专利名称：防止飞机气缸筒斑点或毛细裂纹而过早损坏的方法
技术领域：
本发明涉及制造飞机发动机气缸筒的改进方法，该方法能防止它们由于毛细裂纹或斑点而过早损坏，所述毛细裂纹或斑点一般认为是在黑色氧化物处理的过程中由苛性应力腐蚀开裂引起的。
背景技术：
应力腐蚀开裂是一种渐进式破裂，有些类似于疲劳破裂，是腐蚀和拉伸应力共同作用的结果。它在许多工业中是一个严重的问题，因为它能导致原本韧性的金属发生脆性破裂。这些应力既可能是施加的(外部的)应力，也可能是剩余的(内部的)应力。裂缝可能出现在晶内，也可能出现在晶间，这取决于金属和腐蚀剂。裂缝会在一段时间内逐渐扩大，当达到一个临界尺寸时，应力集中就可能引起周围部位金属的突然脆裂。跟所有脆裂一样，裂缝垂直于拉伸应力方向。但是，通常很少能看到或者根本看不到腐蚀的迹象。
在特定的环境中存在拉伸应力时，几乎所有的金属都有可能发生应力腐蚀开裂。例如，奥氏体不锈钢(如200和300系列的奥氏体不锈钢)在拉伸应力作用下，容易因氯化物和其他卤化物的存在而发生应力腐蚀开裂。碳钢和合金钢在腐蚀性条件下容易发生应力腐蚀开裂。例如，在接触氢氧化钠溶液，硝酸钙、硝酸铵和硝酸钠溶液，混合酸如硫酸-硝酸，氢氰酸溶液，酸性硫化氢溶液，硫化氢湿气，盐水以及熔融钠铅合金时，就会发生这种通常称作“苛性致脆”的现象。在接触酸性氯化物溶液如氯化镁和氯化钡、氯化钠-过氧化氢溶液、硫化氢、氢氧化钠-硫化氢溶液和氯水的冷凝水蒸汽后，不锈钢容易发生苛性应力腐蚀开裂(CSCC)。虽然大部分金属和合金，包括碳钢，在室温下都能很好地适应苛性腐蚀性环境，但随着合金含量、苛性浓度、温度和应力水平的增加，发生腐蚀和CSCC的可能性增加。
虽然斑点或毛细裂纹公认为是发动机气缸筒过早损坏的原因，但引起这些斑点或毛细裂纹的主要原因却一直是研究者争论的课题。研究者们检查了失事飞机中发动机气缸筒上的斑点或毛细裂纹，以及其他气缸缺陷。例如，国家运输安全委员会(NTSB)-材料实验室发现，为1998年6月14日在Independence，OR紧急迫降的Skyhawk 172 Cessna飞机服务了188.1小时的气缸筒因疲劳而产生开裂，裂纹从第四块和第五块散热片根部之间开始，几乎有一圈裂纹。他们观察到了许多条疲劳裂纹，这些裂纹起始于原来存在的深度小于0.001英寸的毛细裂纹。没有发现材料有其他异常。Textron Lycoming在同一个飞机发动机的剩余气缸筒上也发现了斑点或毛细裂纹(深度小于0.001英寸)。见Epperson，NTSB-材料实验室报告No.98-149和-149A，1998年9月；Kim，Textron Lycoming材料实验室报告No.11271，1998年7月。
随后的跟踪研究表明，在制造过程中用苛性黑色氧化物溶液处理气缸筒时，就很容易因CSCC而产生斑点或毛细裂纹。目前工业上常用的黑色氧化物处理浴是含80％氢氧化钠(NaOH)、10％硝酸钠(NaNO3)和10％亚硝酸钠(NaNO2)的溶液。涂敷了黑色氧化物的发动机气缸筒，在其表面上保油的能力得到提高，这转而又提高了其耐磨损性或磨合性、静态外观颜色和抗微弱腐蚀性。
据观察，用一套全新安装的刀具加工并用黑色氧化物处理过的第一气缸筒上都能看到深达0.00003英寸的斑点，这表明所观察到的斑点或毛细裂纹的程度取决于由加工引起并存留于气缸筒中的剩余应力的大小。即便将同一套刀具用来加工多个气缸筒之后，在表面开始产生不规则性，在用黑色氧化物溶液处理之前，也没有观察到斑点或毛细裂纹。虽然在用同一套刀具加工的第90至第100个气缸筒上只观察到零星的斑点或毛细裂纹，但在第101个及其后面的经加工并用80/10/10黑色氧化物处理过的气缸筒上，可以观察到更为明显的斑点或毛细裂纹。
斑点或毛细裂纹只在用黑色氧化物处理后出现的事实有力地表明，毛细裂纹现象与钢的苛性致脆有关。CSCC的机理可能涉及氢与钢之间的两个基本反应。首先，在钢的水相腐蚀反应中，氢吸附原子(Hads)在钢表面上形成，反应如下(1)(2)反应式(2)产生的Hads可以两两结合成氢分子，产生气泡，也可以吸附到钢表面内部。吸附Hads扩散到钢中具有高三轴拉伸应力的地方，使金属变脆，最终导致钢的过早损坏。虽然可以通过改善表面降低吸附速率，增加氢分子形成速率，但Hads到底是吸附还是形成分子取决于钢表面的能量状况。
在第二个可能的反应中，分子氢在钢的水相腐蚀反应过程中可在钢表面形成。纯分子氢气接下来可在钢的清洁变形表面上解离成原子氢(H)，反应如下(3)2H++2e-＝H2(4)解离的原子氢迁移到钢基体中具有高三轴拉伸应力的区域。
在用黑色氧化物处理的过程中，磁铁矿(Fe3O4)通过下述反应在气缸筒表面上形成。NaOH与水和铁反应产生氢氧化铁钠和分子氢，反应是(5)所产生的分子氢可通过气泡进入空气，也可如上所述吸附到钢表面中。氢氧化铁钠随后氧化形成NaOH、水和钢表面的磁铁矿膜，反应如下(6)扩散到钢表面中因而引起CSCC发生的原子氢。可以减少，如果有足够量的反应物能与反应式(5)中产生的分子氢反应的话。比如说，倘若钢表面上有足够的亚硝酸钠，就可以除去分子氢，反应如下(7)目前用来对气缸筒进行黑色氧化物处理(80％NaOH、10％NaNO3、10％NaNO2)的条件中没有包含足够量的反应物，能从黑色氧化物浴中除去大量的分子氢或原子氢，主要是因为硝酸钠不能除去金属表面上的氢。因此，希望找到一种用氧化物处理飞机发动机气缸筒的方法，它在黑色氧化物处理过程中能够除去大量的分子和/或原子氢，从而减少CSCC的发生。此外，因为加工过程带来的剩余应力似乎决定了斑点或毛细裂纹在一给定黑色氧化物浴中可进一步发展的程度，所以希望建立一套标准，用以确定在必须更换一套指定刀具之前，用该刀具可放心加工的气缸筒的最大数量。本发明将讨论这一问题。
发明目标因此，本发明的总目标是提供一种制造飞机发动机用气缸筒的方法，它可防止气缸筒由于苛性应力腐蚀开裂而过早爆裂和损坏。更具体地，本发明的目标是提供一种制造飞机发动机用气缸筒的方法，其中经改进的黑色氧化物处理过程可极大地减少筒中的斑点，并完全消除毛细裂纹，从而防止筒过早爆裂和损坏。本发明的另一个目标是提供一种制造飞机发动机用气缸筒的方法，它能最大程度地降低加工过程中产生的剩余应力对于由苛性应力腐蚀开裂引起的筒过早爆裂和损坏的影响。
发明概述改进了制造飞机发动机气缸筒的方法，它能将苛性应力腐蚀开裂降低到最小。改进之处包括将加工过的气缸筒浸在黑色氧化物化学浴中，所述化学浴包含约60％NaOH、约0％NaNO3和约40％NaNO2组成的溶液。在另一实施方式中，所述过程还包括用指定一套刀具加工不超过选定量的气缸筒，该选定加工量是为了使筒经黑色氧化物处理后表面上几乎不存在检测得到的斑点和毛细裂纹。本发明还包括根据这些改进方法制造的飞机发动机气缸筒，加工后的发动机气缸筒表面经黑色氧化物处理后几乎不存在斑点和毛细裂纹。
本发明优选实施方式有两个因素对加工过的发动机气缸筒经黑色氧化物处理后形成斑点或毛细裂纹有影响黑色氧化物浴混合物的化学组成和加工过程中产生的剩余应力。
在各种工业应用中，用来将保油黑色氧化物涂层涂敷到飞机发动机气缸筒表面上的标准工业方法，采用了由NaOH、NaNO3和NaNO2按80/10/10的标准比例组成的浴溶液。所述80/10/10溶液的制备方法，是将5.5镑预先混合好的干NaOH、NaNO3和NaNO2溶解在1加仑水中，干混合物中NaOH/NaNO3/NaNO2的重量比是80/10/10，得到的溶液在285-290沸腾。我们进行了下述系列的实验，用以确定改变溶液组成对观察到的斑点或毛细裂纹的量和程度的影响(如果有影响的话)。
冶金测试。为了进行冶金测试，用黑色氧化物化学浴处理经高阶加工的气缸筒试件，所述化学浴分别是80％NaOH/10％NaNO3/10％NaNO2(80/10/10)；60％NaOH/20％NaNO3/20％NaNO2(60/20/20)；80％NaOH/20％NaNO2(80/0/20或80/20)；60％NaOH/10％NaNO3/30％NaNO2(60/10/30)；60％NaOH/40％NaNO3(60/40/0)；60％NaOH/40％NaNO2(80/0/40或60/40)组成的溶液。
这几种溶液可用下述方法方便地制取。例如，将7.0镑预先混合好的干NaOH、NaNO3和NaNO2溶解在1加仑水中，干混合物中NaOH/NaNO3/NaNO2的重量比是60/20/20，就能制得60/20/20溶液，所得溶液在285-290沸腾；将7.5镑预先混合好的干NaOH、NaNO3和NaNO2溶解在1加仑水中，干混合物中NaOH/NaNO2或NaOH/NaNO3的重量比是60/40，就能制得60/40溶液，所得溶液在285-290沸腾。
对于每种浴溶液，分析第101个气缸筒的散热片根部是否存在斑点和/或毛细裂纹及其位置。这项研究的结果示于
图1-6。如图1所示，用工业标准80/10/10溶液处理的试个上可以看到明显的斑点，深度达0.00006英寸。如图2和3所示，用60/20/20和80/20溶液处理过的试件上一般看不到斑点，但一些局部区域还是有一些深达0.00003英寸的小斑点。如图4所示，用60/10/30溶液处理过的测试筒，只在更少的局部区域有深达0.00003英寸的斑点。如图5所示，含有60％NaOH/40％NaNO2的黑色氧化物浴液能最有效地防止斑点和毛细裂纹。用60％NaOH和40％NaNO2处理过的试件在散热片根部基本上没有斑点或毛细裂纹。如图6所示，用60％NaOH和40％NaNO3处理过的测试样品有许多深达0.00038英寸的毛细裂纹。
我们确定了能最有效地减少由苛性应力腐蚀开裂引起的可察觉斑点或毛细裂纹的黑色氧化物的化学组成后，就可以比较用不同的黑色氧化物溶液和用标准80/10/10黑色氧化物浴处理的气缸筒的黑色氧化物涂层特征——保油性、耐磨性、抗腐蚀性、磨合性和颜色。为证实在黑色氧化物处理过程中形成了涂层，进行了X-射线衍射实验，实验结果又可用来证实前述机理。将气缸筒面板浸泡在5种不同的黑色氧化物溶液中，即80％NaOH/10％NaNO3/10％NaNO2(80/10/10)；60％NaOH/20％NaNO3/20％NaNO2(60/20/20)；80％NaOH/20％NaNO2(80/0/20或80/20)；60％NaOH/10％NaNO3/30％NaNO2(60/10/30)；60％NaOH/40％NaNO2(80/0/40)。
为进行这些测试，用1英寸×4英寸的SAE 4140矩形棒料或直径为4.5英寸的圆形棒料制成了100块1英寸×4英寸×0.065英寸测试板(另有说明除外)。测试板分成5个测试组，每组20块板。对测试板两面进行氮化并珩磨，用来进行保油、腐蚀和研磨分析；只对一个表面进行氮化和珩磨，用来进行颜色和X-射线衍射分析。用黑色氧化物处理之后，所有测试板均用MetalGuard 450防锈油处理。测试前，可接着在矿物油精中浸5-10分钟，将油除去，然后用丙酮清洗。
磨耗测试。Ithaca材料研究测试实验室(IMR，Lansing，NY)进行了泰伯磨耗实验。在载荷为500g且带CS-10轮的泰伯磨耗机上根据ASTM D-4060标准方法测定涂敷了黑色氧化物的样品。经测定，对于这些有薄涂层的样品，研磨25个循环是合适的，结果示于表1。虽然板上的一薄层油使得测试结果不稳定，我们还是可以得出结论，用60/40溶液获得的黑色氧化物涂层在耐磨性方面稍逊于用标准80/10/10溶液获得的涂层。用80/10/10溶液处理的测试组表现出最好的平均耐磨性(两面平均0.0058g)。60/40混合物组的耐磨性(两面平均0.0100g)比80/10/10组稍差。用80/20溶液处理的测试组表现出最差的耐磨性(两面平均0.0150g)。
腐蚀测试。因为黑色氧化物涂层只能提供微弱的防腐蚀性，Hubbard-Hall，Inc.，Waterbury，CT在潮湿箱中根据ASTM D-2247进行了腐蚀测定，而不是在盐水喷雾室中根据ASTM B-117进行。将涂有黑色氧化物的板浸在Aquaease PL72-A32中，用二氯甲烷清洗掉残余的油，然后放到潮湿箱中。测试结果用开始生锈之前样品放置在潮湿箱中的时间表示，总结于表2。虽然总体测试结果并未表明各组样品在防锈方面存在多少差别，但用60/40黑色氧化物溶液处理的那组表现出最好的防锈能力，在潮湿箱中平均放置了174.8小时才开始生锈。
保油测试。没有标准的测试方法或规范可用来分析保油性。因此，Ithaca材料研究测试实验室(IMR，Lansing，NY)采用下面的方法。将样品在异新烷中浸2分钟，干燥后称重。然后将它们又浸于Textron Lycoming机器润滑油中30秒，排油30秒，置于不掉毛的布和4.5磅橡皮面辊之间，将辊子在样品上滚动5次。再用一块新布重复此过程，然后给样品称重。可以认为任何重量的增加都与残留的油有关。所得结果示于表3。各样品组在保油性方面没有明显差别，只是60/20/20、60/10/30和80/20溶液组测定的保油性稍微低一些。不过，60/40溶液组测定的平均增重(0.0366g)低于工业标准80/10/10溶液组测定的平均增重(0.0368g)。
颜色测试。经处理的样品板的颜色测试在Hunter实验室，Reston，VA进行，受Hubbard-Hall，Inc.，Waterbury，CT资助，测试依据的是ASTM D-2244标准方法，采用Ultra Scan XE分光光度计，该光度计可测量可见波长(380-750nm)范围内的光度响应，然后记录反射率。对颜色测量的是亮度(L)和色泽(a和b)。例如，当L＝0，a＝0且b＝0时，颜色是纯黑色，没有色泽。L从0(纯黑色)变化到100(纯白色)。光谱中的任何颜色都可用参数L、a和b表示“+a”表示红色泽，“-a”表示绿色泽，“+b”表示黄色泽，“-b”表示蓝色泽。
经过黑色氧化物处理后，样品板的表面涂层上形成的主要化合物是黑色的磁铁矿(Fe3O4)。同时还有一些红棕色至黑色的Fe2O3。颜色上的轻微差别看来是由样品板表面上Fe2O3量的变化引起的。
表4a和4b分别总结了凸面、氮化面和凹面、非氮化面的测试结果。氮化面和非氮化面之间的颜色有一些比较明显的差别。非氮化面在颜色上显示出更多的棕色，在色泽上更暗淡。与工业标准80/10/10溶液相比，用60/40溶液处理的样品板黑度相同，但棕色更浓。
X-射线衍射测试。X-射线衍射测试是在Ohio，Cincinnati的Lambda研究所里进行的。将样品板在甲苯中浸置至少10分钟除去板上的涂层，然后趁样品板上还有湿甲苯的时候用丙酮清洗。X-射线衍射图在计算机控制的Bragg-Brentano聚焦几何水平衍射仪上，用石墨单色化铜K-α辐射获得。经Golay数字滤波平滑化之后，用一级和二级微分运算对衍射图进行分析，确定角坐标和每个可测衍射峰的角位置以及绝对和相对强度。然后将得到的衍射图与《粉末衍射文件》中表列的图进行比较，所述《粉末衍射文件》由粉末衍射标准联合委员会出版，可用MDI计算机检索/匹配软件鉴定晶相的存在与否。
对于凸面、氮化面和凹面、非氮化面，这种定量相分析的结果及有关每个表面上晶相鉴定的其他信息分别列于表5a和5b。在所有溶液中用黑色氧化物处理的过程中，在样品板凸面、氮化面和凹面、非氮化面上形成的主要相是Fe3O4或FeCr2O4尖晶石相。两个面上部还存在Fe2O3菱形氧化物相，它很可能是在黑色氧化物处理过程中形成了副产物的结果。
测试结果表明，气缸筒散热片根部经过含60％NaOH和40％NaNO2的黑色氧化物浴液处理后，几乎没有出现斑点和毛细裂纹。此溶液保持了工业标准80/10/10溶液的保油性、颜色、耐磨损性和防腐蚀性。
发动机性能测试。进行发动机测试是为了确定新的黑色氧化物涂层(如果有的话)对发动机磨合特性的影响。用标准80/10/10和新60/40黑色氧化物浴处理的实际气缸筒在实际发动机中进行测试。更具体地，将两个组配的气缸P/N 16A22130-YA在IO-360-A1B6D发动机上作运行试验，S/N L-950-X在1号和4号气缸位置上，其中每个气缸都在60/40浴中用黑色氧化物进行了处理。为了比较，将两个组配的标准气缸P/N 16A22130安装在2号和3号发动机位置上。
总的累积试验时间是164小时。头12个小时进行的是一特别的磨合试验，研究用黑色氧化物处理过的气缸筒的磨合特征。继续进行152小时的试验，以确定耐久性试验时间。气缸筒尺寸、气缸筒平均表面粗糙度(进气侧和排气侧)、活塞销尺寸以及活塞环隙和张力在运行6、12、79和164小时之后分别测定。
最终测试数据表明，在80/10/10和60/40黑色氧化物浴中涂敷黑色氧化物的气缸在磨合特性上没有显著差异。气缸筒磨损、活塞销磨损、活塞环隙和气缸筒粗糙度都没有看到有显著差异。
在经过黑色氧化物处理之前，气缸筒上没有可见的斑点或毛细裂纹。众所周知，当把这样的气缸筒放进黑色氧化物浴中时，气缸筒表面由于加工的剩余应力可经由苛性应力腐蚀开裂引斑点纹或毛细裂纹。通过增加浴中的NaNO2，即使没有消除，也可以降低氢扩散到金属中的机会，从而能够防止斑点或毛细裂纹的形成。我们还发现，由加工过程产生的剩余应力越少，在黑色氧化物处理过程中出现斑点或毛细裂纹的可能性就越小。因此，气缸筒上出现可见的斑点或毛细裂纹的程度看来至少还部分取决于气缸筒上因由加工引起的剩余应力的多少。所以，对于一套给定的刀具，经黑色氧化物处理后不会出现斑点或毛细裂纹的气缸筒的最大数目决定了这套刀具可加工的最多气缸筒数目。
虽然本发明已经结合示例性实施方式进行了描述，但应当明白，在设计和应用上的许多变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，而本发明也意在覆盖其任何变通或变化形式。因此，我们明确希望本发明仅受权利要求及其等价内容的限制。
权利要求
1.一种制造飞机发动机气缸筒的改进方法，其特征在于，所述改进之处包括将加工过的气缸筒浸在黑色氧化物化学浴中，所述化学浴是包含约60-80％NaOH、约0-20％NaNO3和约20-40％NaNO2的溶液。
2.权利要求1所述方法，其特征在于，所述溶液包含约60％NaOH、约0％NaNO3和约40％NaNO2。
3.权利要求1所述方法，其特征在于，所述溶液包含约60％NaOH、约20％NaNO3和约20％NaNO2。
4.权利要求1所述方法，其特征在于，所述溶液包含约80％NaOH和约20％NaNO2。
5.权利要求1所述方法，其特征在于，所述溶液包含约60％NaOH、约10％NaNO3和约30％NaNO2。
6.权利要求1所述方法，其特征在于，在一套给定刀具上加工不超过选定量的气缸筒，选定加工量是为了使气缸筒经黑色氧化物处理后表面上几乎不存在检测得到的斑点或毛细裂纹。
7.根据权利要求1所述方法制造的气缸筒，其特征在于，加工过的气缸筒表面基本上没有斑点或毛细裂纹。
8.根据权利要求2所述方法制造的气缸筒，其特征在于，加工过的气缸筒表面基本上没有斑点或毛细裂纹。
9.根据权利要求3所述方法制造的气缸筒，其特征在于，加工过的气缸筒表面基本上没有斑点或毛细裂纹。
10.根据权利要求4所述方法制造的气缸筒，其特征在于，加工过的气缸筒表面基本上没有斑点或毛细裂纹。
11.根据权利要求5所述方法制造的气缸筒，其特征在于，加工过的气缸筒表面基本上没有斑点或毛细裂纹。
全文摘要
本发明涉及制造飞机发动机气缸筒的改进方法，该方法能防止它们由于毛细裂纹或斑点而过早损坏，所述毛细裂纹或斑点一般认为是在用黑色氧化物处理的过程中由苛性应力腐蚀开裂引起的。加工过的飞机气缸筒浸在由含约60％NaOH、约0％NaNO
文档编号C23C22/05GK1526034SQ02813763
公开日2004年9月1日 申请日期2002年4月25日 优先权日2001年5月9日
发明者Y·金, Y 金 申请人:泰克斯特朗莱克敏公司