專利名稱：防止飛機氣缸筒斑點或毛細裂紋而過早損壞的方法
技術領域：
本發明涉及制造飛機發動機氣缸筒的改進方法，該方法能防止它們由于毛細裂紋或斑點而過早損壞，所述毛細裂紋或斑點一般認為是在黑色氧化物處理的過程中由苛性應力腐蝕開裂引起的。
背景技術：
應力腐蝕開裂是一種漸進式破裂，有些類似于疲勞破裂，是腐蝕和拉伸應力共同作用的結果。它在許多工業中是一個嚴重的問題，因為它能導致原本韌性的金屬發生脆性破裂。這些應力既可能是施加的(外部的)應力，也可能是剩余的(內部的)應力。裂縫可能出現在晶內，也可能出現在晶間，這取決于金屬和腐蝕劑。裂縫會在一段時間內逐漸擴大，當達到一個臨界尺寸時，應力集中就可能引起周圍部位金屬的突然脆裂。跟所有脆裂一樣，裂縫垂直于拉伸應力方向。但是，通常很少能看到或者根本看不到腐蝕的跡象。
在特定的環境中存在拉伸應力時，幾乎所有的金屬都有可能發生應力腐蝕開裂。例如，奧氏體不銹鋼(如200和300系列的奧氏體不銹鋼)在拉伸應力作用下，容易因氯化物和其他鹵化物的存在而發生應力腐蝕開裂。碳鋼和合金鋼在腐蝕性條件下容易發生應力腐蝕開裂。例如，在接觸氫氧化鈉溶液，硝酸鈣、硝酸銨和硝酸鈉溶液，混合酸如硫酸-硝酸，氫氰酸溶液，酸性硫化氫溶液，硫化氫濕氣，鹽水以及熔融鈉鉛合金時，就會發生這種通常稱作“苛性致脆”的現象。在接觸酸性氯化物溶液如氯化鎂和氯化鋇、氯化鈉-過氧化氫溶液、硫化氫、氫氧化鈉-硫化氫溶液和氯水的冷凝水蒸汽后，不銹鋼容易發生苛性應力腐蝕開裂(CSCC)。雖然大部分金屬和合金，包括碳鋼，在室溫下都能很好地適應苛性腐蝕性環境，但隨著合金含量、苛性濃度、溫度和應力水平的增加，發生腐蝕和CSCC的可能性增加。
雖然斑點或毛細裂紋公認為是發動機氣缸筒過早損壞的原因，但引起這些斑點或毛細裂紋的主要原因卻一直是研究者爭論的課題。研究者們檢查了失事飛機中發動機氣缸筒上的斑點或毛細裂紋，以及其他氣缸缺陷。例如，國家運輸安全委員會(NTSB)-材料實驗室發現，為1998年6月14日在Independence，OR緊急迫降的Skyhawk 172 Cessna飛機服務了188.1小時的氣缸筒因疲勞而產生開裂，裂紋從第四塊和第五塊散熱片根部之間開始，幾乎有一圈裂紋。他們觀察到了許多條疲勞裂紋，這些裂紋起始于原來存在的深度小于0.001英寸的毛細裂紋。沒有發現材料有其他異常。Textron Lycoming在同一個飛機發動機的剩余氣缸筒上也發現了斑點或毛細裂紋(深度小于0.001英寸)。見Epperson，NTSB-材料實驗室報告No.98-149和-149A，1998年9月；Kim，Textron Lycoming材料實驗室報告No.11271，1998年7月。
隨后的跟蹤研究表明，在制造過程中用苛性黑色氧化物溶液處理氣缸筒時，就很容易因CSCC而產生斑點或毛細裂紋。目前工業上常用的黑色氧化物處理浴是含80％氫氧化鈉(NaOH)、10％硝酸鈉(NaNO3)和10％亞硝酸鈉(NaNO2)的溶液。涂敷了黑色氧化物的發動機氣缸筒，在其表面上保油的能力得到提高，這轉而又提高了其耐磨損性或磨合性、靜態外觀顏色和抗微弱腐蝕性。
據觀察，用一套全新安裝的刀具加工并用黑色氧化物處理過的第一氣缸筒上都能看到深達0.00003英寸的斑點，這表明所觀察到的斑點或毛細裂紋的程度取決于由加工引起并存留于氣缸筒中的剩余應力的大小。即便將同一套刀具用來加工多個氣缸筒之后，在表面開始產生不規則性，在用黑色氧化物溶液處理之前，也沒有觀察到斑點或毛細裂紋。雖然在用同一套刀具加工的第90至第100個氣缸筒上只觀察到零星的斑點或毛細裂紋，但在第101個及其后面的經加工并用80/10/10黑色氧化物處理過的氣缸筒上，可以觀察到更為明顯的斑點或毛細裂紋。
斑點或毛細裂紋只在用黑色氧化物處理后出現的事實有力地表明，毛細裂紋現象與鋼的苛性致脆有關。CSCC的機理可能涉及氫與鋼之間的兩個基本反應。首先，在鋼的水相腐蝕反應中，氫吸附原子(Hads)在鋼表面上形成，反應如下(1)(2)反應式(2)產生的Hads可以兩兩結合成氫分子，產生氣泡，也可以吸附到鋼表面內部。吸附Hads擴散到鋼中具有高三軸拉伸應力的地方，使金屬變脆，最終導致鋼的過早損壞。雖然可以通過改善表面降低吸附速率，增加氫分子形成速率，但Hads到底是吸附還是形成分子取決于鋼表面的能量狀況。
在第二個可能的反應中，分子氫在鋼的水相腐蝕反應過程中可在鋼表面形成。純分子氫氣接下來可在鋼的清潔變形表面上解離成原子氫(H)，反應如下(3)2H++2e-＝H2(4)解離的原子氫遷移到鋼基體中具有高三軸拉伸應力的區域。
在用黑色氧化物處理的過程中，磁鐵礦(Fe3O4)通過下述反應在氣缸筒表面上形成。NaOH與水和鐵反應產生氫氧化鐵鈉和分子氫，反應是(5)所產生的分子氫可通過氣泡進入空氣，也可如上所述吸附到鋼表面中。氫氧化鐵鈉隨后氧化形成NaOH、水和鋼表面的磁鐵礦膜，反應如下(6)擴散到鋼表面中因而引起CSCC發生的原子氫。可以減少，如果有足夠量的反應物能與反應式(5)中產生的分子氫反應的話。比如說，倘若鋼表面上有足夠的亞硝酸鈉，就可以除去分子氫，反應如下(7)目前用來對氣缸筒進行黑色氧化物處理(80％NaOH、10％NaNO3、10％NaNO2)的條件中沒有包含足夠量的反應物，能從黑色氧化物浴中除去大量的分子氫或原子氫，主要是因為硝酸鈉不能除去金屬表面上的氫。因此，希望找到一種用氧化物處理飛機發動機氣缸筒的方法，它在黑色氧化物處理過程中能夠除去大量的分子和/或原子氫，從而減少CSCC的發生。此外，因為加工過程帶來的剩余應力似乎決定了斑點或毛細裂紋在一給定黑色氧化物浴中可進一步發展的程度，所以希望建立一套標準，用以確定在必須更換一套指定刀具之前，用該刀具可放心加工的氣缸筒的最大數量。本發明將討論這一問題。
發明目標因此，本發明的總目標是提供一種制造飛機發動機用氣缸筒的方法，它可防止氣缸筒由于苛性應力腐蝕開裂而過早爆裂和損壞。更具體地，本發明的目標是提供一種制造飛機發動機用氣缸筒的方法，其中經改進的黑色氧化物處理過程可極大地減少筒中的斑點，并完全消除毛細裂紋，從而防止筒過早爆裂和損壞。本發明的另一個目標是提供一種制造飛機發動機用氣缸筒的方法，它能最大程度地降低加工過程中產生的剩余應力對于由苛性應力腐蝕開裂引起的筒過早爆裂和損壞的影響。
發明概述改進了制造飛機發動機氣缸筒的方法，它能將苛性應力腐蝕開裂降低到最小。改進之處包括將加工過的氣缸筒浸在黑色氧化物化學浴中，所述化學浴包含約60％NaOH、約0％NaNO3和約40％NaNO2組成的溶液。在另一實施方式中，所述過程還包括用指定一套刀具加工不超過選定量的氣缸筒，該選定加工量是為了使筒經黑色氧化物處理后表面上幾乎不存在檢測得到的斑點和毛細裂紋。本發明還包括根據這些改進方法制造的飛機發動機氣缸筒，加工后的發動機氣缸筒表面經黑色氧化物處理后幾乎不存在斑點和毛細裂紋。
本發明優選實施方式有兩個因素對加工過的發動機氣缸筒經黑色氧化物處理后形成斑點或毛細裂紋有影響黑色氧化物浴混合物的化學組成和加工過程中產生的剩余應力。
在各種工業應用中，用來將保油黑色氧化物涂層涂敷到飛機發動機氣缸筒表面上的標準工業方法，采用了由NaOH、NaNO3和NaNO2按80/10/10的標準比例組成的浴溶液。所述80/10/10溶液的制備方法，是將5.5鎊預先混合好的干NaOH、NaNO3和NaNO2溶解在1加侖水中，干混合物中NaOH/NaNO3/NaNO2的重量比是80/10/10，得到的溶液在285-290沸騰。我們進行了下述系列的實驗，用以確定改變溶液組成對觀察到的斑點或毛細裂紋的量和程度的影響(如果有影響的話)。
冶金測試。為了進行冶金測試，用黑色氧化物化學浴處理經高階加工的氣缸筒試件，所述化學浴分別是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)組成的溶液。
這幾種溶液可用下述方法方便地制取。例如，將7.0鎊預先混合好的干NaOH、NaNO3和NaNO2溶解在1加侖水中，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沸騰；將7.5鎊預先混合好的干NaOH、NaNO3和NaNO2溶解在1加侖水中，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沸騰。
對于每種浴溶液，分析第101個氣缸筒的散熱片根部是否存在斑點和/或毛細裂紋及其位置。這項研究的結果示于
圖1-6。如圖1所示，用工業標準80/10/10溶液處理的試個上可以看到明顯的斑點，深度達0.00006英寸。如圖2和3所示，用60/20/20和80/20溶液處理過的試件上一般看不到斑點，但一些局部區域還是有一些深達0.00003英寸的小斑點。如圖4所示，用60/10/30溶液處理過的測試筒，只在更少的局部區域有深達0.00003英寸的斑點。如圖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點和毛細裂紋。用60％NaOH和40％NaNO2處理過的試件在散熱片根部基本上沒有斑點或毛細裂紋。如圖6所示，用60％NaOH和40％NaNO3處理過的測試樣品有許多深達0.00038英寸的毛細裂紋。
我們確定了能最有效地減少由苛性應力腐蝕開裂引起的可察覺斑點或毛細裂紋的黑色氧化物的化學組成后，就可以比較用不同的黑色氧化物溶液和用標準80/10/10黑色氧化物浴處理的氣缸筒的黑色氧化物涂層特征——保油性、耐磨性、抗腐蝕性、磨合性和顏色。為證實在黑色氧化物處理過程中形成了涂層，進行了X-射線衍射實驗，實驗結果又可用來證實前述機理。將氣缸筒面板浸泡在5種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)。
為進行這些測試，用1英寸×4英寸的SAE 4140矩形棒料或直徑為4.5英寸的圓形棒料制成了100塊1英寸×4英寸×0.065英寸測試板(另有說明除外)。測試板分成5個測試組，每組20塊板。對測試板兩面進行氮化并珩磨，用來進行保油、腐蝕和研磨分析；只對一個表面進行氮化和珩磨，用來進行顏色和X-射線衍射分析。用黑色氧化物處理之后，所有測試板均用MetalGuard 450防銹油處理。測試前，可接著在礦物油精中浸5-10分鐘，將油除去，然后用丙酮清洗。
磨耗測試。Ithaca材料研究測試實驗室(IMR，Lansing，NY)進行了泰伯磨耗實驗。在載荷為500g且帶CS-10輪的泰伯磨耗機上根據ASTM D-4060標準方法測定涂敷了黑色氧化物的樣品。經測定，對于這些有薄涂層的樣品，研磨25個循環是合適的，結果示于表1。雖然板上的一薄層油使得測試結果不穩定，我們還是可以得出結論，用60/40溶液獲得的黑色氧化物涂層在耐磨性方面稍遜于用標準80/10/10溶液獲得的涂層。用80/10/10溶液處理的測試組表現出最好的平均耐磨性(兩面平均0.0058g)。60/40混合物組的耐磨性(兩面平均0.0100g)比80/10/10組稍差。用80/20溶液處理的測試組表現出最差的耐磨性(兩面平均0.0150g)。
腐蝕測試。因為黑色氧化物涂層只能提供微弱的防腐蝕性，Hubbard-Hall，Inc.，Waterbury，CT在潮濕箱中根據ASTM D-2247進行了腐蝕測定，而不是在鹽水噴霧室中根據ASTM B-117進行。將涂有黑色氧化物的板浸在Aquaease PL72-A32中，用二氯甲烷清洗掉殘余的油，然后放到潮濕箱中。測試結果用開始生銹之前樣品放置在潮濕箱中的時間表示，總結于表2。雖然總體測試結果并未表明各組樣品在防銹方面存在多少差別，但用60/40黑色氧化物溶液處理的那組表現出最好的防銹能力，在潮濕箱中平均放置了174.8小時才開始生銹。
保油測試。沒有標準的測試方法或規范可用來分析保油性。因此，Ithaca材料研究測試實驗室(IMR，Lansing，NY)采用下面的方法。將樣品在異新烷中浸2分鐘，干燥后稱重。然后將它們又浸于Textron Lycoming機器潤滑油中30秒，排油30秒，置于不掉毛的布和4.5磅橡皮面輥之間，將輥子在樣品上滾動5次。再用一塊新布重復此過程，然后給樣品稱重。可以認為任何重量的增加都與殘留的油有關。所得結果示于表3。各樣品組在保油性方面沒有明顯差別，只是60/20/20、60/10/30和80/20溶液組測定的保油性稍微低一些。不過，60/40溶液組測定的平均增重(0.0366g)低于工業標準80/10/10溶液組測定的平均增重(0.0368g)。
顏色測試。經處理的樣品板的顏色測試在Hunter實驗室，Reston，VA進行，受Hubbard-Hall，Inc.，Waterbury，CT資助，測試依據的是ASTM D-2244標準方法，采用Ultra Scan XE分光光度計，該光度計可測量可見波長(380-750nm)范圍內的光度響應，然后記錄反射率。對顏色測量的是亮度(L)和色澤(a和b)。例如，當L＝0，a＝0且b＝0時，顏色是純黑色，沒有色澤。L從0(純黑色)變化到100(純白色)。光譜中的任何顏色都可用參數L、a和b表示“+a”表示紅色澤，“-a”表示綠色澤，“+b”表示黃色澤，“-b”表示藍色澤。
經過黑色氧化物處理后，樣品板的表面涂層上形成的主要化合物是黑色的磁鐵礦(Fe3O4)。同時還有一些紅棕色至黑色的Fe2O3。顏色上的輕微差別看來是由樣品板表面上Fe2O3量的變化引起的。
表4a和4b分別總結了凸面、氮化面和凹面、非氮化面的測試結果。氮化面和非氮化面之間的顏色有一些比較明顯的差別。非氮化面在顏色上顯示出更多的棕色，在色澤上更暗淡。與工業標準80/10/10溶液相比，用60/40溶液處理的樣品板黑度相同，但棕色更濃。
X-射線衍射測試。X-射線衍射測試是在Ohio，Cincinnati的Lambda研究所里進行的。將樣品板在甲苯中浸置至少10分鐘除去板上的涂層，然后趁樣品板上還有濕甲苯的時候用丙酮清洗。X-射線衍射圖在計算機控制的Bragg-Brentano聚焦幾何水平衍射儀上，用石墨單色化銅K-α輻射獲得。經Golay數字濾波平滑化之后，用一級和二級微分運算對衍射圖進行分析，確定角坐標和每個可測衍射峰的角位置以及絕對和相對強度。然后將得到的衍射圖與《粉末衍射文件》中表列的圖進行比較，所述《粉末衍射文件》由粉末衍射標準聯合委員會出版，可用MDI計算機檢索/匹配軟件鑒定晶相的存在與否。
對于凸面、氮化面和凹面、非氮化面，這種定量相分析的結果及有關每個表面上晶相鑒定的其他信息分別列于表5a和5b。在所有溶液中用黑色氧化物處理的過程中，在樣品板凸面、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。兩個面上部還存在Fe2O3菱形氧化物相，它很可能是在黑色氧化物處理過程中形成了副產物的結果。
測試結果表明，氣缸筒散熱片根部經過含60％NaOH和40％NaNO2的黑色氧化物浴液處理后，幾乎沒有出現斑點和毛細裂紋。此溶液保持了工業標準80/10/10溶液的保油性、顏色、耐磨損性和防腐蝕性。
發動機性能測試。進行發動機測試是為了確定新的黑色氧化物涂層(如果有的話)對發動機磨合特性的影響。用標準80/10/10和新60/40黑色氧化物浴處理的實際氣缸筒在實際發動機中進行測試。更具體地，將兩個組配的氣缸P/N 16A22130-YA在IO-360-A1B6D發動機上作運行試驗，S/N L-950-X在1號和4號氣缸位置上，其中每個氣缸都在60/40浴中用黑色氧化物進行了處理。為了比較，將兩個組配的標準氣缸P/N 16A22130安裝在2號和3號發動機位置上。
總的累積試驗時間是164小時。頭12個小時進行的是一特別的磨合試驗，研究用黑色氧化物處理過的氣缸筒的磨合特征。繼續進行152小時的試驗，以確定耐久性試驗時間。氣缸筒尺寸、氣缸筒平均表面粗糙度(進氣側和排氣側)、活塞銷尺寸以及活塞環隙和張力在運行6、12、79和164小時之后分別測定。
最終測試數據表明，在80/10/10和60/40黑色氧化物浴中涂敷黑色氧化物的氣缸在磨合特性上沒有顯著差異。氣缸筒磨損、活塞銷磨損、活塞環隙和氣缸筒粗糙度都沒有看到有顯著差異。
在經過黑色氧化物處理之前，氣缸筒上沒有可見的斑點或毛細裂紋。眾所周知，當把這樣的氣缸筒放進黑色氧化物浴中時，氣缸筒表面由于加工的剩余應力可經由苛性應力腐蝕開裂引斑點紋或毛細裂紋。通過增加浴中的NaNO2，即使沒有消除，也可以降低氫擴散到金屬中的機會，從而能夠防止斑點或毛細裂紋的形成。我們還發現，由加工過程產生的剩余應力越少，在黑色氧化物處理過程中出現斑點或毛細裂紋的可能性就越小。因此，氣缸筒上出現可見的斑點或毛細裂紋的程度看來至少還部分取決于氣缸筒上因由加工引起的剩余應力的多少。所以，對于一套給定的刀具，經黑色氧化物處理后不會出現斑點或毛細裂紋的氣缸筒的最大數目決定了這套刀具可加工的最多氣缸筒數目。
雖然本發明已經結合示例性實施方式進行了描述，但應當明白，在設計和應用上的許多變化對于本領域普通技術人員來說是顯而易見的，而本發明也意在覆蓋其任何變通或變化形式。因此，我們明確希望本發明僅受權利要求及其等價內容的限制。
權利要求
1.一種制造飛機發動機氣缸筒的改進方法，其特征在于，所述改進之處包括將加工過的氣缸筒浸在黑色氧化物化學浴中，所述化學浴是包含約60-80％NaOH、約0-20％NaNO3和約20-40％NaNO2的溶液。
2.權利要求1所述方法，其特征在于，所述溶液包含約60％NaOH、約0％NaNO3和約40％NaNO2。
3.權利要求1所述方法，其特征在于，所述溶液包含約60％NaOH、約20％NaNO3和約20％NaNO2。
4.權利要求1所述方法，其特征在于，所述溶液包含約80％NaOH和約20％NaNO2。
5.權利要求1所述方法，其特征在于，所述溶液包含約60％NaOH、約10％NaNO3和約30％NaNO2。
6.權利要求1所述方法，其特征在于，在一套給定刀具上加工不超過選定量的氣缸筒，選定加工量是為了使氣缸筒經黑色氧化物處理后表面上幾乎不存在檢測得到的斑點或毛細裂紋。
7.根據權利要求1所述方法制造的氣缸筒，其特征在于，加工過的氣缸筒表面基本上沒有斑點或毛細裂紋。
8.根據權利要求2所述方法制造的氣缸筒，其特征在于，加工過的氣缸筒表面基本上沒有斑點或毛細裂紋。
9.根據權利要求3所述方法制造的氣缸筒，其特征在于，加工過的氣缸筒表面基本上沒有斑點或毛細裂紋。
10.根據權利要求4所述方法制造的氣缸筒，其特征在于，加工過的氣缸筒表面基本上沒有斑點或毛細裂紋。
11.根據權利要求5所述方法制造的氣缸筒，其特征在于，加工過的氣缸筒表面基本上沒有斑點或毛細裂紋。
全文摘要
本發明涉及制造飛機發動機氣缸筒的改進方法，該方法能防止它們由于毛細裂紋或斑點而過早損壞，所述毛細裂紋或斑點一般認為是在用黑色氧化物處理的過程中由苛性應力腐蝕開裂引起的。加工過的飛機氣缸筒浸在由含約60％NaOH、約0％NaNO
文檔編號C23C22/05GK1526034SQ02813763
公開日2004年9月1日 申請日期2002年4月25日 優先權日2001年5月9日
發明者Y·金, Y 金 申請人:泰克斯特朗萊克敏公司