某型飛機(jī)蓄壓器○型橡膠密封圈失效分析

高 翔，胡建冬，郭蕊娜，呂曉雷，付永平

（中航工業(yè)洪都，江西 南昌330024）

0 引 言

丁腈橡膠是以丙烯腈含量不同的生膠為基礎(chǔ)，填加補(bǔ)強(qiáng)劑、防老化劑、硫化劑等組分經(jīng)過混煉、硫化而成，具有優(yōu)異的耐油性能、加工性能、物理力學(xué)性能以及動態(tài)力學(xué)性能等， 適用于制造航空油料中工作的活動或固定密封件和或門[1]。 橡膠制件在使用、貯存不當(dāng)時，容易受氧（空氣）、臭氧、熱、光、水分和機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致大分子鏈斷裂、交聯(lián)等化學(xué)變化，導(dǎo)致彈性橡膠制品性能下降，最終失去其使用價值，即老化失效[2]。 在蓄壓器工作過程中橡膠密封圈會不斷受到周期應(yīng)力作用，局部溫度升高，易加速上述反應(yīng)。

某型飛機(jī)蓄壓器所用密封圈為O 型丁腈橡膠密封圈（牌號為試5171），安裝好后需要經(jīng)過例行試驗考核其耐油密封性和環(huán)境耐久性， 即進(jìn)行YH-15 液壓油72h、100±5℃浸油試驗和低溫耐久循環(huán)試驗。 在工程化生產(chǎn)以來，經(jīng)歷多年的摸索，生產(chǎn)工藝、試驗與產(chǎn)品質(zhì)量都很穩(wěn)定。 但在某批次蓄壓器生產(chǎn)期間，在耐久循環(huán)試驗過程中，有兩個蓄壓器進(jìn)氣口端的O型密封圈（本文編號為1#、2#）發(fā)生失效，出現(xiàn)氣體外漏現(xiàn)象。 檢查中發(fā)現(xiàn)，蓄壓器在進(jìn)行高溫耐久循環(huán)試驗后的低溫耐久循環(huán)試驗時，出現(xiàn)氣體外漏現(xiàn)象，在泄壓試驗時， 出現(xiàn)氣泡，1#密封圈出現(xiàn) “起泡”、“鼓包”現(xiàn)象。另一件蓄壓器在進(jìn)行高溫耐久循環(huán)試驗（N2工作環(huán)境）時，出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，但壓力值基本無變化，4h 后壓力出現(xiàn)下降現(xiàn)象，檢查2#密封圈發(fā)現(xiàn)有開裂現(xiàn)象。 針對失效形式，本文對失效O 型密封圈的外觀及斷口宏微觀特征進(jìn)行了觀察，并將失效密封圈與完好密封圈的邵爾硬度和紅外光譜進(jìn)行了對比，確定了失效性質(zhì)，對其失效原因進(jìn)行了分析，并提出了建議。

1 試驗分析

1.1 宏觀觀察

對故障橡膠密封圈進(jìn)行宏觀檢查。 發(fā)現(xiàn)1#密封圈表面發(fā)生起泡， 起泡區(qū)域的長度大約占整個密封圈周長的1/3，其他位置未見氣泡，其外觀形貌見圖1a。該密封圈三面受載，一面自由，氣泡只出現(xiàn)在密封圈的自由表面部分區(qū)域，起泡數(shù)量較多（見圖1b）。經(jīng)手指接觸測試，氣泡側(cè)明顯變硬，另一側(cè)硬度變化不大。 放大觀察到密封圈存在徑向細(xì)微裂紋，部分裂紋穿過呈現(xiàn)“火山口”形貌的氣泡，氣泡內(nèi)部光滑且圓整，可以判斷氣泡由密封圈表面內(nèi)部向外鼓出（見圖1c）。 由圖1d 可以看出，密封圈與金屬接觸表面和自由表面均有明顯的高溫?fù)p傷痕跡。

圖1 1#起泡橡膠密封圈宏觀形貌

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，2# 密封圈表面存在肉眼可見裂紋，外觀形貌見圖2。 裂紋產(chǎn)生區(qū)域多發(fā)生在密封圈內(nèi)側(cè)與金屬接觸面附近區(qū)域， 可見裂紋多呈45°排布，裂紋之間平行呈“魚鱗”狀，見圖2b，圖2c，圖2d。經(jīng)手指接觸測試，裂紋區(qū)域表面變硬，其他位置硬度變化不大。

1.2 斷口微觀觀察

將1#起泡密封圈部分 （A、B、C）斷口打開進(jìn)行SEM 觀察（見圖3），斷口A 呈兩個裂紋源，均位于外側(cè)分模面處附近，源區(qū)特征為點源，源區(qū)未見明顯的夾雜和損傷等缺陷，兩源區(qū)處可見明顯河流狀花樣，此斷口可見明顯疲勞弧線。 從圖3d 中可以看出，密封圈與金屬接觸的內(nèi)、 外側(cè)與自由表面均有短時局部高溫?fù)p傷特征。

1#起泡密封圈B 斷口（見圖4）， 呈現(xiàn)一條裂紋源。 此裂紋源出現(xiàn)在金屬與橡膠內(nèi)側(cè)接觸面處附近，裂紋源為線源，大部分裂紋擴(kuò)展區(qū)比較光滑，局部可見河流狀棱線形貌。 在源區(qū)附近可見一定厚度的硬化層，并且在其他斷口處也存在表層硬化現(xiàn)象。

1#密封圈起泡處斷口C 見圖5，斷口呈現(xiàn)一個裂紋源。 此裂紋源出現(xiàn)在金屬與橡膠內(nèi)側(cè)接觸面處附近，裂紋源起源于自由表面氣泡一側(cè)，為線源，大部分裂紋擴(kuò)展區(qū)比較光滑， 局部可見河流狀棱線與臺階形貌。 由圖中看出，氣孔出現(xiàn)在材料近表面處，在局部高溫作用下，氣泡內(nèi)部氣體沖出，留下一個“火山口”形狀凹坑。

圖2 2#裂紋橡膠密封圈宏觀形貌

圖3 1#起泡密封圈A 斷口源區(qū)形貌

圖4 1#起泡密封圈B 斷口源區(qū)形貌

圖5 1#起泡密封圈C 斷口源區(qū)形貌

將2#密封圈其中一條典型裂紋斷口打開進(jìn)行SEM 觀察，發(fā)現(xiàn)斷口從表面起源（見圖6）。 此裂紋源位于金屬與橡膠內(nèi)側(cè)接觸面處附近， 裂紋源呈線源特征，大部分裂紋擴(kuò)展區(qū)比較光滑，源區(qū)可見疲勞弧線特征，擴(kuò)展區(qū)可見河流狀棱線形貌，為疲勞斷裂，斷口上的人為打開區(qū)域可見較大的氣孔。

圖6 2#開裂密封圈斷口源區(qū)形貌

1.3 硬度測試

采用橡膠硬度計對兩個O 型橡膠密封圈的缺陷處與完好處進(jìn)行硬度（邵爾A）測量，結(jié)果見表1 和表2。 有關(guān)資料中提供的丁腈橡膠試5171 的硬度（邵爾A）約為72~76[1，3]。由于密封圈的測量標(biāo)準(zhǔn)、試樣尺寸、 儀器等不同， 無法和其它文獻(xiàn)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，僅在本文測量的數(shù)據(jù)之間比較分析。

表1 起泡O 型密封圈起泡處硬度與未起泡處硬度比較

通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，1#密封圈起泡處硬度明顯高于此其他完好處表面硬度；2#密封圈裂紋附近硬度也高于無裂紋面的硬度。 可見，兩個密封圈發(fā)生了局部（缺陷處）過硫，即老化。

1.4 紅外圖譜（FTIR）分析

對失效密封圈與完好密封圈進(jìn)行對比紅外光譜分析，結(jié)果見圖7，圖中907cm-1、962cm-1的吸收峰是橡膠中丁二烯產(chǎn)生的C=C 振動吸收峰，且962cm-1處的吸收峰為最強(qiáng)峰；1434cm-1為鏈狀CH2的特征吸收峰；2235cm-1處的吸收峰是-C≡N 的特征吸收峰和1722cm-1處的吸收峰是C-N 的振動吸收峰。 從圖中可以看出，所檢部位材料均為丁腈橡膠，但是起泡處的紅外峰中962cm-1的C=C 振動吸收峰峰值減弱，說明此處材料在工作過程中發(fā)生了老化，C=C 發(fā)生斷裂，進(jìn)行了交聯(lián)，從而使材料的剛度上升，使材料力學(xué)性能改變，材料硬度升高。

圖7 失效密封圈紅外分析譜圖

2 分析與討論

由以上實驗結(jié)果可以看出， 兩種密封圈均在自由表面產(chǎn)生大量的微裂紋； 兩種密封圈失效表面硬度均高于未損傷表面，局部表面明顯硬化，材料發(fā)生老化，承載能力下降，自由面在耐久循環(huán)實驗時，在循環(huán)載荷作用下，在應(yīng)力集中處發(fā)生斷裂；從斷口上可見明顯的疲勞弧線特征， 由此確定兩個密封圈上的裂紋均為疲勞裂紋。

外觀檢查表明，1#起泡密封圈表面出現(xiàn)明顯局部短時高溫?fù)p傷痕跡，有大量“火山口”形狀氣泡產(chǎn)生；與金屬接觸的內(nèi)、外側(cè)表面有明顯的高溫燙傷痕跡，且在自由表面出現(xiàn)大量微裂紋及碳化形貌。 斷口觀察發(fā)現(xiàn)，源區(qū)附近存在碳化現(xiàn)象，源區(qū)附近可見明顯的一定厚度的碳化層。 硬度測試結(jié)果表明，密封圈起泡處表面硬度遠(yuǎn)高于未起泡處表面。 由此表明，1#密封圈由于短時高溫，導(dǎo)致局部表面高溫氧化，造成表面材料性能下降。

2#開裂密封圈宏觀觀察未見明顯的高溫?fù)p傷痕跡，但存在一定量的沿45°方向開裂的細(xì)小“魚鱗”狀裂紋。 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此開裂密封圈裝配使用于蓄壓器已接近橡膠的存放年限， 故開裂原因可能為橡膠存放時間過長，導(dǎo)致表面老化，性能下降。 斷口觀察發(fā)現(xiàn)，2#開裂密封圈裂紋起源于密封圈與金屬套筒接觸的內(nèi)表面區(qū)域， 源區(qū)附近可見明顯的一定厚度的硬化層，損傷擴(kuò)展區(qū)大部分區(qū)域光滑，這說明表面硬度值很高。 硬度測試結(jié)果進(jìn)一步證實，開裂表面硬度高于未開裂區(qū)域。 根據(jù)前期了解判斷，造成其開裂的原因為密封圈存放時間過長，導(dǎo)致的材料老化。 在開裂源區(qū)附近發(fā)現(xiàn)內(nèi)部表面圓整大小不一的起泡， 通過觀察2#密封圈的其他未開裂部位的橫截面和表層面，未見起泡， 故大致可以排除這些起泡是在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的可能。與1#密封圈對比，發(fā)現(xiàn)起泡形態(tài)出現(xiàn)位置相似，同時源區(qū)硬化層與表面硬度偏高，懷疑可能這個起泡也是由于短時超溫所致， 只是工作時間較短，還未破裂。

對1#、2#起泡密封圈進(jìn)行受力狀態(tài)分析。 密封圈在裝配后，所產(chǎn)生變形如圖8 所示，在1、2 表面處受壓應(yīng)力作用；耐久循環(huán)實驗前，進(jìn)行耐壓與氣密性實驗時，密封圈在自由面 （4 面）上受氣體壓力作用；將3 面壓到與金屬套筒相接觸時， 3 面受到壓應(yīng)力作用； 從宏觀觀察時也可以證實1、 2、 3 表面已經(jīng)被壓平。

圖8 失效密封圈受力狀態(tài)分析圖

在浸油實驗中， 由于試5171 橡膠在YH15 內(nèi)體積溶脹較大，實驗中，自由表面（4 表面）受到的表面張應(yīng)力增加。 當(dāng)在耐壓循環(huán)實驗（100±5℃環(huán)境下，循環(huán)油壓下限1.4MPa，上限為20.6MPa，頻率為每分鐘1～2個循環(huán)）下， 4 表面產(chǎn)生循環(huán)壓力，同時存在表面張應(yīng)力， 共同作用下會產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)， 密封圈的薄弱 （潛在失效）區(qū)若處在應(yīng)力集中區(qū)就會產(chǎn)生疲勞破壞。

紅外分析結(jié)果表明， 密封圈所用橡膠為丁腈橡膠， 其中2# 開裂密封圈未見明顯異常，1#密封圈氣泡處的紅外峰中，962cm-1的C=C 振動吸收峰峰值減弱，說明此處材料在工作過程中發(fā)生了老化，C=C 發(fā)生斷裂，進(jìn)行了交聯(lián)，使材料力學(xué)性能改變，材料彈性下降。

因此可以推斷，1#密封圈的裂紋產(chǎn)生過程為：一方面由于短時局部高溫老化，造成表面硬度上升；另一方面由于密封圈在YH-15 號液壓油中體積溶脹較大，在耐壓循環(huán)氣體壓力作用下，表面應(yīng)力集中處發(fā)生疲勞引發(fā)破壞失效。 2#密封圈的裂紋產(chǎn)生過程為：由于橡膠密封圈存放時間過長，導(dǎo)致老化，另外由于短時局部超溫老化，致使材料性能下降，同時在循環(huán)載荷作用下，導(dǎo)致材料開裂失效。

3 結(jié) 論

1）兩個密封圈的裂紋均為疲勞裂紋；

2）1#密封圈氣泡為短時局部高溫所致；

3）2#密封圈失效與短時局部高溫、 長時間貯存等導(dǎo)致橡膠老化、硬度上升、性能下降有關(guān)；

基于易老化的特點及失效原因， 建議嚴(yán)格控制例行耐久循環(huán)試驗過程的溫度； 加強(qiáng)控制密封圈待裝配的貯存時間，若需要長期存放時，應(yīng)注意使用專用包裝方法，隔光、除氧密封封存，以防發(fā)生老化。

[1]中國航空材料手冊編委會. 中國航空材料手冊（第2 版，第8 卷）[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[2]夏祥泰，王志宏，劉國光. 飛機(jī)起落架作動筒密封圈失效分析[J]. 失效分析與預(yù)防，2007，2（4）.

[3]張洪雁,曹壽德,王景鶴.高性能橡膠密封材料[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.