焦翠翠，王運(yùn)平，楊 希，焦冠蓉

(中國航空西安航空動(dòng)力控制科技有限公司，西安 710077)

J-27H環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠高溫失效分析

焦翠翠，王運(yùn)平，楊 希，焦冠蓉

(中國航空西安航空動(dòng)力控制科技有限公司，西安 710077)

發(fā)動(dòng)機(jī)在使用一個(gè)翻修期并經(jīng)返廠修理繼續(xù)使用167 h后發(fā)生漏油故障。將附件分解后，發(fā)現(xiàn)石墨環(huán)脫膠，與金屬殼體分離，膠粘劑及葉輪軸表面變色。對(duì)失效的石墨環(huán)組件及配套葉輪軸進(jìn)行了外觀檢查，對(duì)石墨密封圈各端面形貌進(jìn)行了金相組織分析，并對(duì)J-27H結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行了剪切強(qiáng)度測(cè)試及高溫老化試驗(yàn)。結(jié)果表明：石墨環(huán)脫落原因?yàn)槟Σ辽鸁嵋餔-27H環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠高溫失效導(dǎo)致，與石墨密封環(huán)及膠粘劑自身性能無關(guān)。

石墨密封件；環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠；高溫；失效

0 引言

隨著膠粘劑生產(chǎn)工藝及膠接技術(shù)的發(fā)展，膠粘劑的種類日益增加，膠接比機(jī)械連接更廣泛地應(yīng)用于不同種材料的連接設(shè)計(jì)中[1]。在航空組合件產(chǎn)品的制造過程中，通過采用結(jié)構(gòu)膠對(duì)單件進(jìn)行粘接，確保零件結(jié)構(gòu)的完整和密封性能，對(duì)粘接劑材料自身的服役溫度環(huán)境和服役壽命提出了較高的要求[2-3]。

發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)使用過程中發(fā)生漏油故障，分解檢查發(fā)現(xiàn)密封組合件石墨環(huán)脫膠并與外密封殼體分離。該密封組合件由石墨密封圈和鐵鎳合金外密封殼體組成，并采用J-27H高溫環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘接組合，保證零件整體密封效果。該組合件在加工完成后為確保其密封效果，在密封圈端面上加載28.44～34.32 N的載荷，在343.23 kPa的煤油中進(jìn)行密封性試驗(yàn)，要求通過石墨面的漏油量不超過0.5 mL/min且膠接面無滲漏，表明零件膠接工藝過程合格，膠接面密封良好。對(duì)失效密封組合件及配套殼體進(jìn)行宏微觀檢查、性能試驗(yàn)，結(jié)合其工作原理，確定J-27H膠粘劑高溫失效的性質(zhì)，分析其失效產(chǎn)生的原因，并給出J-27H膠粘劑的使用溫度范圍，以便為設(shè)計(jì)制造中膠粘劑選用提供依據(jù)。

1 外觀檢驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1石墨密封組件外觀檢查

石墨密封環(huán)與金屬基體目視檢查表面完整、無磕碰傷、無異物附著，兩組件合攏時(shí)配合較緊密，無明顯間隙(圖1a)。用體視顯微鏡對(duì)密封組件外觀進(jìn)行檢查，石墨環(huán)內(nèi)表面有清晰明顯的車削加工痕跡，無磨損、掉塊(圖1b)，上表面有摩擦發(fā)亮現(xiàn)象(圖1c)，外表面有周向磨痕(圖1d)；金屬基體上外緣有少量膠液擠出，膠層呈黑褐色，呈現(xiàn)老化跡象(圖1a)；粘接面有石墨粉末存在，膠層完整(圖1e)。

在自然光下檢查故障泵密封環(huán)內(nèi)外圈殘留膠粘劑，內(nèi)圈殘留膠粘劑一半呈深的黃褐色，另一半過渡到半透明略泛綠色；外圈殘留膠粘劑一半呈黑褐色，另一半過渡到黃褐色。

圖1 故障件宏觀形貌Fig.1 Macro appearance of the failed part

1.2葉輪組件外觀檢查

葉輪軸密封端面外圈有大量徑向微裂紋，呈周向散射狀分布，且端面外側(cè)面有嚴(yán)重的熱氧化變色痕跡(呈藍(lán)黑色)，結(jié)合材料特性及熱氧化顏色變化特征判斷在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中葉輪軸表面溫度極限溫度已達(dá)500 ℃，見圖2；葉輪軸平面與石墨密封組件相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與微裂紋走向垂直，裂紋走向與運(yùn)動(dòng)方向垂直的特征，且該裂紋僅僅分布在該石墨配合的區(qū)域，表明微裂紋為石墨密封環(huán)組件和葉輪軸平面持續(xù)摩擦所形成的摩擦熱造成，與磨削裂紋的性質(zhì)相同。裂紋處無明顯的摩擦痕跡和熱變色痕跡，而且表面光亮，表明該表面已經(jīng)過修磨。

2 J-27H膠粘劑性能分析

2.1 J-27H膠粘劑剪切強(qiáng)度試驗(yàn)

用于粘接石墨密封圈與鐵鎳合金外密封殼體的膠粘劑為J-27H環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，該膠粘劑用于發(fā)動(dòng)機(jī)中石墨制品、石棉制品、陶瓷制品與金屬的膠接。工作溫度為-60～232 ℃，工作介質(zhì)為3號(hào)噴氣燃料及4050合成潤滑油，耐壓2.5 MPa。

圖2 端面裂紋形貌圖Fig.2 Crack of the end face

為排除膠粘劑材料自身性能因素，對(duì)同批次的膠粘接進(jìn)行了剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)方法如下：采用鋁合金材料試驗(yàn)，膠接表面用丙酮除油，用80目的砂紙或砂棒打磨，打磨的表面均勻平整，不允許有發(fā)亮的部位，用刷子將膠接表面的浮砂擦掉，將膠接面浸于配比為m(CP級(jí)重鉻酸鉀)：m(CP級(jí)硫酸)：m(自來水)=1：10：30的處理液中于(60±5) ℃下處理10 min，然后用自來水清洗干凈，在(80±5) ℃下干燥備用。在處理后的試片膠接表面上，用除油后的玻璃棒薄薄地涂上一層膠粘劑，晾置5～10 min，然后粘接，放在夾具上定位，施加接觸壓力0.3 MPa，并在保證此接觸壓力下將組合夾具隨爐升溫至(180±5) ℃保溫2 h，然后隨爐冷卻至室溫取出，在電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)[4-6]，試樣數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 J-27H膠粘劑剪切強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)值Table 1 Shear strength of J-27H adhesive

圖3、圖4分別給出了J-27H環(huán)氧膠粘劑在不同試驗(yàn)溫度條件下進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，膠粘劑粘接性能的變化曲線。試樣剪切力變化平緩，隨著拉伸位移的增大，剪切力逐漸增大，剪切力的增長分布均勻，各試樣的剪切力曲線變化規(guī)律相近，最終剪切強(qiáng)度平均值分別為21.5 MPa和17.3 MPa，符合J-27H膠粘劑常溫下剪切強(qiáng)度≥17.5 MPa，200 ℃高溫剪切強(qiáng)度≥13.8 MPa的技術(shù)指標(biāo)要求。

2.2 J-27H膠粘劑耐高溫老化試驗(yàn)

為測(cè)試溫度環(huán)境對(duì)J-27H環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘接性能的影響，對(duì)固化后的J-27H環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行耐高溫老化試驗(yàn)。將固化完成的J-27H膠接試樣分別在室溫、200 ℃、232 ℃及260 ℃環(huán)境下放置一定時(shí)間后并在同等溫度條件下進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，觀察并記錄J-27H膠接面的顏色變化及剪切強(qiáng)度，試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果見表2。

圖4 J-27H高溫200 ℃剪切試驗(yàn)曲線圖Fig.4 Shear strength curves of J-27H at 200 ℃

由表2可以看出，隨著溫度的升高，J-27H膠粘劑的剪切強(qiáng)度發(fā)生很明顯的下降(常溫剪切強(qiáng)度為≥17.5 MPa，200 ℃時(shí)剪切強(qiáng)度為≥13.8 MPa，232 ℃時(shí)剪切強(qiáng)度為≥7.0 MPa)。當(dāng)試驗(yàn)溫度從232 ℃升高至260 ℃時(shí)剪切強(qiáng)度急劇下降至1.3 MPa，表明當(dāng)環(huán)境溫度高于J-27H環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠Tg溫度(235 ℃)時(shí)，膠層分子鏈段運(yùn)動(dòng)被激發(fā)，內(nèi)聚強(qiáng)度迅速降低，導(dǎo)致材料粘接強(qiáng)度無法滿足實(shí)際工況需求[7-8]。

對(duì)試驗(yàn)后試片膠接形貌進(jìn)行了觀察，由圖5可以看出，膠接界面潤濕性好，在粘接過程中膠液均勻深入粗糙膜孔洞中，內(nèi)聚力及表面吸附力較強(qiáng)，從破壞形貌分析屬于內(nèi)聚破壞與粘接破環(huán)相結(jié)合的混合破壞[9]。其中，正常固化后的J-27H環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠為半透明略泛綠色，232 ℃環(huán)境加速老化經(jīng)過20 min后，J-27H環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠顏色顯示為黃褐色，260 ℃環(huán)境經(jīng)過20 min后，J-27H環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠顏色顯示為黑褐色。J-27H膠粘劑的表面顏色逐漸加深，由淺綠色向深黃色、黃褐色、黑褐色過渡，這主要是因?yàn)镴-27H含有淺黃色環(huán)氧樹脂、淺黃色固化劑、白色觸變劑及淺綠色金剛砂4種組分，各組分質(zhì)量比為40：16：1.6：0.2。常溫下，以淺綠色金剛砂顏色為主體，膠接面呈現(xiàn)淺綠色，隨著溫度的升高，占較大質(zhì)量比例的環(huán)氧樹脂分子鏈段受熱逐漸分解，逐漸產(chǎn)生老化，成為主體顏色，宏觀表現(xiàn)為膠接面顏色逐漸加深。

表2 J-27H膠粘劑耐高溫老化試驗(yàn)Table 2 High-temperature aging test of J-27H adhesive

圖5 J-27H膠粘劑顏色Fig.5 Color of J-27H adhesive

抽取其他等時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后的石墨密封圈組件進(jìn)行檢查，J-27H環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠顏色均顯示為半透明略泛綠色，符合J-27H環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠常溫顏色，膠接層未產(chǎn)生高溫老化。而故障泵密封環(huán)內(nèi)圈發(fā)現(xiàn)一半呈深的黃褐色，另一半過渡到半透明略泛綠色；外圈發(fā)現(xiàn)一半呈黑褐色，另一半過渡到黃褐色。這說明密封環(huán)受熱不均勻，外環(huán)受熱升溫較高，內(nèi)環(huán)升溫相對(duì)較低；內(nèi)外環(huán)在圓周方向溫度上升不均勻，溫度差異較大，J-27H環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠在熱力作用下逐步老化。

3 分析與討論

在體視顯微鏡下檢查石墨密封環(huán)內(nèi)外圈組織正常。石墨環(huán)上表面呈現(xiàn)發(fā)亮的摩擦跡象為該石墨密封圈與葉輪軸在工作過程中發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的。外表面的周向摩擦痕跡為石墨環(huán)與金屬基體脫落后，二者發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的[10]。

葉輪軸平面和石墨密封組件產(chǎn)生大量的摩擦熱可能是由于葉輪軸與石墨密封環(huán)組件裝配過緊，導(dǎo)致兩部件之間的油膜不連續(xù)，出現(xiàn)干摩擦現(xiàn)象。干摩擦過程產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)通過流動(dòng)的油膜傳遞，導(dǎo)致葉輪軸平面的外側(cè)冷卻不好，摩擦熱在此大量蓄積，最終使葉輪軸平面外側(cè)產(chǎn)生熱變色并因熱應(yīng)力產(chǎn)生裂紋。

根據(jù)石墨環(huán)密封組件及與其配合的葉輪軸外觀檢查可以發(fā)現(xiàn)，在工作過程中，葉輪軸平面和密封組件產(chǎn)生大量的摩擦熱導(dǎo)致溫度升高，結(jié)合J-27H環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠老化試驗(yàn)結(jié)果表明環(huán)境溫度已超出密封組件膠粘劑的老化溫度，使膠粘劑老化失效，膠接層在受力從金屬基體表面完全脫落，最終導(dǎo)致密封組件中的石墨環(huán)與金屬基體脫落[11-12]。

4 結(jié)論

1)摩擦熱導(dǎo)致石墨環(huán)溫度升高，并使葉輪軸平面的側(cè)面產(chǎn)生熱變色。

2)葉輪軸平面在熱應(yīng)力作用下逐漸產(chǎn)生裂紋，J-27H環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠因受高溫導(dǎo)致老化失效，最終導(dǎo)致密封組件石墨環(huán)與金屬基體脫落。

3)J-27H環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠服役溫度超過232 ℃剪切強(qiáng)度急劇下滑，無法滿足使用要求，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)充分考慮高溫環(huán)境對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的影響，以滿足航空零部件的使用安全和壽命要求。

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High-temperatureFailureAnalysisofJ-27HEpoxyStructuralAdhesive

JIAO Cui-cui，WANG Yun-ping，YANG Xi，JIAO Guan-rong

(AECCXi’anAero-engineControlsCorporation,Xi’an710077,China)

Oil leakage occurred after the engine served for one renovation period and extra 167 hours. It was found that the graphite ring separated from the metal shell and the surface color of the structural adhesive and the impeller changed. The appearance of the failed graphite seal ring and the impeller was inspected, and the metallographic structure of the graphite seal ring was analyzed. Shear strength test and high-temperature aging test were carried out for J-27H structural adhesive. The results indicate that the shedding-off of the graphite ring is due to the high temperature failure of J-27H epoxy structural adhesive resulting from friction heating, and has nothing to do with the property of the graphite seal ring and the structural adhesive.

graphite seal ring; epoxy structural adhesive; high temperature; failure

2017年3月10日 [

] 2017年5月12日

焦翠翠(1985年-)，女，碩士，工程師，主要從事非金屬材料應(yīng)用及故障分析等方面的研究。

Adoi: 10.3969/j.issn.1673-6214.2017.03.009

1673-6214(2017)03-0185-05