镀镉与无氰镀镉-钛2种防护镀层进行了对比研究，采用SEM 分

周克崧、邓春明等[8]以涂层在飞机起落架的应用作为研究背景，在300M 超高强钢基体上对替代电镀硬铬的2种高速火焰喷涂WC-17Co 和WC-10Co4Cr 涂层的疲劳和抗中性盐雾腐蚀性能进行了研究，研究表明2种涂层都提高了300M 钢的抗盐雾腐蚀性能，但有WC-10Co4Cr涂层的300M钢表现出更好的抗盐雾腐蚀性能。这是由于引入的Cr形成了Cr2O 3陶瓷钝化相，提高了粘结相的电化学腐蚀电位，延缓了腐蚀介质向基体扩散。Wasserman等[9]的研究证明等离子喷涂和HVOF 制备的WC-Co，WC-Co-Cr 和Cr 2O 3等涂层的耐盐雾腐蚀性能要明显优于电镀硬铬。

装备环境工程2011年04月

表2松孔镀镉工艺与无氰镀镉-钛工艺性能对比

Fig. 2Comparison of the performance of cadmium plating from ammonium chloride bath and Cd-Ti plating from non-cyanide bath 项目工艺操作槽液维护镀层外观氢脆性能环保性能耐腐蚀性能镀后烘烤处理时间

松孔镀镉

属于低氢脆电镀工艺，但采用较大电流密度、短时间电镀，其镀层覆盖能力和深镀能力差

不允许有杂质，维护较难

结晶粗糙较差

含剧毒的氰化物，严重污染环境

盐雾试验500~1500h 波音公司要求：（375±25）℉，24h

无氰镀镉-钛

基本工艺与松孔镀镉相同或相似，其镀层覆盖能

力和深镀能力强

对杂质的容忍能力比松孔镀镉强，槽液维护容易

结晶细致较好

不含氰化物，对环境影响小盐雾试验1500h 以上（375±25）℉，2h

析了镀层微观形貌，用中性盐雾、天然海水浸泡和周期浸润试验评价镀层耐腐蚀性能，通过持久拉伸氢脆试验评价2种工艺的氢脆倾向。研究结果表明，无氰镀镉-钛镀层耐腐蚀性能和低氢脆性能都优于氯化铵镀镉镀层。镉-钛合金优良的耐腐蚀性能是因为钛和镉具有同样的密排六方体的晶格结构，少量的钛可以弥补镉的晶体缺陷，从而提高耐腐蚀能力[14]。

行无氢镀镉，修复零件磨损表面，填补零件表面的划伤，制备和修复零件表面的防护层，修复难拆卸或拆卸时易损坏的零件以及拆卸费用较高的零件，进行现场设备的镀覆等。刷镀工艺在飞机起落架涂层的现场修复中具有很重要的应用，颜华等[16]研究了刷镀镉技术在飞机高强度钢结构件表面损伤修复中的应用，实验结果表明该工艺操作简单，质量稳定，盐雾试验时间大于750h，镀层结合力良好，其性能满足使用要求，适应于飞机零件现场维修。

2.3刷镀镉工艺

电刷镀技术属于特种电镀技术，是电镀技术的新发展。刷镀时需要采用专门的直流电源设备，电源的正极接镀笔，镀笔通常采用高纯、细的石墨作为刷镀时的阳极；电源的负极接表面处理好的被镀工件，作为刷镀时的阴极。刷镀前将石墨块外面包上棉花和耐磨的涤棉套以储存镀液，并防止与工件直接接触产生电弧，同时可延长镀笔的连续工作时间。刷镀时浸满镀液的镀笔以一定的相对运动速度在工件表面上移动，并保持适当的压力，在镀笔与工件接触的那些部位，镀液中的金属离子在电场力的作用下扩散到工件表面上。刷镀层的厚度由镀覆电流的大小、镀覆的时间及镀液的各项参数等因素确定。目前国内外都已经采用了低氢脆（LHE ）刷镀镉工艺来对形状复杂的零件进行补镀和现场的修复。该项技术操作设备简单，镀层质量好、具有较高的耐磨性和耐蚀性、适应性强，刷镀后不用进行除氢处理，对起落架进行现场维修方便，镀液均镀和深镀能力较好。

基于以上优点电刷镀技术在表面工程中获得了广泛的应用。电刷镀技术对飞机起落架的应用范围主要集中在修补槽镀产品的缺陷，对超高强度钢进

3结语

飞机起落架从发展趋势看要求越来越高，长寿命、高可靠性是基本要求。高强度结构钢的防护工艺是航空工业不可缺少的关键技术，对于保障飞机的安全性、可靠性和使用寿命有着重要的意义，因此其表面防护技术的发展受到了广泛的重视。

无氰镀镉-钛是目前高强度钢比较理想的防护技术，它不仅具有高耐蚀性、低氢脆性的特点，而且不含剧毒氰化物，镀液稳定易维护，工艺操作方便，在国内多种型号飞机起落架上得到了广泛的应用。低氢脆刷镀镉工艺对无氰镀镉工艺有很好的补充，在起落架的现场修复中起到了很重要的作用。

在绿色代铬代镉技术的发展中，HVOF 技术具有很好的应用前景，制备的涂层既可满足镀镉、铬层的耐磨性和硬度要求，又具有耐蚀性高、基体疲劳性能影响相对较小等优点，同时还可实现电镀层的厚镀修复零件尺寸功能。由于电镀合金和化学镀获得的镀层目前不能同时获得这些优点，因此HVOF 技术在代铬应用方面前景广阔，并已被国外航空业用于起落架的防护和维修。

刘鹏等：飞机起落架材料防护技术现状及研究进展

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（上接第50页）种材料间有许多空隙，2种材料结合得不紧密也导致了镜框拐角处极容易断裂，使本来就薄弱的镜框拐角处极容易受力断裂。

通过研究，笔者认为可以延长连接镜框和镜腿的金属使其连接到镜框上，使镜架与镜框在内部牢固结合，不仅可以增大整个镜框的强度，当镜腿镜架拐角处受力时也能有效地分散开从而减小应力集中，防止断裂。同时可以通过增加拐角处塑料的厚度和面积来提高强度，有效地减小镜架拐角处的承

图5镜腿塑料断口微观形貌

Fig. 5Morphology of fracture at plastic glasses leg

载能力。此外，防止镜架受力断裂的最简单的方法是尽量避免眼镜在低温环境下受冲击。

致谢：北京科技大学材料科学与工程学院邹士文博士帮助进行了扫描电镜的观测，特此感谢。参考文献：

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2003.

的棱边，是典型的脆性断裂。

3眼镜断裂的分析和解决措施

仔细分析眼镜的断口部分，用于连接镜框和镜腿的金属本身有一定的厚度，导致外边包裹的塑料所占的面积相对其它地方较小，而且拐角处所受的应力非常大，根据板材的制造工艺，金属应该是在塑料高温软化后插入，待其冷却后与塑料结合的。由于板材与金属的热膨胀系数不同，导致在冷却后2